[发明专利]低温制备锆钛酸铅单晶的方法

说明书

本发明属于单晶制备技术领域，具体涉及一种低温制备锆钛酸铅单晶的方法。具体包括固相反应制备锆钛酸铅块体，进一步球磨成200～2000目以上的微米粉末；采用溶胶‑凝胶法制备锆钛酸铅前躯体溶胶，进一步烘干后获得无定形的锆钛酸铅干凝胶粉；和将微米粉体和干凝胶粉在溶剂中湿磨成浆料，制成素坯试样后在烧结炉中烧结，烧结温度为750～1200℃。与现有技术相比，本发明具有如下优势：低于1200℃的烧结温度低，能够制备出高质量高纯度无组份偏析的Zr/Ti的摩尔比(mol％)在0～100之间的所有固定组份的PZT单晶体；工艺简单，成本低，复制性强，无需复杂的制备工艺过程和苛刻单晶生长条件。

技术领域

本发明属于单晶制备技术领域，具体涉及一种低温制备锆钛酸铅单晶的方法。

背景技术

锆钛酸铅压电陶瓷于1955年由美国的B.Jaffe等人发现之后，由于它具有机械耦合系数高，温度特性好，居里温度高(～300℃)等优点，大大推进了压电陶瓷的实用化。用Sr,Ca,Mg等元素取代Pb或添加Nb,La,Sb,Cr,Mn,Fe,Co,Ni等元素进行改性，可以得到许多不同用途的锆钛酸铅(PZT)系压电陶瓷，如PZT-4，PZT-5，PZT-6，PZT-7及PZT-8等，利用它们各自不同的效应可以应用在不同的方面。PZT压电陶瓷的研究已有40多年的历史，目前，它是国内外最重要的功能材料之一，已广泛应用于电子、雷达、微位移控制、航天技术及计算机技术等领域。

对于PZT单晶来说，单晶体因为不受晶粒大小、晶粒取向、晶界与气孔率等的影响，从而比多晶陶瓷拥有更加优异的性能，如具有更加优异的介电、铁电与光学性能等。单晶用于其压电换能器，明显提高了电声像的分辨率，充分显示出单晶在超声成像、水声换能器以及高应变驱动器中有广泛的应用前景。目前制备PZT单晶及PZT系列单晶体的主要方法有：用助熔剂方法、直接从熔体中生长单晶的Bridgman法及用纯PbO气氛的光学浮区法。对于助熔剂方法，制备时容易偏离化学计量，并且容易形成多种焦绿石相，所以高质量的PZT单晶生长比较困难；而Bridgman法则要求的熔融温度大约在1300℃以上，这样，PZT单晶中的Pb元素挥发严重，Pb元素是有毒元素，会对人体及环境造成较大的污染；而采用PbO气氛的光学浮区法，一方面会造成污染；另一方面制备单晶设备复杂，不易操作及控制。

发明内容

本发明提供了一种低温制备锆钛酸铅单晶的方法，用以解决目前PZT单晶制备困难的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：所述低温制备锆钛酸铅单晶的方法，其包括如下步骤：

1)固相反应制备锆钛酸铅块体，进一步球磨成200～2000目以上的微米粉体；

2)采用溶胶-凝胶法制备锆钛酸铅前躯体溶胶，进一步烘干后获得无定形的锆钛酸铅干凝胶粉；

3)将步骤1)中所述微米粉体和步骤2)中所述干凝胶粉在溶剂中湿磨成浆料，所述浆料烘干后压制成素坯试样，然后将所述素坯试样在烧结炉中烧结，烧结温度为750～1200℃，烧结完成后随炉冷却至室温获得设定锆钛酸铅单晶产物。

可选地，所述步骤1)的原料为四氧化三铅、二氧化锆和二氧化钛。

可选地，所述步骤2)的原料为钛酸四正丁酯、锆酸四丁酯和醋酸铅。

可选地，步骤1)中所述固相反应过程为，以二氧化锆和二氧化钛按设定的锆钛比配料，然后球磨混合后在马弗炉中煅烧，煅烧温度为1000℃，保温2～7小时。

可选地，步骤1)中，所述块体制微米粉体的过程具体为，首先将块体在研钵中砸碎，过40～200目筛，再以乙醇为介质球磨24小时，烘干，过200～2000目筛。

可选地，所述溶胶-凝胶法中络合剂为高分子材料，优选，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。

可选地，步骤2)所述锆钛酸铅前躯体溶胶的溶度为0.1～1.0mol/L。