本發(fā)明屬于壓電材料，尤其涉及一種正交相鐵電單晶壓電性能提升的熱處理方法。

背景技術(shù)：

1、壓電材料是指受到壓力作用時(shí)會(huì)在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料。這類材料在受到外力作用發(fā)生形變時(shí)，晶胞中正負(fù)離子的相對(duì)位移會(huì)使正負(fù)電荷中心不再重合，導(dǎo)致晶體發(fā)生宏觀極化，從而在晶體表面產(chǎn)生電荷。目前以鋯鈦酸鉛(pzt)陶瓷和鈮鎂鈦酸鉛(pmnt)弛豫鐵電單晶為代表的鉛基壓電材料在壓電市場(chǎng)中占據(jù)了絕大多數(shù)份額。然而，這些材料中含有有毒有害的重金屬元素鉛，會(huì)對(duì)人類健康和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重危害。因此，發(fā)展環(huán)境友好的無鉛壓電材料已經(jīng)成為國(guó)際功能材料領(lǐng)域的重要科學(xué)前沿和技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)之一。

2、目前，被認(rèn)為最具有替代鉛基材料潛力的無鉛壓電材料主要包括鈮酸鉀鈉(k0.5na0.5nbo3，knn)和鈦酸鋇(batio3，bt)。但由于晶體結(jié)構(gòu)、摻雜與改性、制備工藝以及溫度穩(wěn)定性等多方面差異導(dǎo)致無鉛壓電材料的壓電性能與含鉛材料相比仍存在較大差距。自發(fā)極化作為功能基元，極大地影響著無鉛壓電材料的壓電性能。有研究利用調(diào)控極化取向分布來改善壓電材料的壓電性能。比如，在batio3等材料中通過沿特定方向施加電場(chǎng)，使電偶極子沿電場(chǎng)方向排列構(gòu)成單疇化結(jié)構(gòu)從而增強(qiáng)壓電性能。而特定不同自發(fā)極化取向構(gòu)成的工程疇結(jié)構(gòu)與單疇相比能夠更好的實(shí)現(xiàn)高壓電性能。

3、實(shí)現(xiàn)特定極化配置分布以及工程疇的方法主要集中于在生長(zhǎng)晶體時(shí)摻雜其他離子或構(gòu)建組分梯度。例如在鈮酸鉀鈉單晶中利用組分梯度構(gòu)建“魚骨狀”疇結(jié)構(gòu)來誘導(dǎo)高壓電性能。但該方法只適用于晶體生長(zhǎng)時(shí)，在晶體生長(zhǎng)結(jié)束后便無法使用。對(duì)已生長(zhǎng)出的晶體通常采用熱處理的方法進(jìn)行再處理，通過退火釋放并消除內(nèi)應(yīng)力來提高壓電性能。

4、由于極化取向分布對(duì)溫度十分敏感，因此還可以通過熱處理進(jìn)行調(diào)控。例如，通過控制pbtio3薄膜的冷卻速率，可以實(shí)現(xiàn)具有特定比例的面內(nèi)和面外取向的工程疇結(jié)構(gòu)，從而使壓電性能得到提高。但該方法僅適用于薄膜壓電材料，與二維結(jié)構(gòu)的薄膜壓電材料相比，已生長(zhǎng)出的塊狀單晶具有三維結(jié)構(gòu)，由于尺寸效應(yīng)、內(nèi)部缺陷等因素導(dǎo)致塊狀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)特定極化配置分布的精確控制更為困難，疇結(jié)構(gòu)的調(diào)控存在不均勻性和不可預(yù)測(cè)性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有無鉛塊狀壓電材料性能仍不滿足高尖端使用需求的問題，本發(fā)明提供了一種正交相鐵電單晶壓電性能提升的熱處理方法。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案：

3、一種正交相鐵電單晶壓電性能提升的熱處理方法，將鈮酸鉀鈉塊狀晶體置于加熱容器中，以1℃/min的升溫速率從室溫升溫至熱處理溫度并保溫1h，然后以1℃/min的降溫速率降至室溫，所述熱處理溫度不低于鈮酸鉀鈉塊狀晶體的正交-四方相變溫度。

4、進(jìn)一步的，所述鈮酸鉀鈉塊狀晶體的正交-四方相變溫度為200℃。

5、進(jìn)一步的，所述熱處理溫度為250～400℃。

6、進(jìn)一步的，所述鈮酸鉀鈉塊狀晶體的制備方法包括如下步驟：

7、步驟一、以k2co3、na2co3和nb2o5為原料，經(jīng)球磨、烘干及燒結(jié)處理得到knn多晶原料；

8、步驟二、將步驟一所得knn多晶原料置于單晶爐中加熱，觀察并記錄多晶原料全部融化的熔點(diǎn)溫度，繼續(xù)升溫，在加熱溫度超過所述熔點(diǎn)溫度50℃的溫度下保溫6h，然后降溫至超過所述熔點(diǎn)溫度30℃的溫度下保溫1～2h；

9、步驟三、將籽晶下降至熔體表面，保持一段時(shí)間后將籽晶抬離液面，并確保籽晶末端熔化形成新生的原子面；

10、步驟四、逐漸降低溫度至所述熔點(diǎn)溫度附近，再次將籽晶浸沒到熔體液面以下，當(dāng)籽晶周圍出現(xiàn)明亮的四方邊緣時(shí)開始提拉；

