無鉛的鐵電/電致伸縮陶瓷材料制造技術

【技術實現步驟摘要】
無鉛的鐵電/電致伸縮陶瓷材料本申請是分案申請，原申請的申請日為2005年11月18日、申請號為200580039752. 8 (PCT/US2005/041902)、專利技術名稱為“無鉛的鐵電/電致伸縮陶瓷材料”。
技術介紹
本專利技術涉及鐵電和電致伸縮陶瓷材料，特別是那些無鉛并表現出非常強的剩余極化強度和大量純電致伸縮的材料，尤其是在(Sr，Bi，Na)TiO3固溶液中。本專利技術的組合物進一步涉及鈦酸秘鈉鹽和鈦酸秘銀的固態溶液。鐵電材料表現出材料的永久電偶極矩可以通過應用外部電場進行重新取向。壓電效應可以以簡單的方式描述當應用機械壓時電被產生。相反地，通過對壓電元件施用電場，產生機械變形。這被稱為反壓電效應。反壓電效應有時與在固體電介質發生的電致伸縮效應相混淆。兩種效應在兩個重要的方面不同。壓電應變與電場強度成比例，并隨之改變信號，而電致伸縮應變與場強的平方成比例并因此獨立于其方向。此外，壓電應變通常比電致伸縮應變大若干數量級數，并且電致伸縮效應與壓電效應同時發生，但在許多情況下 出于實踐目的可以被忽略。在一些材料中，電致伸縮效應顯著并可用于實踐應用。例如，Pb(Mn1/3Nb2/3)03(PMN)及其固溶液Pb (Mnl73Nb273) O3-PbTiO3 (PMN-PT)表現出高的電致伸縮應變水平，為70kV/cm下 O. 1%，電致伸縮系數Qn= 0. 02m4C_2。通常，PMN被稱為“電致伸縮陶瓷”。相比于壓電效應，電致伸縮效應具有許多獨特的優勢，例如更少或沒有高頻的磁滯損耗、溫度穩定性、以及表現出快速的響應時間。目前，每年生產了成千噸含鉛鐵電/電致伸縮材料例如PbZrO3-PbTiO3(PZT)、Pb (Mgl73Nb273) O3-PbTiO3 (PMN-PT)和 Pb (Znl73Nb273) O3-PbTiO3 (PZN-PT)，用于廣泛范圍的應用。由于鉛的毒性，出于環境的原因，可選的無鉛材料是高度需要的。歐盟(EU)頒布的新環境立法將在2006年7月I日生效(歐洲議會和2003年I月27日的會議的指示2002/95/EC限制某些有害物質在電器和電子設備中的使用)。對有害物質的限制指令限制了鉛、鎘、汞、六價鉻和兩種溴化阻燃劑。期望的是，美國和日本在不遠的將來也將有類似的限制。因此，含有毒鉛材料的取代物對于電子工業是高度期望的。在過去的二十年中，已經作出巨大的努力來尋找高性能無鉛材料。例如，(Bia5Naa5)TiO3基系、Bi4Ti3O12基系、SrBi2Ta2O9基系、和BaTiO3基系已經被廣泛研究。然而，這些無鉛材料的剩余極化強度和電致伸縮性能仍遠低于目前使用的含鉛材料。一些列出的例子是鈦酸鋇BaTiO3材料和鈦酸鉍鈉(Bia5Na0.5) TiO3材料。鈦酸鉍鈉(Bi1/2Na1/2)TiO3(BNT)更類似于PZT，具有 230°C的T。、和室溫介電常數(ε =2500^6000)。一些改良的BNT陶瓷顯示出合理的鐵電/壓電性質，其使得該材料有希望作為PZT的取代物。自從二十世紀八十年代后期，已經付出努力研究無鉛BNT取代PZT的可能性。簡單的鈣鈦礦化合物，例如BaTi03、PbTi03、SrTiO3等，被用于改良BNT的鐵電 / 壓電性能。例如，Nagata 和 Takenaka( “Effect of sub stitution on electricalproperties of (Bi1/2Na1/2Ti0s-based lead-free ferroelectrics，，； Proc. of 12th IEEEInt. Symp. on Applications of Ferroelectrics (ed. Streiffer, S. K. , Gibbons, BJ. andTrurumi, Τ.);vol. I, ρρ45_51;July 30-August 2, 2000;Honolulu, Hawaii, USA.)