具有织构的无铅KNN基压电陶瓷材料及其制造方法技术

一种由组成式(K

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有织构的无铅KNN基压电陶瓷材料及其制造方法
[0001]相关申请和共同未决申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年9月2日提交的序列号为63/073，862的美国临时申请的申请日期和公开内容的权益，该申请的内容与其中引用的所有参考文献通过引用整体并入本文。
专利

[0003]本专利技术一般地涉及一种压电陶瓷材料，更具体地，涉及一种具有织构的无铅KNN基压电陶瓷材料以及制造该材料的方法。
[0004]专利技术背景
[0005]铅是广泛使用的锆酸钛酸铅(PZT)配方的主要成分之一，在配方中的重量百分比在任何地方一般为40％到65％。在压电材料的加工过程中，全球基于PZT的压电组件中的铅消耗量可占每年最高达到100吨铅。欧盟委员会(EC)一直在定期审查铅材料的豁免(每3年一次)，目前压电陶瓷中的铅在特定的医疗和工业应用中受到豁免和排除。
[0006]铅基PZT配方的性能优于目前市场上可获得的无铅压电材料，无铅产品不能用作现成的替代物。例如，尽管基于BaTiO3的无铅系统有时用于温度低于100℃的致动器应用，但它们的性能在100℃以上迅速消失(由于它们的居里温度较低)，并且它们的性能落后于铅基PZT系统。需要能在高达200℃保持稳定性、同时提供足够的性能的无铅压电陶瓷。无铅铌酸钾钠[(K
0.5
Na
0.5
NbO3]基压电陶瓷已被认为是在需要高d
33
(即d
33
>300pm/V)的应用中取代铅基系统的重要替代品。
[0007]Saito等人(参考第6,387,295号美国专利)已经撰写了一份关于掺杂有锂(Li)、钽(Ta)和锑(Sb)的铌酸钾钠基组合物的专利，其中碱性铌酸盐基陶瓷中从正交到四方晶体对称性的本征多晶型相变(PPT)被移至室温，导致对于这种KNN
‑
LTS配方在环境区域中改善的特性。
[0008]压电材料的织构也被表明改善压电性质。织构可以通过称为模板晶粒生长(TGG)的过程引入陶瓷系统中。该过程包括在生坯加工过程中在陶瓷体内排列模板(晶种)颗粒，以及在高温处理过程中在那些取向模板上外延成核和生长所需的相。因此，TGG中的基本物理组分是模板颗粒(即大的非等大颗粒)，其作为外延的基底和作为异常晶粒生长的晶种。外延决定一小批晶粒的结晶学排列，其可以被认为是一批取向的“异常”晶粒。因此，随着进一步的异常晶粒的生长，织构材料的体积分数增加。因此，最终的多晶陶瓷表现出织构的微观结构，且因此，它表现出类似单晶的性质。
[0009]本专利技术涉及一种新的无铅KNN基压电陶瓷材料，其使用NaNbO3或Ba2NaNb5O
15
片或团粒作为织构晶种颗粒。
[0010]专利技术概述
[0011]本专利技术一般地涉及一种由组成式(K
a
Na
b
Li
c
)(Nb
d
Ta
e
Sb
f
)O
g
表示并且用NaNbO3或Ba2NaNb5O
15
晶种织构的无铅织构KNN基压电材料，其中0.4≤a≤0.5，0.5≤b≤0.6，0.01≤c≤0.1，0.5≤d≤1.0，0.05≤e≤0.15，0.01≤f≤0.09，1≤g≤3。
[0012]在一个实施方案中，无铅织构KNN基压电材料的d
33
>300pm/V和T
居里
>250℃。
[0013]在一个实施方案中，化学元素以以下重量％和摩尔分数存在：
[0014][0015]在一个实施方案中，NaNbO3或Ba2NaNb5O
15
晶种是片状的。
[0016]在一个实施方案中，片状的NaNbO3或Ba2NaNb5O
15
晶种的长度为约5至15微米，宽度为约5至15微米，长宽比为约25至30。
[0017]在一个实施方案中，NaNbO3或Ba2NaNb5O
15
晶种是针尖状的(acicular shaped)。
[0018]在一个实施方案中，NaNbO3或Ba2NaNb5O
15
晶种是棒状或针状的(needled shaped)。
