一種高壓電性能的鋰摻雜鈮酸鉀鈉單晶及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高壓電性能的鋰摻雜鈮酸鉀鈉單晶及其制備方法，屬于無鉛壓電單晶制備領域。
【背景技術】
[0002]由于鉛會對環(huán)境和人體健康帶來危害，因此，使用高性能的無鉛壓電材料來替代傳統(tǒng)的含鉛壓電材料已然成為了大勢所趨。目前，研究較為廣泛的無鉛壓電材料主要有鈮酸鉀鈉體系(KNN)、鈦酸鉍鈉體系(NBT)和鉍層狀壓電材料。與其它無鉛壓電材料相比，KNN具有優(yōu)良的壓電性能以及較高的居里溫度，因此，其被認為是最有可能替代鉛基材料的無鉛壓電體系之一。但是，目前所得到的KNN基材料的壓電性能與含鉛材料之間還有不小的差距，因此，提高其壓電性能就成為了目前最主要的研究熱點。
[0003]由于單晶中沒有晶界對疇極化的限制，因此，單晶的性能通常要遠遠好于同組成陶瓷材料。目前，制備KNN基單晶的方法主要是高溫熔融法。如霍曉青等人采用頂部籽晶法制備出了 Li和Ta共摻的KNN單晶，單晶的壓電系數d33為354pC/N(參考文獻:Huo，X.Q.’et al.(2014).CrystEngComm 16 (42): 9828-9833)。羅豪甦等人使用頂部籽晶法制備出了 Φ30Χ10πιπι的(Ka25Naa75)NbO3單晶，其結晶性好，但壓電系數僅為145pC/N(參考文獻:Deng, H.，et al.(2014).CrystEngComm 16 (13): 2760-2765.)。高溫熔融法制備單晶需要昂貴的單晶提拉爐和精確的溫度控制裝置，得到的單晶有較大的組分偏析，成分難以精確控制控制，從而導致單晶性能較陶瓷材料并沒有得到顯著提高。在非熔融法制備單晶方面，江民紅等制備出了尺寸為2mm的KNN單晶，但未報道相關的單晶性能(參考文獻:中國發(fā)明專利，公開號:CN101913868A)。此外，摻雜也是一種提高KNN壓電性能非常有效的方式，尤其是Li摻雜，不僅能改善材料的壓電性能，還能提高居里溫度(參考文獻:Guo，Y.P.，etal.(2004).App.Phys.Lett.85(18):4121-4123.)。因此，在本發(fā)明中，我們控制陶瓷晶粒的異常長大，引入少量的復合助燒劑，并進行少量的Li摻雜，最終制備出了大尺寸高壓電性能的鋰摻雜鈮酸鉀鈉單晶。

【發(fā)明內容】

[0004]針對現有技術存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種高壓電性能的鋰摻雜鈮酸鉀鈉單晶及其制備方法。
[0005]在此，一方面，本發(fā)明提供一種高壓電性能的鋰摻雜鈮酸鉀鈉單晶的制備方法，所述鋰摻雜鈮酸鉀鈉單晶的化學式為(Ka45Naa55)1 xLixNb03，其中0.01彡x彡0.1，優(yōu)選0.02彡X彡0.08，所述制備方法包括:步驟I)按(Ka45Naa55)1 xLixNb03的化學計量比稱取K2CO3、Na2CO3、Li2CO3和Nb 205，濕法球磨、在90?120°C烘干6?12小時，于700?950。。預燒2?8小時，得到預合成的鋰摻雜鈮酸鉀鈉粉體；步驟2)在預合成的鋰摻雜鈮酸鉀鈉粉體中加入0.15?0.35mol%的復合助燒劑，濕法球磨、在90?120°C烘干6?12小時，單軸加壓成型后，進行冷等靜壓，得到陶瓷素坯，所述復合助燒劑由Li2COjP Bi 203組成；步驟3)將所得的陶瓷素坯于1050?1130°C退火2?50小時，制得所述高壓電性能的鋰摻雜鈮酸鉀鈉單晶。
[0006]本發(fā)明向陶瓷基體中加入少量的Li2COjP Bi 203作為復合助燒劑，通過控制燒結工藝，利用陶瓷晶粒的異常長大，成功地制備出了大尺寸的鋰摻雜鈮酸鉀鈉無鉛壓電單晶體，單晶的化學式為(Ka45Naa55)1 xLixNb03，其中0.01彡X彡0.1。本發(fā)明的單晶制備工藝簡單，反應溫度較低，反應時間較短，不需要精密的單晶制備裝置，因此成本較低；單晶體具有高的壓電性能和高的居里溫度。
[0007]較佳地，步驟(I)中，所述濕法球磨以無水乙醇為球磨介質，原料總質量與無水乙醇質量比為1: (I?2)，優(yōu)選為1:1.5 ;球磨機轉速為200?600轉/分鐘，球磨時間4?10小時。
[0008]較佳地，步驟(I)中，以5°C /分鐘升溫速率從室溫升至800?850°C，保溫5小時進行預合成。
