一种无铅压电陶瓷材料，其具有化学通式xBiCoO3-y(Bi0.5Na0.5)TiO3-z(Bi0.5K0.5)TiO3，xBiCoO3-y(Bi0.5Na0.5)TiO3-zNaNbO3，xBiCoO3-y(Bi0.5Na0.5)TiO3-zKNbO3，xBiCoO3-yBi(Mg0.5Ti0.5)O3-z(Bi0.5Na0.5)TiO3，xBiCoO3-yBaTiO3-z(Bi0.5Na0.5)TiO3或xBiCoO3-yNaNbO3-zKNbO3；其中x+y+z＝1，且x，y，z≠0。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】无铅压电材料
技术介绍
压电陶瓷材料（也称为压电陶瓷（piezoelectricceramics或piezoceramics)) 已被广泛用于例如致动器、换能器、谐振器、传感器和随机存取存储器的应用中。例如，压电 装置，如压电喷墨印刷头或传感器，可以以用于压电致动（piezoelectricactuation)或压 电传感的特定构造通过堆叠各种压电材料、其他膜和金属，例如导体和/或电极来制备。在 压电印刷头的情况下，在墨水腔之上或之中的压电致动可被用于从其中喷出或喷射流体。 附图的简要说明 图1是说明无铅压电陶瓷材料实施例的范围的组成/相图。 图2是公开的组合物的一个实施例的极化迟滞行为的曲线图。 图3是公开的组合物的一个实施例的双极应变相对于电场的曲线图。 图4是公开的组合物的一个实施例在单极驱动下机电应变的曲线图。 图5是公开的组合物的一个实施例的介电谱的曲线图。 图6是说明喷墨实施例印刷头的一部分的示意图。 详细说明 在以下的详细描述中，参照了形成本文一部分的、且其中以具体实施例说明的方 式示出的附图。就此而言，方向术语，例如"顶部"、"底部"、"前"、"后"等，参照图（一幅或 多幅）中所描述的方向使用。由于可以许多不同的方向定位各种部件，所以方向术语是用 于说明的目的，而决不是限制性的。将理解的是，在不背离本专利技术范围的情况下，可以使用 其他版本，且可以做出结构或逻辑的改变。因此，下面的详细说明不应被认为具有限制性意 义，本专利技术的范围由所附的权利要求来限定。将理解的是，本文所描述的各个实施例的特征 可以彼此结合，除非特别另外注明。 术语极化迟滞（polarizationhysteresis)是指无铅压电陶瓷材料显示表明为极 性状态的非线性极化特征。 术语剩余极化强度（polarizationremanence)是指在极化迟滞测量过程中在零 场下测量的极化强度。它是极性、非线性电介质的独有的特征。 术语机电应变（electromechanicalstrain)是指电场引起的应变，通常按照一个 或多个压电系数（例如d33和d31)来进行表达，其中Cl1,(单位pm/V)是将应变与所施加的 电场（kV/cm)联系起来的张量性质。可以以多种不同方式测量d33系数，如压电谐振、直接 压电效应、间接压电效应以及其它。在本公开的上下文中，d33系数被计算为最大机电应变 与最大施加电场之间的比率（d33=S_/E_)。有时其被描述为有效压电系数或标准应变或 d33*。在Y.Hiruma等，J.Appl.Phys. 103 :084121 (2008)中给出了其应用的例子。 在压电陶瓷材料的语境中，术语疲劳是指在施加循环电场后所观察到的极化和机 电应变损失。 在无铅压电材料中的各组分的相对量和比例按照摩尔分数或摩尔百分比 (mol% )表达。 温度、比率、浓度、量和其他数值数据可以在本文中以范围的形式呈现。将理解的 是，这样的范围形式仅仅是为了方便和简洁，应当灵活地解释为不是仅包括所明确列举的 作为范围界限的数值，也包括涵盖在该范围内的所有个体数值或子范围，如同每个数值和 子范围被明确列举一样。例如，约l〇〇°C至约500°C的温度范围应当被解释为不仅包括明确 列举的界限l〇〇°C和500°C，也包括每个介于其间的温度例如250°C、300°C、350°C和400°C， 以及所有的子范围例如300°C至400°C，等等。 术语"约"在涉及数值或范围时，旨在包括由进行测量时可能出现的实验误差所导 致的较大或较小的值。这种测量偏差通常在规定数值的±10%之内。 压电材料已经被广泛用于例如致动器、换能器、谐振器、传感器、随机存取存储器 等应用。在这些压电陶瓷中，由于其优异的压电性能以及制备过程中进行掺杂改性容易，锆 钛酸铅（"PZT"）Pb(ZrxTilx)O3及其相关的固溶体已被广泛应用。 