[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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. 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；CN 102336567A)。且其成分都集中在准同相界周围，即(1-x)Bi(Mg_1/2Ti_1/2)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。

发明内容

本发明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，本发明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。

本发明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(Mg_1/2Ti_1/2)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％；