本發(fā)明涉及鐵電壓電單晶材料，具體是一種鈮酸鉀鈉單晶及其制備方法。

背景技術：

鈮酸鉀鈉（K_0.5Na_0.5NbO_3，KNN）系壓電陶瓷因具有壓電性能高、頻率常數(shù)大、居里溫度高及組成元素對人體友好等特點，正成為國內外該領域的研究熱點之一，被認為是很有前途替代以 PbZrO3-PbTiO3（PZT）體系為代表的含鉛壓電陶瓷的無鉛壓電材料之一。一般，按陶瓷的結晶形態(tài)，陶瓷可分為多晶與單晶兩大類。單晶陶瓷因為不受晶粒大小、晶粒取向、晶界與氣孔率等的影響，從而比多晶陶瓷擁有更加優(yōu)異的性能，如具有更加優(yōu)異的介電、壓電與光學性能等。傳統(tǒng)的陶瓷固相燒結技術能克服傳統(tǒng)單晶生長法的缺點，是制備陶瓷最簡便、易控制材料質量也是成本最低的常用技術。如何將這種多晶材料制備工藝的優(yōu)勢與單晶材料的結構性能優(yōu)點相結合，創(chuàng)立、發(fā)展一種制備過程簡便、成本低廉、性能優(yōu)異的KNN基壓電單晶的生長新技術和新方法，具有重要的研究意義和應用價值。

2009年，發(fā)明人在針對KNN基無鉛壓電陶瓷摻雜改性的研究過程中發(fā)現(xiàn)：在KNN基陶瓷中，采用傳統(tǒng)的陶瓷制備工藝就可以在常規(guī)條件下制備出大尺寸的KNN單晶。[1] 江民紅，劉心宇，鄧滿姣，陳國華. 鈮酸鉀鈉織構陶瓷與鈮酸鉀鈉單晶的制備方法. 中國，發(fā)明專利，申請?zhí)枺?01010247474.8；2. Minhong Jiang, Clive A. Randall, HanzhengGuo, GuanghuiRao, RongTu, ZhengfeiGu, Gang Cheng, Xinyu Liu, Jinwei Zhang, and Yongxiang Li, Seed-Free Solid-State Growth of Large Lead-Free Piezoelectric Single Crystals: (Na1/2K1/2)NbO3, Journal of the American Ceramic Society, 2015, 98 (10):2988–2996.]。該現(xiàn)有技術與傳統(tǒng)的晶體生長技術相比，該方法操作簡便、設備簡單，成本低，生長晶體組分的均勻性好、體系多樣，適合生長組分熔點不同、寬范圍溶解度、揮發(fā)性強、冷卻階段易發(fā)生破壞性相變的晶體。

現(xiàn)有技術存在以下問題： KNN單晶的無籽固相生長需要通過摻雜微量含鉍（Bi）元素的復合氧化物才能實現(xiàn)，鉍元素比較貴重，而且高擴散系數(shù)的鉍的存在是KNN單晶介電損耗較高的原因之一，因此探索無鉍鈮酸鉀鈉單晶的生長技術具有重要意義。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決上述技術問題，本發(fā)明的目的是提供一種鈮酸鉀鈉單晶及其制備方法。通過改變鈮酸鉀鈉中K、Na的摩爾比，采用無籽固相生長技術制備出純的不含鉍元素的鈮酸鉀鈉單晶。

實現(xiàn)本發(fā)明鈮酸鉀鈉單晶的具體技術方案包括如下步驟：

步驟（1）所用原料Na₂CO₃、K₂CO₃、Nb₂O₅在稱量配料前均置于烘箱中烘干，烘干溫度為120℃，烘干時間為4~6 h；

步驟（2）按照摩爾比0.52:0.48:1稱取K₂CO₃、Na₂CO₃和Nb₂O₅原料裝入HDPE材質的球磨瓶中，以無水乙醇為介質球磨24 h；

步驟（3）將球磨后產物取出，烘干，壓片，預燒，預燒的溫度為750℃，預燒的時間為6 h；

步驟（4）然后以無水乙醇為介質二次球磨12~16 h后烘干；

步驟（5）將烘干的粉料過100目篩后，在100 MPa的壓力下壓制成直徑為14 mm，厚度為2~3 mm的圓坯；

步驟（6）將壓制好的圓坯燒結獲得單晶，燒結的溫度可以是1125至1135℃中的1125℃、1130℃或1135℃，燒結時保溫時間為6 h以上。

步驟（7）經上述步驟獲得的鈮酸鉀鈉單晶處于陶瓷基體中，將鈮酸鉀鈉單晶從陶瓷基體中取出即可得到純的鈮酸鉀鈉單晶。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點是：經實驗證明，采用無籽固相晶體生長技術在不摻雜其他元素，特別是鉍元素的情況下，通過改變K、Na的比例，按照Na₂CO₃、K₂CO₃、Nb₂O₅摩爾比為0.52:0.48:1可以制備純的鈮酸鉀鈉單晶。

附圖說明

圖1為實施例中步驟（7）制備的鈮酸鉀鈉單晶樣品；

圖2為實施例中從陶瓷基體中取下的鈮酸鉀鈉單晶；

圖3為實施例中制備的鈮酸鉀鈉單晶樣品粉末的XRD圖譜。

具體實施方式

本發(fā)明通過實施例對本發(fā)明內容作進一步詳細說明，但不是對本發(fā)明的限制。

實施例

鈮酸鉀鈉單晶的制備方法包括如下步驟：

步驟（1）所用原料Na₂CO₃、K₂CO₃、Nb₂O₅在稱量配料前均置于烘箱中烘干，烘干溫度為120℃，烘干時間為6 h；

步驟（2）按照摩爾比0.52:0.48:1稱取K₂CO₃、Na₂CO₃和Nb₂O₅原料裝入HDPE材質的球磨瓶中，以無水乙醇為介質球磨24 h；

步驟（3）將球磨后產物取出，烘干，壓片，在750℃條件下預燒6 h；

步驟（4）然后以無水乙醇為介質二次球磨16 h后烘干；

步驟（5）將烘干的粉料過100目篩后，在100 MPa的壓力下壓制成直徑為14 mm，厚度為3 mm的圓坯；

步驟（6）將壓制好的圓坯在1130℃下保溫21 h燒結；

步驟（7）經上述步驟獲得的鈮酸鉀鈉單晶處于陶瓷基體中，如圖1所示，深色部分即為鈮酸鉀鈉單晶，將鈮酸鉀鈉單晶從陶瓷基體中取出即可得到純的鈮酸鉀鈉單晶，如圖2所示。

將所得鈮酸鉀鈉單晶樣品進行分析，得到的鈮酸鉀鈉單晶樣品粉末的XRD圖譜如圖3所示。