适用于高温领域的四方相钛镁酸铋‑钛酸铅基压电单晶及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种适用于高温领域的四方相钛镁酸铋‑钛酸铅基压电单晶及其制备方法，所述四方相钛镁酸铋‑钛酸铅基压电单晶的组成化学式为(1‑

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种压电单晶及其生长方法，具体涉及一种四方相钛镁酸铋-钛酸铅基高温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，是一类重要的功能材料，广泛应用于航空、能源、汽车制造、通信、家电、探测和计算机等诸多领域，是构成滤波器、换能器、传感器、压电变压器等电子元件的重要部件，已成为21世纪高新技术的主要研究方向之一。近十几年来，随着航天航空、石油化工、地质勘探、核能发电、汽车制造等工业的迅速发展，电子设备需要在更高的温度下工作，同时也对压电材料提出了更高的要求，不仅要求压电材料具有优异的性能，而且还要求压电材料具有更高的使用温度。例如用于汽车机罩内的振动传感器、表面控制和动态燃料注射喷嘴上的压电材料要求工作温度高达300℃，油井下使用的声波测井换能器工作温度也达到200-300℃。因此，现在工业中的很多场合要求压电材料必须在较高的温度下(﹥400℃)不出现结构相变以保证不发生高温退极化现象而劣化压电器件的温度稳定性。此外，在压电性能方面，压电单晶有着比压电陶瓷优异得多的性能，例如目前研究较多的高居里温度压电材料钪酸铋-钛酸铅体系，在准同型相界处压电陶瓷的压电常数d33＝460PC/N，机电耦合系数k33＝0.56；而准同型相界处压电单晶的压电常数d33＝1150PC/N，机电耦合系数k33＝0.90(R.Eitel,C.A.Randall,T.R.Shrout,andS.E.Park,Jpn.<br>J.Appl.Phys.2002,41,2009；S.J.Zhang,C.A.Randall,andT.R.Shrout,Appl.Phys.Lett.2003,83,3150.)。因此，要想同时满足上述行业对压电材料性能和使用温度的要求，压电单晶有着无可比拟的优势。虽然钪酸铋-钛酸铅体系为目前研究较多的高温高性能压电材料，但是其也存在一些不足。首先准同相界处压电单晶虽然有着优异的压电性能，但是居里温度还是偏低，只有402℃；此外，钪酸铋-钛酸铅的制备原材料氧化钪的价格极其昂贵，从而使得钪酸铋-钛酸铅很难在工业上获得大规模的应用。钛镁酸铋-钛酸铅体系是目前研究较多的另外一个高温压电体系，其原材料价格便宜，适合于大规模生产。目前对钛镁酸铋-钛酸铅体系的研究主要集中在压电陶瓷上(C.A.Randall,R.E.Eitel,B.Jones,andT.R.Shrout,JApplPhys,2004,95,3633；Q.Zhang,Z.Li,F.Li,Z.Xu,andX.Yao,JAmCeramSoc,2010,93,3330；CN102336567A)。且其成分都集中在准同相界周围，即(1-x)Bi(Mg1/2Ti1/2)O3-xPbTiO3中x的值小于0.42，其物相为三方相，未掺杂样品的居里温度在450℃以下，掺杂锰之后虽然有所提高，但是提高的幅度不大，只有520℃左右。也很难满足很多高温领域对材料使用温度的要求。因此，如何进一步提高钛镁酸铋-钛酸铅体系的使用温度、压电性能，是该领域人员的一个重要研究方向。
技术实现思路
本专利技术旨在进一步拓展钛镁酸铋-钛酸铅体系压电材料的类型，并提高钛镁酸铋-钛酸铅体系压电材料的使用温度及压电性能，本专利技术提供了一种四方相钛镁酸铋-钛酸铅基高温压电单晶及其制备方法。本专利技术提供了一种四方相钛镁酸铋-钛酸铅基压电单晶的制备方法，所述四方相钛镁酸铋-钛酸铅基压电单晶的组成化学式为(1-x)Bi(Mg1/2Ti1/2)O3-xPbTiO3，其中，0.50≦x≦0.90，所述制备方法包括：1)按所述四方相钛镁酸铋-钛酸铅基压电单晶的组成化学式称取MgO、TiO2、Bi2O3和铅的氧化物作为单晶组成原料，并称取助熔剂，将单晶组成原料和助溶剂混合后得到晶体生长用起始料，其中，助熔剂质量为总原料质量的20-80％；2)将步骤1)制备的晶体生长用起始料在900-1350℃下熔融后调整到饱和温度以上，恒温6-20小时；3)采用顶部籽晶法生长晶体：用籽晶找到生长点，在900-1300℃的温度下进行晶体生长，温度梯度为0.2-5℃/cm,籽晶转速为5-30rpm，提拉速度≦8mm/天，降温速率为0.2-5℃/天；4)将步骤3)制备的晶体提出液面，以10-100℃/小时的速度降温退火至室温，得到所述四方相钛镁酸铋-钛酸铅基压电单晶。较佳地，步骤1)中，铅的氧化物为PbO和/或Pb3O4。较佳地，步骤1)中，将单晶组成原料在与助熔剂混合之前，在750-1000℃下预烧2-20小时。