1、开题报告应用化学PIMNT单晶生长用多晶料的固相合成一、选题的背景与意义九十年代后期以来，日、美科学家首先发现弛豫铁电单晶铌锌酸铅钛酸铅PB（ZN1/2NB2/3）PBTIO3PZNT和铌镁酸铅钛酸铅PB（MG1/2NB2/3）PBTIO3PMNT，准同型相界成分的PZNT、PMNT具有非常高的压电常数，跟传统的压电材料PZT铁电陶瓷相比，其压电常数D33、机电耦合系数K33从600PC/N和70左右分别提高到2000PC/N和90，且其应变高达1以上，比通常应变为01左右的压电材料高1个数量级。由于此类弛豫铁电单晶材料的优异性能，使其在医学超声成像、声纳技术、工业无损探伤等声电转换技术领域具
2、有广阔应用前景。在驰豫铁电单晶材料的制备技术方面，目前中国科学院上海硅酸盐研究所和美国宾州大学在该领域中的研究处于国际前沿的领先地位，已生长出大尺寸的PZNT和PMNT晶体，但此类高含铅铁电晶体生长存在坩埚侵蚀、熔点较高、晶体均匀性等固有技术难题，尚难以实现此类晶体的稳定批量生长。从性能角度看，PZNT和PMNT晶体的居里温度分别为150OC、160OC，属于居里温度偏低，在某些实际使用环境下其温度稳定性不够，导致器件会逐渐老化，通常其使用温度不宜超过85OC。近年来材料学家还试图寻找居里温度更高的驰豫铁电单晶，稍后发现了铌铟酸铅钛酸铅（PINT），其居里温度高达240OC，然而，PINT晶体
3、须从添加大量助熔剂PBO的体系中进行生长，熔体对任何材料的坩埚的侵蚀作用都极其严重，且晶体生长的排杂过程也相当困难，造成所生长晶体尺寸小，且晶体均匀性很差。鉴于PZNT和PMNT晶体的居里温度偏低，而PINT晶体生长又极其困难的现状，本课题尝试将PMNT晶体与PINT晶体加以混合，以生长准同型相界成分的铌铟酸铅铌镁酸铅钛酸铅（PIMNT），其化学式为024PBIN1/2NB1/2O3042PBMG1/2NB2/3O3034PBTIO3。前期研究表明，PIMNT晶体的析晶特性相似于PMNT晶体而不同于PINT晶体，PIMNT晶体完全可以采用熔体坩埚下降法进行生长，其晶体配合料不必添加助熔剂PBO
4、，甚至可以采用PMNT晶体作为籽晶进行定向生长，PIMNT晶体的熔点还从PMNT晶体的1302OC降低到1276OC，相应的晶体生长温度也可以降低26OC左右，这样有助于减缓熔体对铂坩埚的侵蚀作用，因此大尺寸PIMNT晶体生长的固有困难比PMNT晶体还有所减小。初步分析测试表明，所获PIMNT晶体不仅保持了PMNT晶体的良好压电特性，而且其居里温度由PMNT晶体的150OC提高到180OC，即居里温度介于PMNT晶体和PINT晶体之间，已经能满足绝大部分使用温度环境的需要。为了满足PIMNT单晶生长的需要，本课题拟开展PIMNT多晶料制备的研究，研究表明，PIMNT单晶的压电性能在很大程度上受
5、制于多晶料的组成，为了生长出高性能的PIMNT单晶，须探究适宜于获得高压电性能的多晶料组成，制备出纯钙鈦矿相结构的PIMNT多晶料。本课题拟通过高温固相反应制备PIMNT多晶料，先期合成出二元前体化合物INNBO4和MGNB2O6，再合成三元固溶体PIMNT多晶料。应用X射线粉末衍射、差热/热重分析等方法，对所合成前体化合物以及三元固溶体进行分析表征；掌握合成前体化合物以及三元固溶体的适当工艺条件，合成出成分稳定的纯钙鈦矿相结构的PIMNT多晶料；结合PIMNT单晶生长实验，验证高温固相合成制备PIMNT多晶料的有效性。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题1、研究内容（1）结合系列PIMNT单
6、晶生长实验，探究适宜于获得高压电性能单晶的PIMNT多晶料组成，确定PIMNT多晶料的最佳化学计量组成；（2）通过系列多晶料的烧结合成实验，掌握合成前体化合物以及三元固溶体的适当工艺条件，合成出成分稳定的纯钙鈦矿相结构的PIMNT多晶料；（3）应用X射线粉末衍射、差热/热重分析等方法，对所合成前体化合物以及三元固溶体进行分析表征，验证PIMNT多晶料固相合成的有效性。2、拟解决技术问题（1）确定PIMNT多晶料的最佳化学计量组成，掌握多晶料合成的混料操作程序、固相烧结条件；（2）形成PIMNT多晶料的固相合成流程，多批次合成PIMNT多晶料锭，生长出大尺寸PIMNT单晶；三、研究的方法与技术路
