晶體材料、該材料的制備方法及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及材料領(lǐng)域，具體而言，涉及一種晶體材料、該材料的制備方法及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 鉛基巧鐵礦結(jié)構(gòu)固溶體、尤其是W鐵酸鉛作為一種端元組分的固溶體材料，由于 其優(yōu)異的壓電性能，在機(jī)電禪合領(lǐng)域，如海底探測(cè)、海底識(shí)別、超聲成像、傳感和微機(jī)械系 統(tǒng)，尤其是國(guó)防建設(shè)方面，有著廣泛而重要的應(yīng)用。然而，該類材料由于其高的鉛含量，在 原料制備和晶體生長(zhǎng)等過(guò)程中都會(huì)對(duì)人類和環(huán)境造成嚴(yán)重的傷害和污染，不符合環(huán)境友好 的發(fā)展要求。因此，在考慮材料性能的前提下，無(wú)鉛、少鉛鐵電材料成為當(dāng)今鐵電領(lǐng)域的 研究熱點(diǎn)。相關(guān)技術(shù)中，曾經(jīng)有一些針對(duì)Ba(Mgi々Nb2/3) 〇3-x化Ti〇3度MN-PT)、Ba狂叫/3佩2/3) 〇3-xPbTi〇3度ZN-PT)、Ba(孔1/2佩1/2) 〇3-xPbTi〇3度YN-PT)、Ba(Sci/2Nbi/2) 〇3-xPbTi〇3度SN-PT) 和BaSn〇3-x化Ti〇3度Sn-PT)二元鐵電固溶體系的研究。其中BSn-PT具有較好的壓電性能， 然而其居里溫度（Tc)較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 第一方面，本發(fā)明提供了一種居里溫度高，且具有較好的壓電、鐵電性能的晶體材 料；第二方面，本發(fā)明提供了一種晶體材料的制備方法；第Η方面，本發(fā)明提供了一種晶體 材料在機(jī)電禪合領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0004] 根據(jù)本公開實(shí)施例的第一方面，所提供的晶體材料，該材料的化學(xué)組成為： xBaSn〇3-yPbSn〇3-(l-x-y)PbTi〇3 ;
[0005] 其中，0<x<l，0<y<l。
[0006] 上述的晶體材料中，0. 15《X《0. 34,0. 2《y《0. 45。
[0007] 上述的晶體材料中，X= 0. 2,y= 0. 3。
[0008] 根據(jù)本公開實(shí)施例的第二方面，所提供的晶體材料的制備方法，包括下列步驟：
[0009] (1)將晶體原料W及助烙劑進(jìn)行稱重，并進(jìn)行混合、研磨，之后裝入耐熱器皿中；
[0010] 其中，該晶體原料按照分子式
[0011] X'BaSn〇3-y'PbSn〇3-(l-x' -y' )PbTi〇3的化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行稱重；
[0012]X-0. 10<x'〈X，y-0. 10<y'<y;
[0013] (2)切巧晶，并將切好的巧晶綁在巧晶桿的一端；
[0014] (3)把耐熱器皿放入加熱爐中，巧晶桿固定在爐架上，調(diào)中，保證加熱爐、耐熱器 皿、巧晶Η者的中必在一條直線上，蓋好爐蓋；
[0015] (4)升溫至1060-108(TC，恒溫1. 5-2. 5山之后下巧晶，調(diào)整溫度找飽和點(diǎn)，找到飽 和點(diǎn)對(duì)應(yīng)溫度后W1. 5-3. 5°C/d的速率降溫，開始晶體生長(zhǎng)；
[001引 妨待溫度降至930-1030°C，晶體尺寸達(dá)到（20-10)mmX(20-10)mmX化4-0. 6) mm時(shí)，提起晶體，W勻速率冷卻至室溫，開爐取出晶體。
[0017]上述的制備方法中，所述步驟（1)中的晶體原料包括BaC〇3、PbO、Sn〇2和Ti〇2。
[001引上述的制備方法中，所述步驟（1)中的助烙劑包括PbO和H3BO3,PbO和H3BO3的摩 爾比為4:1-5:1 ;且助烙劑與晶體原料的摩爾比為4:1-5:1。
[0019] 上述的制備方法中，所述步驟（4)中，升溫至1080-110(TC，恒溫2d，之后下巧晶， 調(diào)整溫度找飽和點(diǎn)，找到飽和點(diǎn)對(duì)應(yīng)溫度后W2-3°C/d的速率降溫，開始晶體生長(zhǎng)。
[0020] 上述的制備方法中，所述步驟巧）中，待溫度降至950-100(TC，晶體尺寸達(dá)到 (20-10)mmX(20-10)mmXO. 5mm時(shí)，提起晶體。
[0021] 上述的制備方法中，所述步驟巧）中，W18-22°CA勻速率冷卻至室溫，開爐取出 晶體。
[0022] 根據(jù)本公開實(shí)施例的第Η方面，所提供的晶體材料在機(jī)電禪合領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0023] 本公開的實(shí)施例提供的技術(shù)方案可W包括W下有益效果：
[0024] 本發(fā)明實(shí)施例所提供的制備方法制備的晶體材料xBaSn〇3-評(píng)bSn〇3- (1-x-y) 化Ti〇3(簡(jiǎn)稱BSn-PSn-PT)具有較高的居里溫度，W及優(yōu)良的壓電、鐵電性能，能夠應(yīng)用于機(jī) 電禪合領(lǐng)域中。