11、步驟五、當(dāng)晶體放肩到8mm后，將溫度升高1～5℃使晶體自然轉(zhuǎn)到等徑生長(zhǎng)，由于晶體生長(zhǎng)過程中固液面逐漸降低和組分分凝影響，需要小幅降溫進(jìn)行控制；

12、步驟六、當(dāng)晶體提拉長(zhǎng)度達(dá)到20～30mm后，將晶體拉出液面15mm高度，然后降溫至室溫，得到鈮酸鉀鈉塊狀晶體。

13、進(jìn)一步的，步驟一所述k2co3、na2co3和nb2o5的純度均為99.99％，k2co3、na2co3和nb2o5的摩爾比為0.55:0.55:1。

14、進(jìn)一步的，步驟一所述球磨為混合酒精球磨，球磨時(shí)間為24h，燒結(jié)為1000℃下燒結(jié)9h。

15、進(jìn)一步的，步驟三中籽晶的轉(zhuǎn)速為20r/min。

16、進(jìn)一步的，步驟四放肩過程中提拉速度為0.2mm/h。

17、進(jìn)一步的，步驟五所述小幅降溫的降溫溫度不超過0.2℃，降溫速率為0.2～0.4℃/h。

18、進(jìn)一步的，步驟六所述降溫速率為30℃/h。

19、本發(fā)明的有益效果：

20、本發(fā)明提出了一種通過熱處理調(diào)控極化取向分布來改善鈮酸鉀鈉(knn)晶體壓電性能的方法。不同于摻雜或構(gòu)建組分梯度等改性方式，本發(fā)明能在knn晶體生長(zhǎng)結(jié)束后再改性，經(jīng)正交-四方-正交相變，使初始knn晶體內(nèi)的負(fù)面外取向一部分轉(zhuǎn)變?yōu)槊鎯?nèi)取向，誘導(dǎo)了更多正面外和面內(nèi)組合的具有凈極化的極化配置，從而改善了壓電性能。本發(fā)明具有簡(jiǎn)便且極低成本的優(yōu)點(diǎn)，能夠促進(jìn)利用knn晶體的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的換能器、傳感器、能量收集器等的發(fā)展與應(yīng)用。

技術(shù)特征：

1.一種正交相鐵電單晶壓電性能提升的熱處理方法，其特征在于，將鈮酸鉀鈉塊狀晶體置于加熱容器中，以1℃/min的升溫速率從室溫升溫至熱處理溫度并保溫1h，然后以1℃/min的降溫速率降至室溫，所述熱處理溫度不低于鈮酸鉀鈉塊狀晶體的正交-四方相變溫度。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種正交相鐵電單晶壓電性能提升的熱處理方法，其特征在于，所述鈮酸鉀鈉塊狀晶體的正交-四方相變溫度為200℃。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述一種正交相鐵電單晶壓電性能提升的熱處理方法，其特征在于，所述熱處理溫度為250～400℃。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種正交相鐵電單晶壓電性能提升的熱處理方法，其特征在于，所述鈮酸鉀鈉塊狀晶體的制備方法包括如下步驟：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種正交相鐵電單晶壓電性能提升的熱處理方法，其特征在于，步驟一所述k2co3、na2co3和nb2o5的純度均為99.99％，k2co3、na2co3和nb2o5的摩爾比為0.55:0.55:1。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種正交相鐵電單晶壓電性能提升的熱處理方法，其特征在于，步驟一所述球磨為混合酒精球磨，球磨時(shí)間為24h，燒結(jié)為1000℃下燒結(jié)9h。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述一種正交相鐵電單晶壓電性能提升的熱處理方法，其特征在于，步驟三中籽晶的轉(zhuǎn)速為20r/min。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述一種正交相鐵電單晶壓電性能提升的熱處理方法，其特征在于，步驟四放肩過程中提拉速度為0.2mm/h。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述一種正交相鐵電單晶壓電性能提升的熱處理方法，其特征在于，步驟五所述小幅降溫的降溫溫度不超過0.2℃，降溫速率為0.2～0.4℃/h。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述一種正交相鐵電單晶壓電性能提升的熱處理方法，其特征在于，步驟六所述降溫速率為30℃/h。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種正交相鐵電單晶壓電性能提升的熱處理方法，屬于壓電材料技術(shù)領(lǐng)域。為解決現(xiàn)有無鉛塊狀壓電材料性能仍不滿足高尖端使用需求的問題，本發(fā)明提供了一種正交相鐵電單晶壓電性能提升的熱處理方法，將鈮酸鉀鈉塊狀晶體置于加熱容器中，以1℃/min的升溫速率從室溫升溫至熱處理溫度并保溫1h，然后以1℃/min的降溫速率降至室溫，所述熱處理溫度不低于鈮酸鉀鈉塊狀晶體的正交?四方相變溫度。本發(fā)明通過熱處理調(diào)控極化取向分布來改善鈮酸鉀鈉(KNN)晶體壓電性能，在KNN晶體生長(zhǎng)結(jié)束后再改性，經(jīng)正交?四方?正交相變誘導(dǎo)了更多正面外和面內(nèi)組合的具有凈極化的極化配置，從而改善了壓電性能。

技術(shù)研發(fā)人員：胡程鵬,孫雪潔,孟祥達(dá),王宇,譚鵬,田浩
受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8