7、线（1）采购999以上纯度的化学试剂PBO、IN2O3、4MGCO3MGOH24H2O、NB2O5和TIO2，准备球磨机、压料磨具、压料机等必要设备。（2）按照适当化学计量比计算物料比例，先将初始试剂进行烘焙处理，以除去可能含有少量吸附水分，依照所制订试剂比例称量物料。（3）将所称量物料置于刚玉研钵中，先手工混合1小时，再分装于尼龙球磨罐中，倒入适量分析纯酒精，制成泥浆状配合料，球磨混料12小时。（4）经球磨的泥浆状配合料作烘焙处理，将半干物料模压成饼状，然后置于马弗炉内进行烧结，以获得陶瓷状致密多晶料锭。（5）以PBO、4MGCO3MGOH24H2O、NB2O5为初始试剂，按照述操作程序合成
8、二元化合物MGNB2O6，应用XRD、差热/热重分析对所合成化合物进行表征。（6）以PBO、IN2O3、NB2O5为初始试剂，通过固相烧结合成二元化合物INNBO4，应用XRD、差热/热重分析对所合成化合物进行表征。（7）将PBO、INNBO4、MGNB2O6、TIO2加以充分研磨混合，按照适当计量比制成配合料，此物料具有化学式XPBIN1/2NB1/2O3YPBMG1/2NB2/3O31XYPBTIO3所示组成，通过固相烧结制备出满足晶体生长需要的PIMNT多晶料。（8）采用垂直坩埚下降法进行PIMNT单晶生长，生长获得大尺寸PIMNT单晶样品，对所获得PIMNT晶体进行XRD、差热/热重分
9、析和压电性能测试，评估PIMNT多晶料应用于单晶生长的效果。四、研究的总体安排与进度201010201011阅读有关弛豫铁电单晶PIMNT研究的文献资料，探究适宜于获得高压电性能单晶的PIMNT多晶料组成，熟悉课题研究方法。201012201101进行系列多晶料的烧结合成实验，掌握合成前体化合物以及三元固溶体的适当工艺。201101201102对所合成前体化合物以及三元固溶体进行分析表征，验证PIMNT多晶料固相合成的有效性，并逐步改善合成条件。201103201105整理、总结资料以及研究成果，总结撰写学位论文，修改定稿，准备答辩。五、主要参考文献1师昌绪材料大辞典M北京化学工业出版社,20
10、062张福学,王丽坤现代压电学下册M北京科学出版社,20023王永龄功能陶瓷性能与应用M北京科学出版社,20034方俊鑫,殷之文电介质物理学M北京科学出版社,19895徐家跃,范世骐,孙仁英091PBPBZN1/3NB2/3O3009PBTIO3的析晶行为及助溶剂法生长J硅酸盐学报,2002,3067217246曹林洪,姚熹，徐卓，惠曾哲铅基弛豫铁电单晶体的生长技术材料科学与工艺，2007,15（1）277罗豪苏，徐海清，殷庆瑞，王评初，贺天厚，许桂生，殷之文新型压电单晶PMNT的生长、性能及应用，物理，2002，31（3）1558郭益平，罗豪苏，徐海清，贺天厚，方必军，殷之文。铅基弛豫型铁电
11、单晶研究进展及其应用，人工晶体学报，2001，30（4）3319唐斌。弛豫铁电单晶的生长及其相结构研究D西北工业大学，200210贺宇。新型铁电单晶PBZNL/3NB2/3O3PBTIO3的生长D，北京工业大学，200011GUISHENGXU,KAICHEN,DANFENGYANGGROWTHANDELECTRICALPROPERTIESOFLARGESIZEPBIN1/2NB1/2O3PBMG1/3NB2/3O3PBTIO3CRYSTALSPREPAREDBYTHEVERTICALBRIDGMANTECHNIQUE，APPLEDPHYSICSLETTERS，2007，90,03290112
12、PINGYU,FEIFEIWANG,DANZHOU,ETALGROWTHANDPYROELECTRICPROPERTIESOFHIGHCURIETEMPERATURERELAXORBASEDFERROELECTRICPBIN1/2NB1/2O3PBMG1/3NB2/3O3PBTIO3TERNARYSINGLECRYSTALAPPLEDPHYSICSLETTERS,2008,92,25290713ZHUANGL,DONGM,YEZGFLUXGROWTHANDCHARACTERIZATIONOFTHERELAXORBASEDPBZN1/3NB2/31XTIXO3PZNTPIEZOCRYSTALSM