[0025] 應(yīng)當(dāng)理解的是，W上的一般描述和后文的細(xì)節(jié)描述僅是示例性的，并不能限制本 公開。
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1為本發(fā)明制備例一所制得的晶體材料的粉末衍射圖譜；
[0027]圖2為本發(fā)明制備例一所制得的晶體材料的介電溫譜；
[002引圖3為本發(fā)明制備例一所制得的晶體材料的電滯回線。
[0029] 此處的附圖被并入說(shuō)明書中并構(gòu)成本說(shuō)明書的一部分，示出了符合本發(fā)明的實(shí)施 例，并與說(shuō)明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面通過(guò)具體的實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[00引]制備例一至六
[0032] 制備化學(xué)組成為xBaSn〇3-評(píng)bSn〇3-(l-x-y)化Ti化的晶體材料。制備過(guò)程如下： (1)將晶體原料BaC〇3、化0、Sn〇2和Ti〇2按照化學(xué)式X'BaSn〇3-y'化Sn〇3-(l-x' -y'）化Ti〇3 的化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行稱重，同時(shí)將助烙劑PbO和H3B化進(jìn)行稱重，之后將晶體材料與助烙劑進(jìn) 行混合、研磨，之后裝入笛金巧巧中；（2)切巧晶，并將切好的巧晶用笛絲綁在巧晶桿的一 端；（3)把笛金巧巧放入烙鹽爐中，巧晶桿固定在爐架上，調(diào)中，保證烙鹽爐、笛金巧巧、巧 晶Η者的中必在一條直線上，蓋好爐蓋；（4)升溫至預(yù)定恒溫溫度，恒溫，之后下巧晶，調(diào)整 溫度找飽和點(diǎn)，找到飽和點(diǎn)對(duì)應(yīng)溫度后W預(yù)定降溫速率降溫，開始晶體生長(zhǎng)；（5)待溫度降 至預(yù)定停止溫度，晶體尺寸達(dá)到預(yù)定尺寸時(shí)，提起晶體，W預(yù)定冷卻速率冷卻至室溫，開爐 取出晶體。制備過(guò)程中具體參數(shù)見(jiàn)表1。
[0033] 表1制備例一至六的具體參數(shù)表
[0034]
[0036] 下面W制備例一至六所得晶體材料為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析所制備的晶體材料 的性質(zhì)W及性能，具體如下：
[0037] 實(shí)驗(yàn)例一
[0038] 采用等離子體發(fā)射光譜儀對(duì)每組制備例所得晶體材料進(jìn)行組分分析，得到的晶體 材料xBaSn〇3-yPbSn〇3-(l-x-y)PbTi〇3的實(shí)際組成。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。
[00測(cè)表2晶體材料xBaSn03-y化Sn03-(l-x-y)F*bTi03的實(shí)際組成
[0040]
[0041] 實(shí)驗(yàn)例二
[0042] 晶體的結(jié)構(gòu)確定：
[004引采用X-射線粉末衍射，確定晶體的結(jié)構(gòu)。所用儀器為日本RIGAKU-DMAX2500粉末 衍射儀（化祀，λ= 0. 154056nm，石墨單色儀），具體測(cè)試條件為室溫下，測(cè)量角度范圍為 10-80°，采用的步長(zhǎng)為0.02。（2Θ)，時(shí)間2s/步。
[0044] 實(shí)驗(yàn)例S
[0045] 晶體的電學(xué)性能測(cè)量
[0046]a)從大塊晶體上切取部分磨薄、拋光，兩面涂上銀膠，用于電學(xué)性能的測(cè)量。
[0047]b)介電性的測(cè)量：所用儀器為阿爾法介電/阻抗高分辨率分析儀 (Novolcontrol，German)，測(cè)溫范圍-50~30(TC，頻率范圍0. 1曲Z~100曲Z，小信號(hào)測(cè)試 電壓1化ms。
[0048] C)鐵電性的測(cè)量：所用儀器為TF2000標(biāo)準(zhǔn)鐵電測(cè)量系統(tǒng)，溫度條件為室溫，所加 頻率為2Hz。
[0049] 本發(fā)明是基于生長(zhǎng)不同組成，尤其是區(qū)域的高質(zhì)量的BSn-PSn-PT晶體而進(jìn)行 的。BSn-PSn-PT作為少鉛Η元鐵電固溶體材料，表現(xiàn)出較好的壓電、鐵電性能，具有很好的 研究?jī)r(jià)值。本發(fā)明首先涉及晶體生長(zhǎng)，通過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)摸索，探索最佳的助烙劑和生長(zhǎng)溫度 區(qū)間，生長(zhǎng)不同組分的BSn-PSn-PT晶體。該晶體材料為純的巧鐵礦結(jié)構(gòu)，其居里溫度較高， 壓電W及鐵電性能也較為優(yōu)良。
[0050] W制備例一為例，如圖1-3所示，用X-射線粉末衍射確定晶體為純的巧鐵礦結(jié)構(gòu)； (001)方向的晶體切片的介電溫譜表明其居里溫度（Tc)約為13(TC，電滯回線具有完美的 矩形度，矯頑場(chǎng)Ec約為18kV/cm，剩余極化FV約為25 μ C/cm2,壓電常數(shù)對(duì)d33約為70化C/ N。
[0051] 由于該晶體材料具備上述優(yōu)良性能，因此能夠被應(yīng)用于機(jī)電禪合領(lǐng)域，W替代現(xiàn) 有的晶體材料。
