本发明专利技术涉及铌锌酸铅-钛酸铅单晶的制备方法，以PbO、ZnO、Nb2O5和TiO2为原料，按照化学组成(1-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3PZN-PT配比原料，x为PT在固溶体系中的摩尔分数，x为0-1；先将原料ZnO,Nb2O5,TiO2按照化学计量比混料球磨烧结得到铌铁矿结构的ZnNb2O6和少量金红石结构的锌铌钛氧化物，然后再混合PbO烧结得到钙钛矿结构的PZN-PT陶瓷粉，最后将PZN-PT陶瓷粉与助熔剂混合用作晶体生长。籽晶按、晶向加工。生长单晶时，先将温度升至饱和生长温度，再以0.5~2℃/h的速率降温生长。生长时单晶的提拉速度0.1~0.5mm/h，旋转速度为10~25rpm。当温度降至900~1030℃时将晶体拉离熔融液，而后以50~100℃/h的降温速率降至室温获得晶体。生长出的单晶尺寸大，均匀性好，晶体形貌显著，易于定向加工。坩埚可重复使用，降低了熔炼成本。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于材料制备领域，涉及一种单晶材料的生长。实施过程中，采用提拉法生长固溶体单晶铌锌酸铅-钛酸铅。
技术介绍
钛酸铅(PbTiO3)是一种典型的钙钛矿型铁电体，铌锌酸铅(Pb(Zg1/3Nb2/3)03)是一种典型的弛豫铁电体。1997年3月，国际著名期刊《SCIENCE》报道了二者形成的赝二元固溶体系——弛豫型铁电单晶(1-力Pb (ai1/3Nb2/3) 03-rfbTi03 (PZN-PT，z为PT在固溶体系中的摩尔分数)的压电性能。与传统的PZT系压电陶瓷相比，其压电常量^3由600PC/N提高到2500pC/N，机电耦合因数由70%提高到93 95%，最大电致伸缩应变由0. 15%提高到 1. 7%。弛豫型铁电体单晶的应用范围正在日益扩大，如高应变固体驱动器、高灵敏度海军声纳、新型工业无损探伤仪及空调、汽车、飞机、火箭等的振动控制仪。因此这类压电单晶具有极大的应用潜力，有望取代传统的PZT陶瓷。美国宾州州立大学的研究人员发现，PZN-PT单晶除了具有非常高的压电性能外， 也具有非常好的电光效应。例如，四方相PZN-0. 12PT单晶的“ =134 pm/V,^42 = 462 pm/ V;准同型相界内PZN-0.09PT单晶的而3 450 pm/V，比常用的铌酸锂单晶高出14倍多。与 BaTiO3和SBN不同，室温下弛豫铁电单晶的电光性能比较稳定；与KNbO3不同，PZN-PT单晶容易获得尺寸比较大的晶体。电光陶瓷锆钛酸铅镧(PLZT)具有较强的线性和二次电光效应，这种材料的电光系数虽然较大，但缺点是响应速度较慢，不适合于高速电光器件。比较各种电光材料，不难看出PZN-PT单晶具有非常好的综合性能。近年来，PZNT单晶的生长主要采用助熔剂法和坩埚下降法。助熔剂法设备简单，操作方便，实用性很强。采用PbO做助熔剂，如果实验顺利，可以获得10 20mm尺寸的大晶体。然而，自发成核导致晶体生长过程难以控制，重复性差。长成的晶体中容易包含PbO助熔剂包裹体、焦绿石相和其它杂相。与助熔剂法相比，坩埚下降法晶体尺寸容易控制，生长过程重复性较好；可以利用籽晶控制生长方向，调节生长速度；密封状态生长可以抑制PbO 在高温下的挥发。坩埚下降法的缺点是，无法从坩埚中分离晶体，因而每次生长完毕，都要撕碎坩埚才能取出晶体，这无疑大大增加了成本和生长周期。生长晶体的过程中，坩埚完全封闭，无法实时观察晶体生长状态，这为生长工艺的摸索和调节带来了极大的困难。封闭的坩埚，使生长出的晶体没有显露面，为晶体定向带来了困难。此外，生长出的晶体底部Ti4+ 离子浓度较高、顶部较低，存在着组分分凝现象。由此导致晶体的性能不均勻，影响其在压电和电光器件中的应用。提拉法采用籽晶诱导生长，可以提高单晶的生长速度和质量；晶体生长过程可以直接观察，因而能够实时调节参数。但由于I^bO在高温下容易挥发，对环境有一定的危害，至今尚未被应用于PZN-PT单晶的生长。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种固溶体单晶铌锌酸铅-钛酸铅的生长新方法，实现该单晶的低成本、实时可控、短周期和规模化生产。