，得到報道為(Bia5Naa5) TiO3系的最高剩余極化強度P,值33. 7 μ C/cm2，這似乎是目前為止在BNT基系的文獻中公布的最好結果之一。在一系列鐵電/壓電/電致伸縮材料(單晶和陶瓷)中已經觀察到非常高的應變(高達 1%)，例如，四方BaTiO3單晶、和(Bi1/2Na1/2)Ti03基材料。然而，應變對電場曲線在合理頻率(例如，在IHz下)下表現出大的磁滯，原因在于壓電效應。該材料沒有表現出純電致伸縮效應。當驅動器的位移需要進行精確控制時，這成為關鍵的缺點。許多專利和專利申請已經公開了建立非鉛介質陶瓷組合物的嘗試。例如，Takenaka的美國專利5，637，542教導了一種二元體系，表示為(1_χ)ΒΝΤ-χΝΝ的固溶液，其中當構成固溶液時BNT是(Bi1/2Na1/2) TiO3和NN是NaNbO3。Takenaka等人的美國專利 6，004，474 教導了一種無鉛壓電材料，由式子 X _(z/2) 表示，其中Me是K或Na。其它使用BNT的無鉛壓電陶瓷組合物被教導在Nishida等人的美國專利6，514，427、Yamaguchi等人的美國專利6，531，070、Kimura等人的美國專 利6，258，291、Sato等人的美國專利申請2004/0127344以及Takase等人的美國專利申請2003/0001131。在美國專利申請2002/0036282中Chiang等人教導了鈣鈦礦化合物，其作為一種機電活性材料起作用并可以具有電致伸縮或壓電特征。該化合物是堿性鉍鈣鈦礦組合物，其中鉛可以是一部分。專利技術概述本專利技術是基于這樣的發現的結果無鉛材料可以被制備并表現出意想不到的高鐵電和電致伸縮性能、以及合理的壓電性能。該組成可以變化其比例，以獲得不同的性質和功能，例如非常強的剩余極化強度和具有非常高的電致伸縮系數的大量純電致伸縮應變。這通過如下實現改變固溶液“(1-x) (SrK5yBiy)TiOJx (Naa5Bia5)TiO3IP “(l_x) (Sr1^yBiy)Ti03+x (Naa5Bia5) TiO3”——其中0〈χ〈1和0〈y ( O. 2——的極化強度和應變行為，并任選在Na位具有取代的K和/或Li和/或在Ti位具有Sn、Hf、Nb和/或Ta ;和/或使用Μη02、和/或作為摻雜劑的CuO。附圖簡述圖I 在 IHz 下，樣品 “(1-x) (Sr1^1.5yBiy) Ti03+x (Na0.5Bi0.5) TiO3",其中 y=0. 2 和x=0. 8、O. 9和I，極化強度(P)對電場(E)。圖2 在 IHz 下，樣品 “(1-x) (Sr1^1.5yBiy) Ti03+x (Na0.5Bi0.5) TiO3",其中 y=0. 2 和x=0. 5，單極應變⑶對電場(E)。圖3 樣品“(1-x) (SrK5yBiy)TiOJx(Naa5Bia5)TiO3'其中 y=0. 2 和 χ=0· 5，應變對P2。圖4 在 IHz 下，樣品 “(1-x) (Sr1^1.5yBiy) Ti03+x (Na0.5Bi0.5) TiO3",其中y=0. 2和x=0. 65，雙極應變(S)對電場(E)。專利技術詳述本專利技術是由“弛豫型本文檔來自技高網...

【技術保護點】
陶瓷組合物，其包含二元體系固溶液，由下式表示：(1?x)(Sr1?1.5yBiy)TiO3+x(Na0.5Bi0.5)TiO3，其中0.5≤x

【技術特征摘要】
...

【專利技術屬性】
技術研發人員：A·陳，Y·只，
申請(專利權)人：阿克倫大學，
類型：發明
國別省市：