[发明专利]一种高压电性能的锂掺杂铌酸钾钠单晶及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高压电性能的锂掺杂铌酸钾钠单晶及其制备方法，属于无铅压电单晶制备领域。

背景技术

由于铅会对环境和人体健康带来危害，因此，使用高性能的无铅压电材料来替代传统的含铅压电材料已然成为了大势所趋。目前，研究较为广泛的无铅压电材料主要有铌酸钾钠体系(KNN)、钛酸铋钠体系(NBT)和铋层状压电材料。与其它无铅压电材料相比，KNN具有优良的压电性能以及较高的居里温度，因此，其被认为是最有可能替代铅基材料的无铅压电体系之一。但是，目前所得到的KNN基材料的压电性能与含铅材料之间还有不小的差距，因此，提高其压电性能就成为了目前最主要的研究热点。

由于单晶中没有晶界对畴极化的限制，因此，单晶的性能通常要远远好于同组成陶瓷材料。目前，制备KNN基单晶的方法主要是高温熔融法。如霍晓青等人采用顶部籽晶法制备出了Li和Ta共掺的KNN单晶，单晶的压电系数d₃₃为354pC/N(参考文献：Huo,X.Q.,et al.(2014).CrystEngComm 16(42):9828-9833)。罗豪甦等人使用顶部籽晶法制备出了φ30×10mm的(K_0.25Na_0.75)NbO₃单晶，其结晶性好，但压电系数仅为145pC/N(参考文献：Deng,H.,et al.(2014).CrystEngComm 16(13):2760-2765.)。高温熔融法制备单晶需要昂贵的单晶提拉炉和精确的温度控制装置，得到的单晶有较大的组分偏析，成分难以精确控制控制，从而导致单晶性能较陶瓷材料并没有得到显著提高。在非熔融法制备单晶方面，江民红等制备出了尺寸为2mm的KNN单晶，但未报道相关的单晶性能(参考文献：中国发明专利，公开号：CN101913868A)。此外，掺杂也是一种提高KNN压电性能非常有效的方式,尤其是Li掺杂，不仅能改善材料的压电性能，还能提高居里温度(参考文献：Guo,Y.P.,et al.(2004).App.Phys.Lett.85(18):4121-4123.)。因此，在本发明中，我们控制陶瓷晶粒的异常长大，引入少量的复合助烧剂，并进行少量的Li掺杂，最终制备出了大尺寸高压电性能的锂掺杂铌酸钾钠单晶。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种高压电性能的锂掺杂铌酸钾钠单晶及其制备方法。

在此，一方面，本发明提供一种高压电性能的锂掺杂铌酸钾钠单晶的制备方法，所述锂掺杂铌酸钾钠单晶的化学式为(K_0.45Na_0.55)_1-xLi_xNbO₃，其中0.01≤x≤0.1，优选0.02≤x≤0.08，所述制备方法包括：步骤1)按(K_0.45Na_0.55)_1-xLi_xNbO₃的化学计量比称取K₂CO₃、Na₂CO₃、Li₂CO₃和Nb₂O₅，湿法球磨、在90～120℃烘干6～12小时，于700～950℃预烧2～8小时，得到预合成的锂掺杂铌酸钾钠粉体；步骤2)在预合成的锂掺杂铌酸钾钠粉体中加入0.15～0.35mol％的复合助烧剂，湿法球磨、在90～120℃烘干6～12小时，单轴加压成型后，进行冷等静压，得到陶瓷素坯，所述复合助烧剂由Li₂CO₃和Bi₂O₃组成；步骤3)将所得的陶瓷素坯于1050～1130℃退火2～50小时，制得所述高压电性能的锂掺杂铌酸钾钠单晶。

本发明向陶瓷基体中加入少量的Li₂CO₃和Bi₂O₃作为复合助烧剂，通过控制烧结工艺，利用陶瓷晶粒的异常长大，成功地制备出了大尺寸的锂掺杂铌酸钾钠无铅压电单晶体，单晶的化学式为(K_0.45Na_0.55)_1-xLi_xNbO₃，其中0.01≤x≤0.1。本发明的单晶制备工艺简单，反应温度较低，反应时间较短，不需要精密的单晶制备装置，因此成本较低；单晶体具有高的压电性能和高的居里温度。