生长出的单晶尺寸大，均勻性好，晶体形貌显著，易于定向加工。坩埚可重复使用，降低熔炼成本。，其特征在于以I^bO、ZnO, Nb2O5和TW2为原料，按照化学组成(I-Z)Pb (Zn1/3Nb2/3) O3-^PbTiO3 PZN-PT配比原料，ζ为PT在固溶体系中的摩尔分数，X为0-1 ；原料aiO，Nb2O5，TiO2按照化学计量比混料球磨烧结得到铌铁矿结构的SiNb2O6和少量金红石结构的锌铌钛氧化物，然后再混合计量比的PbO烧结得到钙钛矿结构的PZN-PT陶瓷粉，最后将PZN-PT陶瓷粉与助熔剂混合获得单晶生长起始料，然后在单晶生长起始料中加入籽晶，利用提拉法生长晶体；其中原料aiO，Nb2O5，1102混合后于 850^1150 °C预烧结1-4小时，得到铌铁矿结构的SiNb2O6和少量金红石结构的锌铌钛氧化物；加入PbO后在于70(T80(TC烧结1-3小时，得到PZN-PT陶瓷粉。陶瓷粉与助熔剂的摩尔比=3 7 5 5，所述的助熔剂为PbO或者I^bO与B2O3的混合物，且PbO与化03的摩尔比大于 48 :2。单晶生长采用的坩埚是白金坩埚。籽晶是PZN-PT单晶，籽晶的生长方向是<111> 方向，或者采用<011>方向。晶体生长时，先升温至饱和生长温度，然后以0.5 2 0C / h的速率降温；单晶的提拉速度为0.广0.5 mm/h，旋转速度为1(T25 rpm。当温度将至 90(Tl03(rC，将晶体拉离熔融液，而后以5(T100 °C /h的降温速率降至室温。对本专利技术的各步骤的说明如下 原料配比与制备为了减少杂质、组分偏离对晶体性能的影响，选用高纯度的I^bOjnCKNb2O5和TiO2化学试剂(纯度>99. 99%)作为初始原料。原料的预处理过程在加盖的钼金坩埚中进行，以避免杂质的引入和减少I3KKZnO的挥发导致的对化学计量比的偏离。由于水的存在会导致称量的失准，因此原料配比之前经过干燥处理，同时预处理的粉料在进行晶体生长之前亦经干燥处理，然后放在钼金坩埚中。采用B位预合成法制备晶体生长所需的PZN-PT粉体。将原料aiO，Nb2O5，TiO2 按照化学计量比混料，球磨4-8小时。将混好的原料于85(T1150 °C预烧结1-4小时，得到铌铁矿结构的SiNb2O6和少量金红石结构的锌铌钛氧化物。然后按照化学计量比加入PbO 并球磨4-8小时，将混好的料加热至70(T80(TC烧结1-3小时。得到的产物为钙钛矿结构的PZN-PT陶瓷粉。采用B位预合成法，既可以有效地避免烧绿石相的形成，又能够减少PbO 对白金坩埚的腐蚀。实验中采用的助熔剂为Η3θ，也可加入少量的B2O3，在1 )中加入少量 B2O3'可以增加高温熔融液的黏度，因而可以减少PbO的挥发，但过多的化03会促进烧绿石相的形成，因此选择PbO与化03的摩尔比大于48: 2。PZN-PT陶瓷粉与助熔剂的摩尔比控制在3:7 5:5，将熔剂和溶质球磨混合后压制成块，获得单晶生长起始料，作为制备籽晶和晶体生长的原料。籽晶制作在晶体生长步骤，本专利技术采用自制的方式提供籽晶，该籽晶也可以通过市售的方式获得，制备步骤如下(更具体的内容请参见文献L. Zhang, Μ. Dong, Ζ. _G. Ye, Materials Science and Engineering B78 (2000) 96 - 104)。将单晶生长起始料放入白金坩埚，盖上白金片，置于生长炉内，炉温保持在1150°C 1200°C范围。5小时后开始慢降温，降温速率为 1.5°C/h。当炉温降至950°C，以50°C/h的降温速率降至室温。这样，可以避免850 °〇时形成烧绿石相。坩埚温度接近室温后，将晶体毛坯取出放在浓度为35%的硝酸内煮数小时， 去除多余的此0，得到PZN-PT单晶。采用分步降温法生长出的PZN-PT单晶，有的晶粒尺寸可以达到8mm，晶粒大多显露{001}晶面。将质量较好、尺寸较大的PZN-PT单晶定向切割， 加工成长度沿<111>或<011本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：赫崇君，徐峰，王吉明，朱孔军，刘友文，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。