[发明专利]一种工业化生产弛豫铁电单晶PMN-PT的方法

说明书

技术领域

本发明涉及陶瓷结晶技术、晶体生长技术以及熔融原料加料技术；该技术适合在结晶过程中出现成分偏析的二元系或者三元系的晶体系统。本发明还涉及利用自动加料技术生长铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)晶体。

背景技术

压电材料能进行电能与机械能的转换而发射与接收超声信号，是超声探头之中的核心部件。近年来，一种弛豫铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅(简写作PMN-PT)晶体开始被运用于医疗超声成像邻域。在钛酸铅PT的化学组分接近MPB象界(25～35％PT)的情况下，该晶体的机电耦合系数(k33)可以达到90％以上，压电常数(d33)可以达到2500PC/N以上，是一种性能十分优异的压电材料。生产PMN-PT晶体的方法是布里奇下降法。该方法通过使装有PMN-PT陶瓷的坩埚在加热炉中缓慢下降的方法获取PMN-PT单晶。在生长过程中，预先放置在坩埚中的PMN-PT陶瓷被密封处理，没有新的原料补充。

用上述方法生产PMN-PT单晶存在难工业化生产的问题。

其中一个原因是，含铅的熔融态液体在高温下非常容易挥发出气态氧化铅，其结果是在晶体生长过程中出现钛酸铅PT的成分偏析，生长得到的晶锭中PT含量由一端到另一端变化十分明显。

其中另一个原因是，PMN-PT晶体的压电性能在25～35％PT之间随化学成分的改变而变化巨大(T.R.Shrout，Z.P.Chang，N.Kim，and S.Markgraf，《PMN-PT单晶在MPB象界的压电性能》Ferroelectr.Lett.12，63(1990))。

结果是，晶锭的有效使用长度很短(通常在50mm以内)，晶体的成品率很低；因而，用上述方法制得的产品成本很高，阻碍了该晶体的产业化。

发明内容

本发明的目的是，提供一种在晶体生长过程中不断加料的生产方法，解决二元系或者三元系的晶体生长中组分偏析的问题。

本发明的另一目的是，通过连续加料的生产方法，提供一种可工业化生产的PMN-PT晶体生长技术，使其成品率提高，成本降低。

为达到以上目的，本发明的技术方案是：在布里奇下降法中晶体生长系统的基础上增加原料熔融系统和熔融原料输送系统；在晶体生长过程中出现成分偏折时，原料熔融系统经熔融原料输送系统给晶体生长系统输入已熔融原料，因此不断补充流失的成分，最大程度地减少成分偏析。

本发明由以下结构组成：晶体生长系统、原材料熔融系统以及连接以上两个系统的熔融原料输送系统。晶体生长系统的作用是让晶体在合适的条件下生长，其结构包括晶体生长坩埚、晶体生长加热系统、垂直升降系统以及保温系统组成。原料熔融系统的作用是加热并储存原料，其结构包括原料熔融坩埚、原料熔融坩埚的加热系统以及原料熔融系统的保温材料。原料输送系统的作用是把熔融原料从原料熔融系统输送到晶体生长系统，其结构包括熔融原料输送管道、气体热交换管道、气体控制系统以及熔融原料输送系统的保温材料。本发明装置根据晶体生长的状况，通过控制气体热交换管道中气体的流通速率来控制熔融原料的进给速率，最终达到减少成分偏析的目的。

本发明需要的硬件包括：至少一个垂直电炉，该垂直电炉的加热使用硅钼加热器或者硅碳加热器；该垂直电炉被分为三个温区，即原料熔融温区(温度在1360℃以上)、生长保温区(温度在1350℃以上)以及低温结晶区；至少一个用于晶体生长的铂金坩埚，该坩埚的容积在500～5000cm³之间，厚度在0.3～1.9mm之间；至少一个用于熔融原料的铂金坩埚，该坩埚的容积在1000～8000cm³之间，厚度在0.5至3.0mm之间；至少一个连接上述原料熔融坩埚和晶体生长坩埚的熔融原料输送管道，该管道的厚度在0.5mm到3.0mm之间；至少一个气体热交换管道，围绕于熔融原料输送管道外径；至少三个测温点，一点监测原料熔融坩埚的温度，两点监测晶体生长坩埚的温度；一种垂直下降的位控装置，使晶体合成坩埚相对垂直炉体的下降速率在0.05mm/hr～10.0mm/hr之间；能够精确控制上述热交换气体流量、晶体生长坩埚垂直下降速率以及垂直电炉温度梯度的软件。

在晶体生长时，晶体生长坩埚的温度梯度在10°/cm到50°/cm之间。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是工业化生产PMN-PT晶体设备的整体示意图。

图2是原料熔融系统的结构示意图。

图3是熔融原料输送系统的结构示意图。