[发明专利]铌酸钾钠-锆酸铋钠无铅压电单晶及其生长方法

说明书

本发明涉及铌酸钾钠‑锆酸铋钠无铅压电单晶及其生长方法，所述铌酸钾钠‑锆酸铋钠无铅压电单晶的化学式为(1‑y)(K_xNa_1‑x)NbO₃‑y(Bi_0.5Na_0.5)ZrO₃，其中0.4≤x≤0.6,0≤y≤0.1。本发明中，将原料与生长助剂混合预烧，并采用坩埚下降法生长得到铌酸钾钠‑锆酸铋钠无铅压电单晶，通过添加生长助剂后的坩埚下降法生长晶体具有容易成核，晶体尺寸较大(2～20mm)且裂纹较少等优点。

技术领域

本发明属于压电单晶领域，特别是涉及铌酸钾钠-锆酸铋钠无铅压电单晶及其生长方法。

背景技术

压电材料是一类非常重要的功能性材料，利用其弹性性能、介电性能、压电性能、热释电性能、铁电性能以及光学性能等，使得压电材料在超声换能器、传感器、驱动器、滤波器、存储器等领域获得了广泛的应用。目前应用最为广泛的压电材料是PZT基材料，尤其是以铌镁酸铅(PMNT)和铌锌酸铅(PZNT)为代表的弛豫型铁电单晶。虽然它们具有非常高的压电系数和机电耦合系数，但是铅基压电材料中PbO(或Pb₃O₄)的含量超过60％，铅的毒性使得铅基压电陶瓷在生产、使用及废弃后处理过程中都会给人类及生态环境带来严重危害，这与人类社会的可持续发展相悖，因此研究和开发无铅压电陶瓷是一项有重大社会意义和经济意义的课题。

铌酸钾钠(K_xNa_1-xNbO₃，简写KNN)基无铅压电材料在上世纪50年代就具有介电常数低，密度轻，居里温度高，机械品质因素大，频率常数大，压电和机电耦合性能一般的特点。且铌酸钾钠陶瓷在制备过程中存在致密度低、烧结性能差等的缺点，因此难以通过常规烧结方法实现致密化，导致压电性能均无法与铅材料相媲美。

目前为止，国内外铌酸钾钠单晶的掺杂主要是Li、Sb、Ta等元素的掺杂，采用的生长方法有高温助熔剂法、固态晶体生长法和坩埚下降法等。以上所生长的晶体在200℃左右有一个正交-四方相变峰，在相变前后，压电性能变化很大，对材料的应用是极其不利得的，压电陶瓷有报道通过加入锆酸铋钠可以使相变温度降到室温附近，但至今没有晶体方面的报道。晶体与陶瓷相比，有最优的结晶取向，相同组分的单晶比陶瓷有更优异的压电、铁电、介电等性能。由于加入氧化锆，常用的晶体生长法很难生长出铌酸钾钠-锆酸铋钠单晶，晶体结晶较差，晶体尺寸较小(通常5mm以下)且裂纹很多。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提供一种新的铌酸钾钠基无铅压电单晶，以及通过添加生长助剂制备大颗粒、少裂纹的铌酸钾钠-锆酸铋钠无铅压电单晶的铌酸钾钠-锆酸铋钠无铅压电单晶的生长方法。

本发明提供一种铌酸钾钠-锆酸铋钠无铅压电单晶，所述铌酸钾钠-锆酸铋钠无铅压电单晶的化学式为(1-y)(K_xNa_1-x)NbO₃-y(Bi_0.5Na_0.5)ZrO₃，其中0.4≤x≤0.6,0≤y≤0.1。

本发明的所述铌酸钾钠-锆酸铋钠无铅压电单晶的晶粒尺寸可为2～20mm。

本发明的铌酸钾钠-锆酸铋钠无铅压电单晶的正交-四方相变温度可为70～110℃，居里温度可为310～330℃，压电常数可为～320pC/N。

本发明还提供一种铌酸钾钠-锆酸铋钠无铅压电单晶的生长方法，所述生长方法包括：