晶體材料、該材料的制備方法及應用
【技術領域】
[0001] 本發明涉及材料領域，具體而言，涉及一種晶體材料、該材料的制備方法及應用。
【背景技術】
[0002] 鉛基巧鐵礦結構固溶體、尤其是W鐵酸鉛作為一種端元組分的固溶體材料，由于 其優異的壓電性能，在機電禪合領域，如海底探測、海底識別、超聲成像、傳感和微機械系 統，尤其是國防建設方面，有著廣泛而重要的應用。然而，該類材料由于其高的鉛含量，在 原料制備和晶體生長等過程中都會對人類和環境造成嚴重的傷害和污染，不符合環境友好 的發展要求。因此，在考慮材料性能的前提下，無鉛、少鉛鐵電材料成為當今鐵電領域的 研究熱點。相關技術中，曾經有一些針對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。
【發明內容】
[0003] 第一方面，本發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，本發明提供了一種晶體材料的制備方法；第Η方面，本發明提供了一種晶體 材料在機電禪合領域的應用。
[0004] 根據本公開實施例的第一方面，所提供的晶體材料，該材料的化學組成為： 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] 根據本公開實施例的第二方面，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及助烙劑進行稱重，并進行混合、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的化學計量比進行稱重；
[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，調整溫度找飽和點，找到飽 和點對應溫度后W1. 5-3. 5°C/d的速率降溫，開始晶體生長；
[001引 妨待溫度降至930-1030°C，晶體尺寸達到（20-10)mmX(20-10)mmX化4-0. 6) mm時，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， 調整溫度找飽和點，找到飽和點對應溫度后W2-3°C/d的速率降溫，開始晶體生長。
[0020] 上述的制備方法中，所述步驟巧）中，待溫度降至950-100(TC，晶體尺寸達到 (20-10)mmX(20-10)mmXO. 5mm時，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] 根據本公開實施例的第Η方面，所提供的晶體材料在機電禪合領域的應用。
[0023] 本公開的實施例提供的技術方案可W包括W下有益效果：
[0024] 本發明實施例所提供的制備方法制備的晶體材料xBaSn〇3-評bSn〇3- (1-x-y) 化Ti〇3(簡稱BSn-PSn-PT)具有較高的居里溫度，W及優良的壓電、鐵電性能，能夠應用于機 電禪合領域中。
[0025] 應當理解的是，W上的一般描述和后文的細節描述僅是示例性的，并不能限制本 公開。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發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明書中并構成本說明書的一部分，示出了符合本發明的實施 例，并與說明書一起用于解釋本發明的原理。
【具體實施方式】
[0030] 下面通過具體的實施例并結合附圖對本發明做進一步的詳細描述。
[00引]制備例一至六
[0032] 制備化學組成為xBaSn〇3-評bSn〇3-(l-x-y)化Ti化的晶體材料。制備過程如下： (1)將晶體原料BaC〇3、化0、Sn〇2和Ti〇2按照化學式X'BaSn〇3-y'化Sn〇3-(l-x' -y'）化Ti〇3 的化學計量比進行稱重，同時將助烙劑PbO和H3B化進行稱重，之后將晶體材料與助烙劑進 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)升溫至預定恒溫溫度，恒溫，之后下巧晶，調整 溫度找飽和點，找到飽和點對應溫度后W預定降溫速率降溫，開始晶體生長；（5)待溫度降 至預定停止溫度，晶體尺寸達到預定尺寸時，提起晶體，W預定冷卻速率冷卻至室溫，開爐 取出晶體。制備過程中具體參數見表1。
[0033] 表1制備例一至六的具體參數表
[0034]
[0036] 下面W制備例一至六所得晶體材料為實驗對象，通過實驗分析所制備的晶體材料 的性質W及性能，具體如下：
[0037] 實驗例一
[0038] 采用等離子體發射光譜儀對每組制備例所得晶體材料進行組分分析，得到的晶體 材料xBaSn〇3-yPbSn〇3-(l-x-y)PbTi〇3的實際組成。具體數據見表2。
[00測表2晶體材料xBaSn03-y化Sn03-(l-x-y)F*bTi03的實際組成
[0040]
[0041] 實驗例二
[0042] 晶體的結構確定：
[004引采用X-射線粉末衍射，確定晶體的結構。所用儀器為日本RIGAKU-DMAX2500粉末 衍射儀（化祀，λ= 0. 154056nm，石墨單色儀），具體測試條件為室溫下，測量角度范圍為 10-80°，采用的步長為0.02。（2Θ)，時間2s/步。
