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无铅压电材料是目前压电材料领域的研究热点,其中(K0.5Na0.5)NbO3-LiNbO3(简写为KNN-LN)和(Na1/2Bi1/2)TiO3-BaTiO3(简写为NBT-BT)体系材料被认为是最有希望取代目前商用PZT陶瓷的无铅压电材料。但目前关于这两个体系的研究主要集中于陶瓷,单晶生长和性能研究方面的报道较少,这可能是由于用传统方法生长这些单晶较困难。本文采用Bridgman法生长KNN-LN和NBT-BT单晶,成功的获得了KNN-5LN单晶和尺寸较大,质量优良的NBT-6BT单晶,并对晶体的成分、结构、介电性能、压电性能进行了研究。主要内容包括:
⑴先后开展了自发成核生长,接种生长和熔体Bridgman法生长KNN-LN晶体,不断的优化生长条件,用熔体Bridgman法成功生长出尺寸相对较大的KNN-5LN晶体,通过定向、切片等后续加工,得到了尺寸为9×4×0.7mm的(001)晶片。
⑵对得到的KNN-5LN单晶进行了成分、结构的初步表征。晶体下半部为白色,底部白色晶体为正交相钙钛矿结构,Na/K为76∶24。上半部为淡黄色晶体,分界线附近的淡黄色晶体为四方相钙钛矿结构,Na/K为57∶43,其晶格常数为c=4.012(A),a=3.952(A),与Li的含量7%KNN-7LN陶瓷一致。该固溶体晶体在生长过程中发生组分分凝,Na含量沿生长方向降低,K,Li含量沿生长方向升高,晶体在分界线附近发生正交-四方相变。
⑶对得到的KNN-5LN单晶(001)晶片的介电、压电性能进行了研究。KNN-5LN单晶的正交—四方相变温度和居里温度分别为192℃和426℃,单晶更趋向于正常铁电体。由于K+空位的作用,晶体的损耗在高温下快速增加。KNN-5LN单晶(001)晶片表现出优良的压电性能,压电常数d33最大可达405pC/N,kt~61%,tanδ~1.1%,这些性能达到了商用PZT陶瓷的水平,显示出KNN-LN单晶具有在部分领域取代PZT陶瓷的潜力。
⑷通过有籽晶诱导的Bridgman法生长出Φ20×110mm,质量优良的NBT-6BT单晶,晶体大部分为三方相,在晶体顶部存在三方—四方相变。(001)面NBT-6BT晶片显示了很强的弛豫性,正交—四方相变温度和居里温度分别为198℃和330℃,常温下压电常数为160pC/N,NBT-6BT单晶在室温至150℃范围内老化,压电性能较稳定,150℃老化后压电性能开始降低,在220℃老化后完全退极化,较常用的PMNT和BaTiO3压电单晶有更好的温度稳定性。