一种高温压电晶体材料的生长方法 |
|||||||
| 申请号 | CN201710506664.9 | 申请日 | 2017-06-28 | 公开(公告)号 | CN107254712A | 公开(公告)日 | 2017-10-17 |
| 申请人 | 合肥博之泰电子科技有限公司; | 发明人 | 王飞; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种高温压电晶体材料的生长方法，涉及压电晶体材料领域，包括以下步骤：1)将原料 粉碎 混合，得混合物料；2)将混合物料进行两次 烧结 ，得多元晶料；3)将多元晶料加热至全熔，然后对熔体进行 过热 处理，得高温熔液，待高温熔液的 温度 降低至高于熔点，得压电晶体材料熔液；4)浸入并采用提拉法沿b方向进行单晶生长；5)生长结束后，将晶体在温场中保持一段时间，再降至室温即可。该种压电晶体材料的生长方法简单方便，性能优良温度，具有较高压电常数、较高 电阻 率 及较高压电性能温度 稳定性 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种高温压电晶体材料的生长方法，其特征在于，包括以下步骤： |
||||||
| 说明书全文 | 一种高温压电晶体材料的生长方法技术领域[0001] 本发明涉及压电晶体材料领域，具体涉及一种高温压电晶体材料的生长方法。 背景技术[0002] 高温压电材料及传感器件相比于光纤式和压阻式传感器件有高精度、快速响应、易于集成等优点，在航空航天、石油勘测、核电能源领域有着重要的应用。随着我国科技的发展特别是航空航天技术的发展，高温压电晶体及传感器件(服役温度范围600～1000℃)需求迫切。目前，获得广泛应用的压电晶体主要有石英(SiO2)、铌酸锂(LiNbO3)和硅酸镓镧(La3Ga5SiO14)等晶体。石英晶体虽然压电系数较低但是频率稳定性能高，在常温范围(-80～100℃)内应用广泛，但由于在高温容易产生相变(573℃)，限制了其应用的温度范围。铌酸锂晶体居里点较高(～1100℃)但是在温度达到600℃时，介电损耗急剧增加，使用温度很难超过600℃。硅酸镓镧(La3Ga5SiO14)晶体报道是一类性能优异的高温压电材料，具有零频率温度系数切型，从室温至其熔点(～1430℃)不发生相变，但是该晶体高温电阻不高(6006 ℃时<10Ω·cm)，另外体系中成分昂贵(氧化镓)，生产成本很高。 [0003] 因此开发具有较高高温电阻率、较高压电常数及其温度稳定性且成本较为低廉的高温压电晶体材料成为重要的研究方向。 发明内容[0004] 针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种高温压电晶体材料的生长方法，该种压电晶体材料的生长方法简单方便，制得的压电晶体材料性能优良温度，具有较高压电常数、较高电阻率及较高压电性能温度稳定性。 [0005] 为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现的： [0006] 一种高温压电晶体材料的生长方法，按照以下步骤进行： [0007] (1)先将压电晶体材料的原料粉碎至粒径≤3mm混合，得混合物料； [0008] 所述原料按重量份数计包括以下成分：Al2O315-25份、CaO20-30份、NaO25-15份、B2O315-25份、CeO210-20份、Y2O310-20份、SiO22-10份、Gd2O315-25份和WO35-15份； [0010] (3)将步骤(2)得到的多元晶料加热至全熔，然后对熔体进行过热处理，得互熔均匀的高温熔液，待高温熔液的温度降低至高于熔点20-30℃，得压电晶体材料熔液； [0011] (4)将取自同构型晶体的结晶轴b向籽晶，垂直浸入到步骤(3)的压电晶体材料熔液中，使籽晶的顶端与熔液垂直且刚好接触，采用提拉法沿b方向进行单晶生长； [0012] (5)生长结束后，将晶体在温场中保持60-80min，再以20～40℃/h速率降至室温即可。 [0013] 进一步地，在步骤(1)中，所述原料按重量份数计包括以下成分：Al2O320份、CaO25份、NaO210份、B2O320份、CeO215份、Y2O315份、SiO26份、Gd2O320份和WO310份。 [0014] 进一步地，在步骤(4)中，所述单晶生长条件如下：熔体温度达到1460～1480℃时下籽晶，待浸入熔体中的籽晶直径收细至0.8-1.6mm时，将晶体提拉速度控制在2.0～4.0mm/h，进行收颈过程；当籽晶直径达到1-1.4mm时，开始以4～6℃/h的速率降温至1400～ 1420℃，进行放肩生长，放肩过程，将提拉速度降至0.8～1.2mm/h；当晶体肩部的直径达到预定尺寸25-35mm时，以1～3℃/h的速度升温至1460℃～1480℃，将提拉速度降低至0.4～ 0.6mm/h进行等径生长；当晶体提拉至高度35～45mm时提脱晶体，完成晶体生长过程。 [0015] 进一步地，在步骤(4)中，所述提脱步骤如下：以30-40℃/h速率缓慢升高温度，当晶体底部有向内收缩的趋势时，停止升温，将拉速提高至8-12mm/h提拉晶体使之与熔液脱离，待晶体提脱后进行退火处理。 [0016] 进一步地，所述退火处理温度为1320℃～1380℃，退火时间为8～12h。 [0017] 进一步地，在步骤(2)中，所述烧结操作都是放入氧化铝或氧化锆陶瓷坩埚内进行烧结。进一步地，步骤(3)中，所述多元晶料的加热至全熔是放入单晶生长炉内的铱金或铂金坩埚中进行加热，炉内抽真空并充入保护气体氮气或氩气，用中频感应加热方式或硅钼棒电阻加热方式将多元晶料升温至熔化，氮气或者氩气的体积分数为96％～98％；步骤(3)中多元晶料加热至全熔采用降温使其凝结，然后再升温至全熔，重复该步骤3-5次，或对多元晶料全熔液进行抽真空排除熔体内气泡。 [0019] 本发明具有如下的有益效果： [0020] (1)本发明的高温压电晶体材料制备简单方便，采用常规的提拉法或坩埚下降法生长得到大尺寸优质单晶，易于实施，生产效率高，生产成本低廉，操作流程安全可靠，适宜大规模量产； [0021] (2)本发明的高温压电晶体材料通过其制备工艺的改进及其加工参数的优化，使其具有较高压电常数、较高电阻率及较高压电性能温度稳定性； [0022] (3)采用本发明压电晶体材料的压电异形元件，有效纵向压电常数d33可达4.5～6.0pC/N，有效切变压电常数d26可达8.0～11.0pC/N；高温600℃时电阻率可达108Ω/cm，介电损耗低于3％；室温到900℃范围内压电常数的变化率低于3％。 具体实施方式[0023] 下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。 [0024] 实施例1 [0025] 一种高温压电晶体材料的生长方法，按照以下步骤进行： [0026] (1)称取以下原料通过粉碎机粉碎至粒径≤3mm混合，得混合物料； [0027] Al2O315kg、CaO20kg、NaO25kg、B2O315kg、CeO210kg、Y2O310kg、SiO22kg、Gd2O315kg和WO35kg； [0028] (2)将步骤(1)的混合物料放入氧化铝陶瓷坩埚中，在温度为980℃下烧结2h，空冷至室温后，压成料块，在温度为1180℃下再次烧结4h，得多元晶料； [0029] (3)将步骤(2)得到的多元晶料加热至全熔，然后对熔体过热55℃，保持40-60min，得互熔均匀的高温熔液，待高温熔液的温度降低至高于熔点20℃，得压电晶体材料熔液；其中，所述多元晶料的加热至全熔是放入单晶生长炉内的铱金坩埚中进行加热，炉内抽真空并充入保护气体氮气，用中频感应加热方式将多元晶料升温至熔化，氮气的体积分数为96％；多元晶料加热至全熔采用降温使其凝结，然后再升温至全熔，重复该步骤3次； [0030] (4)将取自同构型晶体的结晶轴b向籽晶，垂直浸入到步骤(3)的压电晶体材料熔液中，使籽晶的顶端与熔液垂直且刚好接触，采用提拉法沿b方向进行单晶生长；其中，所述单晶生长条件如下：熔体温度达到1460℃时下籽晶，待浸入熔体中的籽晶直径收细至0.8mm时，将晶体提拉速度控制在2.0mm/h，进行收颈过程；当籽晶直径达到1mm时，开始以4℃/h的速率降温至1400℃，进行放肩生长，放肩过程，将提拉速度降至0.8mm/h；当晶体肩部的直径达到预定尺寸25mm时，以1℃/h的速度升温至1460℃，将提拉速度降低至0.4mm/h进行等径生长；当晶体提拉至高度35mm时提脱晶体，完成晶体生长过程；所述提脱步骤如下：以30℃/h速率缓慢升高温度，当晶体底部有向内收缩的趋势时，停止升温，将拉速提高至8mm/h提拉晶体使之与熔液脱离，待晶体提脱后进行退火处理，退火处理温度为1320℃，退火时间为8； [0031] (5)生长结束后，将晶体在温场中保持60min，再以20℃/h速率降至室温即完成本发明的高温压电晶体材料的生长方法。 [0032] 实施例2 [0033] 一种高温压电晶体材料的生长方法，按照以下步骤进行： [0034] (1)称取以下原料通过粉碎机粉碎至粒径≤3mm混合，得混合物料； [0035] Al2O320kg、CaO25kg、NaO210kg、B2O320kg、CeO215kg、Y2O315kg、SiO26kg、Gd2O320kg和WO310kg； [0036] (2)将步骤(1)的混合物料放入氧化锆陶瓷坩埚中，在温度为1030℃下烧结3h，空冷至室温后，压成料块，在温度为1230℃下再次烧结5h，得多元晶料； [0037] (3)将步骤(2)得到的多元晶料加热至全熔，然后对熔体过热65℃，保持50min，得互熔均匀的高温熔液，待高温熔液的温度降低至高于熔点25℃，得压电晶体材料熔液；其中，所述多元晶料的加热至全熔是放入单晶生长炉内的铂金坩埚中进行加热，炉内抽真空并充入保护气体氩气，用硅钼棒电阻加热方式将多元晶料升温至熔化，氩气的体积分数为97％；对多元晶料全熔液进行抽真空排除熔体内气泡； [0038] (4)将取自同构型晶体的结晶轴b向籽晶，垂直浸入到步骤(3)的压电晶体材料熔液中，使籽晶的顶端与熔液垂直且刚好接触，采用提拉法沿b方向进行单晶生长；其中，所述单晶生长条件如下：熔体温度达到1470℃时下籽晶，待浸入熔体中的籽晶直径收细至1.2mm时，将晶体提拉速度控制在3.0mm/h，进行收颈过程；当籽晶直径达到1.2mm时，开始以5℃/h的速率降温至1410℃，进行放肩生长，放肩过程，将提拉速度降至1.0mm/h；当晶体肩部的直径达到预定尺寸30mm时，以2℃/h的速度升温至1470℃，将提拉速度降低至0.5mm/h进行等径生长；当晶体提拉至高度40mm时提脱晶体，完成晶体生长过程；所述提脱步骤如下：以34℃/h速率缓慢升高温度，当晶体底部有向内收缩的趋势时，停止升温，将拉速提高至10mm/h提拉晶体使之与熔液脱离，待晶体提脱后进行退火处理，退火处理温度为1350℃，退火时间为10h； [0039] (5)生长结束后，将晶体在温场中保持70min，再以30℃/h速率降至室温即完成本发明的高温压电晶体材料的生长方法。 [0040] 实施例3 [0041] 一种高温压电晶体材料的生长方法，按照以下步骤进行： [0042] (1)称取以下原料通过粉碎机粉碎至粒径≤3mm混合，得混合物料； [0043] Al2O325kg、CaO30kg、NaO215kg、B2O325kg、CeO220kg、Y2O320kg、SiO210kg、Gd2O325kg和WO315kg； [0044] (2)将步骤(1)的混合物料放入氧化铝或氧化锆陶瓷坩埚中，在温度为1080℃下烧结4h，空冷至室温后，压成料块，在温度为1280℃下再次烧结6h，得多元晶料； [0045] (3)将步骤(2)得到的多元晶料加热至全熔，然后对熔体过热75℃，保持60min，得互熔均匀的高温熔液，待高温熔液的温度降低至高于熔点30℃，得压电晶体材料熔液；其中，所述多元晶料的加热至全熔是放入单晶生长炉内的铂金坩埚中进行加热，炉内抽真空并充入保护气体氮气，用硅钼棒电阻加热方式将多元晶料升温至熔化，氮气的体积分数为98％；多元晶料加热至全熔采用降温使其凝结，然后再升温至全熔，重复该步骤5次； [0046] (4)将取自同构型晶体的结晶轴b向籽晶，垂直浸入到步骤(3)的压电晶体材料熔液中，使籽晶的顶端与熔液垂直且刚好接触，采用提拉法沿b方向进行单晶生长；其中，所述单晶生长条件如下：熔体温度达到1480℃时下籽晶，待浸入熔体中的籽晶直径收细至1.6mm时，将晶体提拉速度控制在4.0mm/h，进行收颈过程；当籽晶直径达到1.4mm时，开始以6℃/h的速率降温至1420℃，进行放肩生长，放肩过程，将提拉速度降至1.2mm/h；当晶体肩部的直径达到预定尺寸35mm时，以3℃/h的速度升温至1480℃，将提拉速度降低至0.6mm/h进行等径生长；当晶体提拉至高度45mm时提脱晶体，完成晶体生长过程；所述提脱步骤如下：以40℃/h速率缓慢升高温度，当晶体底部有向内收缩的趋势时，停止升温，将拉速提高至12mm/h提拉晶体使之与熔液脱离，待晶体提脱后进行退火处理，退火处理温度为1380℃，退火时间为12h； [0047] (5)生长结束后，将晶体在温场中保持80min，再以40℃/h速率降至室温即完成本发明的高温压电晶体材料的生长方法。 [0048] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 |
||||||