[0044] 實驗例S
[0045] 晶體的電學性能測量
[0046]a)從大塊晶體上切取部分磨薄、拋光，兩面涂上銀膠，用于電學性能的測量。
[0047]b)介電性的測量：所用儀器為阿爾法介電/阻抗高分辨率分析儀 (Novolcontrol，German)，測溫范圍-50~30(TC，頻率范圍0. 1曲Z~100曲Z，小信號測試 電壓1化ms。
[0048] C)鐵電性的測量：所用儀器為TF2000標準鐵電測量系統，溫度條件為室溫，所加 頻率為2Hz。
[0049] 本發明是基于生長不同組成，尤其是區域的高質量的BSn-PSn-PT晶體而進行 的。BSn-PSn-PT作為少鉛Η元鐵電固溶體材料，表現出較好的壓電、鐵電性能，具有很好的 研究價值。本發明首先涉及晶體生長，通過反復的實驗摸索，探索最佳的助烙劑和生長溫度 區間，生長不同組分的BSn-PSn-PT晶體。該晶體材料為純的巧鐵礦結構，其居里溫度較高， 壓電W及鐵電性能也較為優良。
[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構； (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Ec約為18kV/cm，剩余極化FV約為25 μ C/cm2,壓電常數對d33約為70化C/ N。
[0051] 由于該晶體材料具備上述優良性能，因此能夠被應用于機電禪合領域，W替代現 有的晶體材料。
[0052]W上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技 術人員來說，本發明可W有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修 改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種晶體材料，其特征在于，該材料的化學組成為： xBaSn03-yPbSn03-(Ι-χ-y)PbTi03 ； 其中，0〈x〈l，0〈y〈l。2. 根據權利要求1所述的晶體材料，其特征在于，0. 15 <x< 0. 34,0. 2 <y< 0. 45。3. 根據權利要求1所述的晶體材料，其特征在于，X= 0. 2,y= 0. 3。4. 權利要求1至3任一項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行稱重，并進行混合、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 的化學計量比進行稱重； 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，調整溫度找飽和點，找到飽和點 對應溫度后以1. 5-3. 5°C/d的速率降溫，開始晶體生長； (5) 待溫度降至 930-1030°C，晶體尺寸達到（20-10)mmX(20-10)mmX(0· 4-0. 6)mm時， 提起晶體，以勻速率冷卻至室溫，開爐取出晶體。5. 根據權利要求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. 根據權利要求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. 根據權利要求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，調整溫度找飽和點，找到飽和點對應溫度后以2-3°C/d 的速率降溫，開始晶體生長。8. 根據權利要求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，晶體尺寸達到（20-10)mmX(20-10)mmXO. 5mm時，提起晶體。9. 根據權利要求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. 權利要求1至3任一項所述的晶體材料在機電耦合領域的應用。
【專利摘要】本發明涉及材料領域，尤其涉及一種晶體材料、該材料的制備方法及應用。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行稱重，并進行混合、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，調中，蓋好爐蓋；(4)升溫后恒溫，之后下籽晶，調整溫度找飽和點，之后勻速率降溫，開始晶體生長；(5)待溫度及晶體尺寸達到要求時，提起晶體，以勻速率冷卻至室溫，開爐取出晶體。本發明所提供的晶體材料具有較高的居里溫度，以及優良的壓電、鐵電性能，能夠應用于機電耦合領域中。
【IPC分類】C30B29/22, C30B15/00
【公開號】CN105369357
【申請號】CN201410321820
【發明人】龍西法, 王祖建, 李修芝, 何超, 劉穎
【申請人】中國科學院福建物質結構研究所
【公開日】2016年3月2日
【申請日】2014年7月8日