[0052]W上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技 術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可W有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修 改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種晶體材料，其特征在于，該材料的化學(xué)組成為： xBaSn03-yPbSn03-(Ι-χ-y)PbTi03 ； 其中，0〈x〈l，0〈y〈l。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶體材料，其特征在于，0. 15 <x< 0. 34,0. 2 <y< 0. 45。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶體材料，其特征在于，X= 0. 2,y= 0. 3。4. 權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的晶體材料的制備方法，其特征在于，包括下列步驟： (1) 將晶體原料以及助熔劑進(jìn)行稱重，并進(jìn)行混合、研磨，之后裝入耐熱器皿中； 其中，該晶體原料按照分子式 X'BaSn03-y'PbSn03-(l-x' -y'）PbTi03 的化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行稱重； χ-〇·10〈x，〈X, y-〇. 10〈y，<y ; (2) 切籽晶，并將切好的籽晶綁在籽晶桿的一端； (3) 把耐熱器皿放入加熱爐中，籽晶桿固定在爐架上，調(diào)中，保證加熱爐、耐熱器皿、籽 晶二者的中心在一條直線上，蓋好爐蓋； (4) 升溫至1030-1130°C，恒溫1. 5-2. 5d，之后下籽晶，調(diào)整溫度找飽和點(diǎn)，找到飽和點(diǎn) 對(duì)應(yīng)溫度后以1. 5-3. 5°C/d的速率降溫，開始晶體生長(zhǎng)； (5) 待溫度降至 930-1030°C，晶體尺寸達(dá)到（20-10)mmX(20-10)mmX(0· 4-0. 6)mm時(shí)， 提起晶體，以勻速率冷卻至室溫，開爐取出晶體。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述步驟（1)中的晶體原料包括 8&0)3、？13〇、511〇 2和1102。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述步驟（1)中的助熔劑包括PbO和 H3B03,PbO和H3B03的摩爾比為4:1-5:1 ;且助熔劑與晶體原料的摩爾比為4:1-5:1。7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述步驟（4)中，升溫至 1060-1080°C，恒溫2d，之后下籽晶，調(diào)整溫度找飽和點(diǎn)，找到飽和點(diǎn)對(duì)應(yīng)溫度后以2-3°C/d 的速率降溫，開始晶體生長(zhǎng)。8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述步驟（5)中，待溫度降至 950-1000°C，晶體尺寸達(dá)到（20-10)mmX(20-10)mmXO. 5mm時(shí)，提起晶體。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于，所述步驟（5)中，以18-22°C/h勻速 率冷卻至室溫，開爐取出晶體。10. 權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的晶體材料在機(jī)電耦合領(lǐng)域的應(yīng)用。
【專利摘要】本發(fā)明涉及材料領(lǐng)域，尤其涉及一種晶體材料、該材料的制備方法及應(yīng)用。該材料組成為：xBaSnO3-yPbSnO3-(1-x-y)PbTiO3。該制備方法包括下列步驟：(1)將晶體原料和助熔劑進(jìn)行稱重，并進(jìn)行混合、研磨，之后裝入耐熱器皿中；(2)切籽晶，并將切好的籽晶綁在籽晶桿的一端；(3)把耐熱器皿放入加熱爐中，籽晶桿固定在爐架上，調(diào)中，蓋好爐蓋；(4)升溫后恒溫，之后下籽晶，調(diào)整溫度找飽和點(diǎn)，之后勻速率降溫，開始晶體生長(zhǎng)；(5)待溫度及晶體尺寸達(dá)到要求時(shí)，提起晶體，以勻速率冷卻至室溫，開爐取出晶體。本發(fā)明所提供的晶體材料具有較高的居里溫度，以及優(yōu)良的壓電、鐵電性能，能夠應(yīng)用于機(jī)電耦合領(lǐng)域中。
【IPC分類】C30B29/22, C30B15/00
【公開號(hào)】CN105369357
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410321820
【發(fā)明人】龍西法, 王祖建, 李修芝, 何超, 劉穎
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所
【公開日】2016年3月2日
【申請(qǐng)日】2014年7月8日