一种超高压电性能的正交相Mn掺杂铌钽锑酸钾钠锂无铅压电单晶及其制备方法技术

一种超高压电性能的正交相Mn掺杂铌钽锑酸钾钠锂无铅压电单晶及其制备方法，它属于功能性单晶材料及其制备技术研究领域，具体涉及一种钙钛矿结构铌钽酸钾钠基无铅压电单晶及其制备方法。本发明专利技术的目的是针对目前组分复杂的单晶生长困难，质量不高，压电性能不够高的问题。一种超高压电性能的正交相Mn掺杂铌钽锑酸钾钠锂无铅压电单晶的化学式为[(NayK1‑y)1‑xLix](Nb1‑zTazSbt)O3:Mn。方法：一、准备原料；二、混合原料；三、预烧；四、第二次预烧；五、反复熔化预烧钙钛矿结构的多晶材料；六、晶体生长。本发明专利技术可获得一种超高压电性能的正交相Mn掺杂铌钽锑酸钾钠锂无铅压电单晶。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于功能性单晶材料及其制备技术研究领域，具体涉及一种钙钛矿结构铌钽酸钾钠基无铅压电单晶及其制备方法。
技术介绍
压电材料可以实现机械能和电能之间的相互转换，是一类非常重要的功能材料，在日常生活中有广泛的应用。目前应用最为广泛的压电材料仍然是铅基材料。众所周知，含铅材料在生产和使用过程中容易挥发，不利于环境保护和人体健康。因此，探索一种压电性能良好，能够代替铅基材料的无铅压电材料是目前功能材料领域的研究热点。(K,Na)NbO3基无铅压电材料具有较高的压电性能和居里温度，因此一直备受关注。2004年，日本丰田研究所的Y.Saito等人在Nature杂志上报道了(Lead-freepiezoceramics,Nature,2004,432,84.)改性后的铌酸钾钠陶瓷，即(K,Na,Li)(Nb,Sb,Ta)O3压电陶瓷具有和铅基材料相媲美的压电性能。利用织构工艺制备的同组分陶瓷压电性能有更一步的提高。这是无铅材料研究领域的一个重大突破。在之后的几年里，国内外学者对(K,Na)NbO3材料展开了广泛的研究，以进一步提高其压电性能，达到实用化的目的。这些研究多集中在陶瓷材料中。另外，针对(K,Na)NbO3陶瓷改性的结果表明，Li元素取代部分Na、K，同时Sb、Ta元素取代部分Ta形成的新体系，(K,Na,Li)(Nb,Sb,Ta)O3，具有非常优异的压电性能。一般来讲，单晶与陶瓷相比在压电性能方面更具有优势，也更接近实用化的需求。但是(K,Na)NbO3材料中，K和Na元素容易挥发，生长过程中分凝严重，因此要生长出质量良好，压电性能优异的(K,Na)NbO3体系单晶是非常困难的。要生长组分复杂的(K,Na,Li)(Nb,Sb,Ta)O3单晶更加困难。专利技术人团队前期工作表明，单晶生长过程中掺杂少量MnO2可以降低材料熔点，促进单晶生长，有利于生长出高质量的单晶。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对目前组分复杂的单晶生长困难，质量不高，压电性能不够高的问题，提供一种超高压电性能的正交相Mn掺杂铌钽锑酸钾钠锂无铅压电单晶及其制备方法。一种超高压电性能的正交相Mn掺杂铌钽锑酸钾钠锂无铅压电单晶的化学式为[(NayK1-y)1-xLix](Nb1-zTazSbt)O3:Mn，其中，0.01<x<0.05，0.4<y<0.6，0.25<z<0.35，0.01<t<0.05。一种超高压电性能的正交相Mn掺杂铌钽锑酸钾钠锂无铅压电单晶的制备方法，具体是按以下步骤完成的：一、准备原料：依照单晶化学式[(NayK1-y)1-xLix](Nb1-zTazSbt)O3:Mn，称取原料Na2CO3、K2CO3、Li2CO3、Nb2O5、Sb2O5和Ta2O5，其中Na元素:K元素:Li元素:Nb元素:Ta元素:Sb元素的摩尔比为(y-xy):(1-x-y+xy):x:(1-z):z:t；所述的[(NayK1-y)1-xLix](Nb1-zTazSbt)O3:Mn中0.01<x<0.05，0.4<y<0.6，0.25<z<0.35，0.01<t<0.05；按照Mn元素与Ta元素、Nb元素和Sb元素三种元素之和的摩尔比为(0.002～0.004):1称取MnO2；二、混合原料：将步骤一中称取的Na2CO3、K2CO3、Li2CO3、Ta2O5、Nb2O5、Sb2O5、和MnO2放入聚乙烯球磨罐中，按照球料质量比为(15～25):1的比例放入氧化锆磨球，再加入无水乙醇，再在球磨机转速为150r/min～250r/min的条件下球磨10h～14h，得到浆料Ⅰ；步骤二中所述的Na2CO3、K2CO3、Li2CO3、Ta2O5、Nb2O5、Sb2O5、和MnO2的总质量与无水乙醇的体积比为1g:(1.5mL～2.5mL)；三、预烧：将步骤二中得到的浆料Ⅰ在温度为90℃～110℃下干燥2h～5h，得到粉料Ⅰ；再在室温条件和压强为100MPa的条件下将粉料Ⅰ压制成直径为60mm的圆片Ⅰ，再在800℃～950℃下预烧2h～6h，得到多晶块体Ⅰ；四、第二次预烧：使用玛瑙研钵将步骤三中得到的多晶块体Ⅰ粉碎成粒径为1μm～10μm的粉体，再将粒径为1μm～10μm粉体放入聚乙烯球磨罐中，按照球料质量比为(15～25):1的比例放入氧化锆磨球，再加入无水乙醇，再在球磨机转速为150r/min～250r/min的条件下球磨10h～14h，得到浆料Ⅱ；再将浆料Ⅱ在温度为90℃～110℃下干燥2h～5h，得到粉料Ⅱ；再在室温条件和压强为100MPa的条件下将粉料Ⅱ压制成直径为60mm的圆片Ⅱ，再在800℃～950℃下预烧2h～4h，得到钙钛矿结构的多晶块体Ⅱ；步骤四中所述的粒径为1μm～10μm粉体的质量与无水乙醇的体积比为1g:(1.5mL～2.5mL)；五、反复熔化预烧钙钛矿结构的多晶材料：①、将步骤四得到的钙钛矿结构的多晶块体Ⅱ置于铂金坩埚中，然后将铂金坩埚置于单晶提拉炉中，再将单晶提拉炉以80℃/h～150℃/h的升温速度从室温升至1000℃，再以40℃/h～80℃/h的速率从1000℃升至1100℃～1200℃，待钙钛矿结构的多晶块体Ⅱ全部熔化后，再将温度升高100℃；最后以60℃/h～120℃/h的降温速度将单晶生长炉降温至700℃～1000℃；②重复步骤五①3次～5次；③在1100℃～1200℃的条件下保温1h～3h，得到均匀的液态原料；六、晶体生长：①缩颈：在温度为1100℃～1200℃条件下以5cm/h～10cm/h的速度将籽晶降至均匀的液态原料的液面以下，待籽晶不融不长后，以转速为6r/min～12r/min，拉速为0.3mm/h～0.6mm/h的条件下将籽晶拉长至1mm～2mm；②放肩：在转速6r/min～10r/min和拉速为0.05mm/h～0.3mm/h的条件下，以3℃/h～6℃/h的降温速度使单晶生长炉的温度下降4℃～6℃，使晶体生长至宽度为8mm～15mm；③等径：在转速为6r/min～12r/min和拉速为0.1mm/h～0.3mm/h的条件下将单晶生长炉的温度以1℃/h～3℃/h的速率降温，待晶体长至高度为10mm～20mm时，将晶体拉高脱离均匀的液态原料，生长完成；④分步降温：以20℃/h～40℃/h的降温速度将单晶生长炉的温度降至1000℃，再以50℃/h～80℃/h的降温速度将单晶生长炉的温度降至500℃，然后以30℃/h～50℃/h的速度降至室温，得到超高压电性能的正交相Mn掺杂铌钽锑酸钾钠锂无铅压电单晶，即完成一种超高压电性能的正交相Mn掺杂铌钽锑酸钾钠锂无铅压电单晶的制备方法。本专利技术的特点及优势：一、本专利技术中涉及到的单晶组分复杂，不容易生长；本专利技术采用两次球磨、两次预烧的方法获得超高压电性能的正交相Mn掺杂铌钽锑酸钾钠锂无铅压电单晶，所获得的钙钛矿结构的多晶块体Ⅱ相结构更纯，组分更均匀，熔点更一致，对生长高质量的单晶非常有利；二、本专利技术采用反复熔化预烧钙钛矿结构的多晶材料的方法，在单晶生长之前形成均匀的、稳定的溶液，有利于获得组分均匀的、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超高压电性能的正交相Mn掺杂铌钽锑酸钾钠锂无铅压电单晶，其特征在于一种超高压电性能的正交相Mn掺杂铌钽锑酸钾钠锂无铅压电单晶的化学式为[(NayK1‑y)1‑xLix](Nb1‑zTazSbt)O3:Mn，其中，0.01<x<0.05，0.4<y<0.6，0.25<z<0.35，0.01<t<0.05。

【技术特征摘要】
1.一种超高压电性能的正交相Mn掺杂铌钽锑酸钾钠锂无铅压电单晶，其特征在于一种超高压电性能的正交相Mn掺杂铌钽锑酸钾钠锂无铅压电单晶的化学式为[(NayK1-y)1-xLix](Nb1-zTazSbt)O3:Mn，其中，0.01<x<0.05，0.4<y<0.6，0.25<z<0.35，0.01<t<0.05。2.根据权利要求1所述的一种超高压电性能的正交相Mn掺杂铌钽锑酸钾钠锂无铅压电单晶，其特征在于所述的[(NayK1-y)1-xLix](Nb1-zTazSbt)O3:Mn中0.01<x<0.03，0.4<y<0.5，0.25<z<0.3，0.01<t<0.03。3.