[发明专利]四元系弛豫型压电单晶材料及其生长方法

说明书

本发明公开了一种四元系弛豫型压电单晶材料及其生长方法，其化学式为xPb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃‑yPb(In_1/2Nb_1/2)O₃‑zBiAlO₃‑(1‑x‑y‑z)PbTiO₃，其中0﹤x﹤1，0﹤y﹤1，0﹤z﹤1且x+y+z﹤1。生长方法为：称取除铅之外的氧化物原料，在高温下预烧；将预烧后的物料与铅的氧化物混合压块；然后在500～1250℃下保温3～20h，继续升高温度至1340～1410℃，保温3～15h，使起始料全部熔化，以0.1～1.2mm/h速度下降逐渐结晶，界面温度梯度为20～100℃/cm；生长完毕，以10～300℃/h速度冷却到室温。本发明的方法可根据需要生长不同取向、不同形状和不同尺寸的压电晶体，具有工艺设备简单、操作方便、一炉多产等优点，适合于工业规模化晶体的生长或生产。

技术领域

本发明属于压电晶体材料领域，具体涉及一种与PMN-PIN-PT有关的四元系压电单晶及其生长方法。

背景技术

压电材料是利用压电效应来实现电能和机械能之间直接相互转换的重要功能材料，在日常生产生活中有着广泛的应用，如压电驱动器、压电点火器、声音转换器、压电引爆器、超声波探测仪等等，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。长久以来二元压电陶瓷锆钛酸铅(PZT)由于其较高的居里温度以及稳定的性能被广为使用。然而随着科学技术的不断发展，各种高性能、高精度仪器的制作对压电材料的性能又提出了更高的要求。在这种背景下出现了铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)以及铌锌酸铅-钛酸铅(PZN-PT)弛豫型铁电压电单晶，其应变量是PZT陶瓷的10倍以上，压电系数d₃₃和机电耦合系数k₃₃比通常为600pC/N和70%左右的PZT压电陶瓷要高出许多，分别达到2500pC/N和92%以上，被认为是压电领域50年来的最激动人心的一次突破，引起铁电和压电领域学者的极大关注。弛豫型铁电单晶PMN-PT和PZN-PT由于其在准同型相界(MPB)附近优异的压电性能已经被各地的研究人员开发利用，其不仅仅在医用换能器领域上有所应用，在水声换能器以及超声马达等领域也有很好的表现。

弛豫型铁电单晶PMN-PT和PZN-PT虽然具有异常优异的压电性能，但是也有其自身的不足，PMN-PT和PZN-PT的相变温度太低，分别只有75℃和70℃。较低的相变温度使其工作环境有着极其严格的要求，从而也在很大程度上限制了其应用范围。后来开发出了一种新的弛豫型铁电单晶

PMN-PIN-PT，其相变温度达到119℃，较PMN-PT和PZN-PT有了很大的提高。同时其也具有异常优异的压电性能、压电常数和机电耦合系数分别为2200pC/N和92%，是一种综合性能十分优异的压电单晶材料。

发明内容

本发明在弛豫型铁电单晶材料PMN-PIN-PT的基础上引入了另外一种组元BiAlO₃，形成了一种新的具有优异性能的四元系弛豫型压电单晶材料xPb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-yPb(In_1/2Nb_1/2)O₃-zBiAlO₃-(1-x-y-z)PbTiO₃。其如PMN-PIN-PT一样不仅具有优越的压电、机电耦合性能和较小的介电损耗，同时也具有很高的相转变温度，能够在更加广泛的场合下应用，这一系列的优势使得它在超声换能器、驱动器和传感器件等方面有着非常巨大而广泛的应用前景。