存在问题限制了对PZT的使用。一个是由铅的毒性引起的环境问题。另一个 问题是与PZT相关的疲劳行为。疲劳是其中材料在电循环载荷过程中失去可翻转极化 (switchablepolarization)的现象。已经有许多关于在各种条件下，例如单极驱动、直流 (DC)和双极驱动，在不同温度和频率影响下的对PZT疲劳行为的探索。在双极疲劳下的PZT 中，普遍认为来自氧空位的带电点缺陷的聚集，或者从电极注入的电荷载流子，抑制了畴壁 的移动，且这进而导致了可翻转极化的降低。 本公开提供的无铅压电材料，其包含BiC〇03( "BC"）作为无铅压电体系的添加物， 所述无铅压电体系例如为（BiQ.5Naa5)Ti03( "BNT"）或（BiQ.5Ka5)Ti03( "BKT"）基体系。BC 拥有高的极化强度和中等的d33值。此外，由于Co3+的受体性质，添加BiCoO3至无铅压电材 料被认为控制了材料的缺陷平衡。许多装置性能例如漏电流和疲劳性能最终都与点缺陷相 关联。 图1是本公开的组合物的三元相图示意图。三元组分为XBiCoO3U< 0. 2)，yAB03 和z⑶O3，其中x+y+z= 1。ABO3和⑶O3表示普通无铅压电钙钛矿组合物，例如BaTi03、 NaNb03、KNbO3,和复合钙钛矿例如（Bia5Naa5)TiO3和（Bia5Ka5)Ti03。 所公开的压电陶瓷材料的实施例具有以下的化学通式之一： xBiCo03-y(Bia5Na〇. 5)TiO3-Z(Bia5K〇. 5)TiO3; xBiCo03-y(Bia5Naa5)TiO3-ZNaNbO3;xBiCo03-y(Bi〇.5Na〇.5)TiO3-ZKNbO3 ； xBiCo03-yBi(Mg〇.5Ti〇. 5)O3-Z(Bi〇. 5Na〇. 5)TiO3; xBiCo03-yBaTi03_z(Bia5Naa5)TiO3;或 xBiCo03-yNaNb03-zKNb03； 其中x+y+z= 1，且x，y，z辛0。例如，在一些实施方式中0? 01 <x< 0? 2。在一 些实施例中，由于BC固体溶解度的限制，X的最大值被限制在0. 1至0. 2。 图2显示了 2BiC〇03-98BNT的极化迟滞行为，其特征在于完全饱和的回线和接近 35yC/cm2的大的剩余极化强度。本文公开的体系的剩余极化强度预计在25-40yC/cm2的 范围内。这个极化的水平比得上铅基压电材料例如PZT以及其他已知的无铅备选材料。 图3阐明了 2BiC〇03-98BNT的双极应变与电场的关系。图3中所示的双极应变数据 展示了表明畴翻转的大的负应变和近0. 2%的最大应变。图4阐明了单极驱动下应变值为 0.15%的机电应变。这对应于大约180pm/V的有效压电应变系数d33*。对于本文所公开的 三元体系，最大机电应变值和压电应变系数d33*预计分别在约0.I%至0. 3 %和150-500pm/V的范围内。 图5阐明了在300°C显示介电最大值的介电谱。这可表明该材料的去极化温度高 达300°C，这将非常适合于复杂装置的制造工艺。 无铅压电陶瓷的制备 A?陶瓷圆片 可以通过任意合适的固态合成方法，使用至少99%纯度的Bi2O3,C〇0,Co2O3,Co3O4, Na2C本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种无铅压电陶瓷材料，其具有化学通式：xBiCoO3‑y(Bi0.5Na0.5)TiO3‑z(Bi0.5K0.5)TiO3；xBiCoO3‑y(Bi0.5Na0.5)TiO3‑zNaNbO3；xBiCoO3‑y(Bi0.5Na0.5)TiO3‑zKNbO3；xBiCoO3‑yBi(Mg0.5Ti0.5)O3‑z(Bi0.5Na0.5)TiO3；xBiCoO3‑yBaTiO3‑z(Bi0.5Na0.5)TiO3；或xBiCoO3‑yNaNbO3‑zKNbO3；其中x+y+z＝1，且x，y，z≠0。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
【专利技术属性】
技术研发人员：E·A·帕特森，D·坎恩，P·马迪洛维奇，
申请(专利权)人：惠普发展公司，有限责任合伙企业，
类型：发明
国别省市：美国;US
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