根据权利要求1所述的一种超高压电性能的正交相Mn掺杂铌钽锑酸钾钠锂无铅压电单晶，其特征在于所述的[(NayK1-y)1-xLix](Nb1-zTazSbt)O3:Mn中0.03<x<0.05，0.5<y<0.6，0.3<z<0.35，0.03<t<0.05。4.如权利要求1所述的一种超高压电性能的正交相Mn掺杂铌钽锑酸钾钠锂无铅压电单晶的制备方法，其特征在于一种超高压电性能的正交相Mn掺杂铌钽锑酸钾钠锂无铅压电单晶的制备方法具体是按以下步骤完成的：一、准备原料：依照单晶化学式[(NayK1-y)1-xLix](Nb1-zTazSbt)O3:Mn，称取原料Na2CO3、K2CO3、Li2CO3、Nb2O5、Sb2O5和Ta2O5，其中Na元素:K元素:Li元素:Nb元素:Ta元素:Sb元素的摩尔比为(y-xy):(1-x-y+xy):x:(1-z):z:t；所述的[(NayK1-y)1-xLix](Nb1-zTazSbt)O3:Mn中0.01<x<0.05，0.4<y<0.6，0.25<z<0.35，0.01<t<0.05；按照Mn元素与Ta元素、Nb元素和Sb元素三种元素之和的摩尔比为(0.002～0.004):1称取MnO2；二、混合原料：将步骤一中称取的Na2CO3、K2CO3、Li2CO3、Ta2O5、Nb2O5、Sb2O5、和MnO2放入聚乙烯球磨罐中，按照球料质量比为(15～25):1的比例放入氧化锆磨球，再加入无水乙醇，再在球磨机转速为150r/min～250r/min的条件下球磨10h～14h，得到浆料Ⅰ；步骤二中所述的Na2CO3、K2CO3、Li2CO3、Ta2O5、Nb2O5、Sb2O5、和MnO2的总质量与无水乙醇的体积比为1g:(1.5mL～2.5mL)；三、预烧：将步骤二中得到的浆料Ⅰ在温度为90℃～110℃下干燥2h～5h，得到粉料Ⅰ；再在室温条件和压强为100MPa的条件下将粉料Ⅰ压制成直径为60mm的圆片Ⅰ，再在800℃～950℃下预烧2h～6h，得到多晶块体Ⅰ；四、第二次预烧：使用玛瑙研钵将步骤三中得到的多晶块体Ⅰ粉碎成粒径为1μm～10μm的粉体，再将粒径为1μm～10μm粉体放入聚乙烯球磨罐中，按照球料质量比为(15～25):1的比例放入氧化锆磨球，再加入无水乙醇，再在球磨机转速为150r/min～250r/min的条件下球磨10h～14h，得到浆料Ⅱ；再将浆料Ⅱ在温度为90℃～110℃下干燥2h～5h，得到粉料Ⅱ；再在室温条件和压强为100MPa的条件下将粉料Ⅱ压制成直径为60mm的圆片Ⅱ，再在800℃～950℃下预烧2h～4h，得到钙钛矿结构的多晶块体Ⅱ；步骤四中所述的粒径为1μm～10μm粉体的质量与无水乙醇的体积比为1g:(1.5mL～2.5mL)；五、反复熔化预烧钙钛矿结构的多晶材料：①、将步骤四得到的钙钛矿结构的多晶块体Ⅱ置于铂金坩埚中，然后将铂金坩埚置于单晶提拉炉中，再将单晶提拉炉以80℃/h～150℃/h的升温速度从室温升至1000℃，再以40℃/h～80℃/h的速率从1000℃升至1100℃～1200℃，待钙钛矿结构的多晶块体Ⅱ全部熔化后，再将温度升高100℃；最后以60℃/h～120℃/h的降温速度将单晶生长炉降温至700℃～1000℃；②重复步骤五①3次～5次；③在1100℃～1200℃的条件下保温1h～3h，得到均匀的液态原料；六、晶体生长：①缩颈：在温度为1100℃～1200℃条件下以5cm/h～10cm/h的速度将籽晶降至均匀的液态原料的液面以下，待籽晶不融不长后，以转速为6r/min～12r/min，拉速为0.3mm/h～0.6mm/h的条件下将籽晶拉长至1mm～2mm；②放肩：在转速6r/min～10r/min和拉速为0.05mm/h～0.3mm/h的条件下，以3℃/h～6℃/h的降温速度使单晶生长炉的温度下降4℃～6℃，使晶体生长至宽度为8mm～15mm；③等径：在转速为6r/min～12r/min和拉速为0.1mm/h～0.3mm/h的条件下将单晶生长炉的温度以1℃/h～3℃/h的速率降温，待晶体长至高度为10mm～20mm时，将晶体拉高脱离均匀的液态原料，生长完成；④分步降温：以20℃/h～40℃/h的降温速度将单晶生长炉的温度降至100...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑立梅，吕伟明，杨丽雅，刘博，靖羽佳，王军军，王锐，杨彬，张锐，曹文武，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23