[0019]在一个实施方案中，针尖状的NaNbO3或Ba2NaNb5O
15
晶种的长度为约5到40微米，宽度为约2到7微米，长宽比为约2到16。
[0020]本专利技术还涉及一种由组成式(K
a
Na
b
Li
c
)(Nb
d
Ta
e
Sb
f
)O
g
表示的无铅KNN基压电材料，其中0.4≤a≤0.5，0.5≤b≤0.6，0.01≤c≤0.1，0.5≤d≤1.0，0.05≤e≤0.15，0.01≤f≤0.09，1≤g≤3。
[0021]在一个实施方案中，无铅KNN基压电材料用NaNbO3或Ba2NaNb5O
15
晶种织构。
[0022]在一个实施方案中，NaNbO3或Ba2NaNb5O
15
晶种是片状的，其长度为约5到15微米，宽度为约5到15微米，长宽比为约25到30。
[0023]在一个实施方案中，NaNbO3或Ba2NaNb5O
15
晶种是针尖状的，并且其长度为约5至40微米，宽度为约2至7微米，长宽比为约2至16。
[0024]在一个实施方案中，无铅KNN基压电材料的d
33
>300pm/V，并且T
居里
>250℃。
[0025]在一个实施方案中，化学元素以以下重量％和摩尔分数存在：
[0026][0027]本专利技术还涉及一种制造无铅织构KNN基压电材料的方法，其包括以下步骤：a)提供由组成式(K
a
Na
b
Li
c
)(Nb
d
Ta
e
Sb
f
)O
g
表示的基础无铅KNN基压电材料，其中0.4≤a≤0.5，0.5≤b≤0.6，0.01≤c≤0.1，0.5≤d≤1.0，0.05≤e≤0.15，0.01≤f≤0.09，1≤g≤3，和b)向所述无铅KNN基压电材料中添加NaNbO3或Ba2NaNb5O
15
织构晶种。
[0028]在一个实施方案中，该方法还包括通过产生(i)正交晶到四方晶(O
‑
T)，(ii)菱方晶到正交晶(R
‑
O)，和(iii)正交晶到四方晶(O
‑
T)的相界来调整所述基础无铅KNN基压电材料的d
33
和T
居里
。
[0029]在一个实施方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种无铅织构KNN基压电材料，其由组成式(K
a
Na
b
Li
c
)(Nb
d
Ta
e
Sb
f
)O
g
表示并且用NaNbO3或Ba2NaNb5O
15
晶种织构，其中0.4≤a≤0.5，0.5≤b≤0.6，0.01≤c≤0.1，0.5≤d≤1.0，0.05≤e≤0.15，0.01≤f≤0.09，1≤g≤3。2.权利要求1所述的无铅织构KNN基压电材料，其d
33
>300pm/V和T
居里
>250℃。3.权利要求1所述的无铅织构KNN基压电材料，其中化学元素以以下重量％和摩尔分数存在：4.权利要求1所述的无铅织构KNN基压电材料，其中所述NaNbO3或Ba2NaNb5O
15
晶种是片状的。5.权利要求4所述的无铅织构KNN基压电材料，其中片状的NaNbO3或Ba2NaNb5O
15
晶种的长度为约5至15微米，宽度为约5至15微米，长宽比为约25至30。6.权利要求1所述的无铅织构KNN基压电材料，其中所述NaNbO3或Ba2NaNb5O
15
晶种是针尖状的。7.权利要求6所述的无铅织构KNN基压电材料，其中所述NaNbO3或Ba2NaNb5O
15
晶种是棒状或针状的。8.权利要求6所述的无铅织构KNN基压电材料，其中所述针尖状的NaNbO3或Ba2NaNb5O
15
晶种的长度为约5到40微米，宽度为约2到7微米，长宽比为约2到16。9.一种无铅KNN基压电材料，其由组成式(K
a
Na
b
Li
c
)(Nb
d
Ta
e
Sb
f
)O
g
表示，其中0.4≤a≤0.5，0.5≤b≤0.6，0.01≤c≤0.1，0.5≤d≤1.0，0.05≤e≤0.15，0.01≤f≤0.09，1≤g≤3。10.权利要求9所述的无铅KNN基压电材料，其还包括用NaNbO3或Ba2NaNb5O
15
晶种织构。11.权利要求10所述的无铅KNN基压电材料，...

【专利技术属性】
技术研发人员：H，
申请(专利权)人：CTS公司，
类型：发明
国别省市：