较佳地，步骤1)中，助熔剂为Pb3O4、PbO、Bi2O3、PbF、H3BO3和/或B2O3。较佳地，步骤1)中，所述晶体生长用起始料还包含MnO2、Cr2O3、CuO、Nb2O5、La2O3、NiO和/或ZnO进行掺杂。较佳地，步骤2)中，所述所述饱和温度为900-1300℃，饱和温度以上指超过饱和温度10-100℃。较佳地，步骤3)中，所述籽晶的晶向为(111)、(001)、(110)或(211)，所述籽晶为(1-x)Bi(Mg1/2Ti1/2)O3-xPbTiO3晶体。较佳地，0.50≦x≦0.80；更佳地，0.55≦x≦0.70；极其优选地，0.58≦x≦0.64。较佳地，所述四方相钛镁酸铋-钛酸铅基压电单晶的居里温度高于485℃，常温压电常数为180-300pC/N。在高于样品居里温度100-300℃的温度下退火后仍有较高的压电性能。较佳地，所述四方相钛镁酸铋-钛酸铅基压电单晶中掺杂有锰、铬、铜、铌、镧、镍和/或锌，掺杂的金属元素不超过所述四方相钛镁酸铋-钛酸铅基压电单晶中Bi和Pb摩尔量之和5％。又，本专利技术还提供了一种上述方法制备的四方相钛镁酸铋-钛酸铅基压电单晶，所述四方相钛镁酸铋-钛酸铅基压电单晶的组成化学式为(1-x)Bi(Mg1/2Ti1/2)O3-xPbTiO3，其中，x＝0.5。本专利技术的有益效果：所制备的四方相的钛镁酸铋-钛酸铅基压电单晶，与通常制备的位于准同相界周围，即(1-x)Bi(Mg1/2Ti1/2)O3-xPbTiO3(x≦0.42)相比，其使用温度有了大幅度的提高，从400℃以下，提高到600℃以上，提高了200℃，对于0.55≦x≦0.70的优选成分，其使用温度可以达到650℃以上，个别成分最优的样品在800℃的温度下热处理后压电常数d33仍有200PC/N左右。此外，由于成分偏向四方相区域，压电性能与准同型相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种四方相钛镁酸铋‑钛酸铅基压电单晶的制备方法，其特征在于，所述四方相钛镁酸铋‑钛酸铅基压电单晶的组成化学式为(1‑x)Bi(Mg1/2Ti1/2)O3 ‑xPbTiO3，其中，0.50≦x≦0.90，所述制备方法包括：1）按所述四方相钛镁酸铋‑钛酸铅基压电单晶的组成化学式称取MgO、TiO2、Bi2O3和铅的氧化物作为单晶组成原料，并称取助熔剂，将单晶组成原料和助溶剂混合后得到晶体生长用起始料，其中，助熔剂质量为总原料质量的20‑80%； 2）将步骤1）制备的晶体生长用起始料在900‑1350℃下熔融后调整到饱和温度以上，恒温6‑20小时；3）采用顶部籽晶法生长晶体：用籽晶找到生长点，在900‑1300℃的温度下进行晶体生长，温度梯度为0.2‑5℃/cm，籽晶转速为5‑30rpm，提拉速度≦8mm/天，降温速率为0.2‑5℃/天；4）将步骤3）制备的晶体提出液面，以10‑100℃/小时的速度降温退火至室温，得到所述四方相钛镁酸铋‑钛酸铅基压电单晶。

【技术特征摘要】
1.一种四方相钛镁酸铋-钛酸铅基压电单晶的制备方法，其特征在于，所述四方相钛镁酸铋-钛酸铅基压电单晶的组成化学式为(1-x)Bi(Mg1/2Ti1/2)O3-xPbTiO3，其中，0.50≦x≦0.90，所述制备方法包括：
1）按所述四方相钛镁酸铋-钛酸铅基压电单晶的组成化学式称取MgO、TiO2、Bi2O3和铅的氧化物作为单晶组成原料，并称取助熔剂，将单晶组成原料和助溶剂混合后得到晶体生长用起始料，其中，助熔剂质量为总原料质量的20-80%；
2）将步骤1）制备的晶体生长用起始料在900-1350℃下熔融后调整到饱和温度以上，恒温6-20小时；
3）采用顶部籽晶法生长晶体：用籽晶找到生长点，在900-1300℃的温度下进行晶体生长，温度梯度为0.2-5℃/cm，籽晶转速为5-30rpm，提拉速度≦8mm/天，降温速率为0.2-5℃/天；
4）将步骤3）制备的晶体提出液面，以10-100℃/小时的速度降温退火至室温，得到所述四方相钛镁酸铋-钛酸铅基压电单晶。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1）中，铅的氧化物为PbO和/或Pb3O4。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤1）中，将单晶组成原料在与助熔剂混合之前，在750-1000℃下预烧2-20小时。
4.根据权利要求1-3中任一所述的制备方法，其特征在于，步骤1）中，助熔剂为Pb3O4、PbO、Bi2O3、PbF、H3BO3和/或...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘锦峰，许桂生，杨丹凤，陈夏夏，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31