[0009]較佳地，步驟⑵中，所述復合助燒劑中，Li2COjP Bi 203的摩爾比為1:1。
[0010]較佳地，步驟(2)中，所述復合助燒劑的添加量為0.2?0.3mol %。
[0011]較佳地，步驟(2)中，所述濕法球磨以無水乙醇為介質，原料總質量和無水乙醇體積的比為Ig: (I?1ml)，優(yōu)選為Ig: (3?5ml)，球磨機轉速為1500?2500轉/分鐘，球磨時間為I?6小時。
[0012]較佳地，步驟(2)中，所述單軸加壓成型的壓強為30?120MPa，所述冷等靜壓的壓強為150?300MPa，所得陶瓷素還的尺寸為Φ 10?40mm。
[0013]較佳地，步驟(3)中，所述退火的工藝條件為:以5°C /分鐘的升溫速率從室溫升至1080?1120°C，退火2?20小時，5°C /分鐘降溫至200°C，自然冷卻。
[0014]另一方面，本發(fā)明還提供一種上述制備方法制備的高壓電性能的鋰摻雜鈮酸鉀鈉單晶，所述裡慘雜銀酸鉀鈉單晶尺寸為ImmX ImmX Imm?1mmX 1mmX 10mm。
[0015]所述鋰摻雜鈮酸鉀鈉單晶的壓電常數為d33= 200?700pC/N，居里溫度為400?460。。。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的實施例二制備出的(Ka45Naa55)a96LiaiwNbO3單晶體，單晶體約為8mm X 6mm X 2mm ；
圖2為本發(fā)明的實施例二制備出的(Ka45Na0.55) ο.96Li0.。4他03單晶粉末的XRD衍射圖；
圖3為本發(fā)明的實施例二制備出的〈100〉切向的(Ka45Naa55)a96LiQ.Q4Nb03單晶的微區(qū)XRD衍射圖；
圖4為本發(fā)明的實施例二制備出的〈100〉切向的(KQ.45NaQ.55)a96LiQ.Q4Nb0^晶體在10kHz時的相對介電常數和介電損耗隨溫度的變化曲線。
【具體實施方式】
[0017]以下結合附圖和下述實施方式進一步說明本發(fā)明，應理解，附圖及下述實施方式僅用于說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。
[0018]本發(fā)明提供了一種高壓電性能的鋰摻雜鈮酸鉀鈉單晶，體具有高的壓電常數為d33=200?700pC/N，居里溫度為400?460 °C。
[0019]本發(fā)明的高壓電性能的鋰摻雜鈮酸鉀鈉單晶，化學式為(Ka45Naa55)1 xLixNb03，其中 0.01 < X < 0.1，優(yōu)選 0.02 < X < 0.08，尺寸為 ImmX ImmX Imm ?10mmX 10mmX 10mnin
[0020]本發(fā)明還提供一種高壓電性能的鋰摻雜鈮酸鉀鈉單晶的制備方法，通過在預合成的鋰摻雜鈮酸鉀鈉粉體中引入少量復合助燒劑(0.15?0.35mol% )，利用晶粒的異常長大，使得陶瓷基體在1050?1130°C下轉變成單晶。
[0021]本發(fā)明的制備方法包括以下步驟。
[0022]步驟I)依照化學式(Ka45Naa55)lxLixNbO3,按 K:Na:L1:Nb 摩爾比為0.45 (1-x):0.55 (1-x):x:l 配備 K2CO3、Na2CO3、Li2CO3和 Nb 205原料；其中 0.01 彡 x 彡 0.1，優(yōu)選0.02彡X彡0.08。
[0023]步驟2)按照步驟I)各組分的配比，稱取K2C03、Na2CO3, Li2CO3和Nb 205原料，以無水乙醇為球磨介質，行星球磨得到漿料；原料總質量與無水乙醇質量比為1: (I?2)，優(yōu)選為1: 1.5 ;行星球磨機轉速為200?600轉/分鐘，球磨時間4?10小時。
[0024]步驟3)將步驟2)得到的漿料于90?120°C烘干6?12小時后，700?950°C預燒2?8小時，合成粉體原料；預合成優(yōu)選條件:5°C /分鐘升溫速率從室溫升至800?850°C，保溫5小時。
[0025]步驟4)向步驟3)預合成的粉體原料中加入復合助燒劑，以無水乙醇為介質進行高能球磨得到漿料；其中，助燒劑為Li2COjP Bi 203 (摩爾比為1:1)，添加量控制在0.15?0.35mol%，優(yōu)選為0.2?0.3mol %;固料總質量和無水乙醇的體積比為Ig: (I?1ml)，優(yōu)選為 Ig: (3 ?5ml) ο
[0026]步驟5