13、ATERIALSSCIENCEENGINEERINGB,2000,78239614ROBERTESSHAPECHANGINGCRYSTALSGETSHIFTIERSCIENCE,1997,27528187815CROSSLERELAXORFERROELECTRICSJFERROELECTRICS,1987,7624126716YEZUOGUANGRELAXORFERROELECRTICPBMG1/3NB2/3O3PROPERTIESANDPRESENTUNDERSTANDINGJFERROELECTRICS,1996,184119320817YEZUOGUANGRELAXORFERROELEC
14、TRICCOMPLEXPEROVSKITESSTRUCTURE,PROPERTIESANDPHASETRANSITIONSJKEYENGINEERINGMATERIALS,1998,1551568112218SMOLENSKIIGA,AGRANOVSKAYAAIDIELECTICPOLARIZTIONANDLOSSESOFSOMECOMPLEXCOMPOUNDSSOVPHY,195831380138219NOMURAS,TAKAHASHIT,YOKOMIZOYFERROELECTRICPROPERTIESINTHESYSTEMPBZN1/3NB2/3O3PBTIO3JJOURNALOFTHEP
15、HYSICALSOCIETYOFJAPAN,1969,2726220SHROUTTR,CHANGZP,KIMN,MARGRAFSDIELECTRICBEHAVIOROFSINGLECRYSTALSNEARTHE1XPBMG1/3NB2/3O3XPBTIO3MORPHOTROPICPHASEBOUNDARYJFERROELECTRICLETTERSSECTION,1990,12636921YAMASHITAY,YOKOHAMA,SAITOHSPIEZOELECTRICMATERIALANDULTRASONICPROBEPUNITEDSTATESPATENT,5410209199522SHIMAN
16、UKIS,SAITOS,YAMASHITAYSINGLECRYSTALOFTHEPBZN1/3NB2/3O3PBTIO3SYSTEMGROWNBYTHEVERTICALBRIDGMANMETHODANDITSCHARACTERIZATIONJJAPANESEJOURNALOFAPPLIEDPHYSICS,1998,373382338523PARKSE,SHROUTTRULTRAHIGHSTRAINANDPIEZOELECTRICBEHAVIORINRELAXORBASEDFERROELECTRICSINGLECRYSTALJAPPLPHYS,1997,824180424YASUDAN,OHWA
17、H,ITOK,IWATAM,ISHIBASHIYDIELECTRICPROPERTIESOFTHEPBIN1/2NB1/2O3PBTIO3SINGLECRYSTALJFERROELECTRIC,199923011512025DUANZIQING,XUGUISHENG,WANGXIAOFENG,YANGDANFENGGROWTHANDELECTRICALPROPERTIESOFPBIN1/2NB1/2O3PBTIO3CRYSTALSBYTHESOLUTIONBRIDGMANMETHODJJOURNALOFCRYSTALGROWTH,2005,2751907191126DUANZIQING,XUGUISHENG,WANGXIAOFENG,YANGDANFENG,PANXIAOMINGANDWANGPINGCHU,ELECTRICALPROPERTIESOFHIGHCURIETEMPERATURE1XPBIN1/2NB1/2O3XPBTIO3SINGLECRYSTALSGROWNBYTHESOLUTIONBRIDGMANTECHNIQUEJSOLIDSTATECOMMUNICATION,2005,134559563宁波大学本科毕业设计（论文）系列表格
