陶瓷材料，制备该陶瓷材料的方法和含有该陶瓷材料的构件技术

提供二元陶瓷材料及其制备方法。该材料具有压电特性和下式的组成，（１－ｘ）（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５ＴｉＯ３）ｘ（Ｋ０．５Ｎａ０．５ＮｂＯ３），其中０＜ｘ≤０．１５。还提供含有该材料的构件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】陶瓷材料，制备该陶瓷材料的方法和含有该陶瓷材料的构件本专利技术涉及陶瓷材料和制备陶瓷材料的方法。本专利技术还涉及包含所述陶瓷材料 的构件，以及该构件的用途。在特定施加电场情况下改变其空间维度(Ausdehnung)，也即具有压电特性的材 料例如被用于促动器中。对于该应用，希望材料的高伸长作为对施加的电场的应答。对 于材料而言，可达到的伸长率受该材料的电击穿强度的限制。传统压电材料另外还含有 高份额的铅，这对人类和环境有害。本专利技术的目的是提供一种具有压电特性的新型陶瓷材料，其在施加电场情况下 具有高伸长率，从而具有高电击穿强度。该目的是通过根据权利要求1的材料实现的。 其他权利要求的主题是陶瓷材料的实施方案，该陶瓷材料的制备方法和含有该陶瓷材料 的构件。在一种实施方案中，提供一种包括下式的二元陶瓷材料(1-x) (Bi0.5Na0.5TiO3)x(K0.5Na0.5NbO3),其中 0 < x《0.15。二元表示该陶瓷材料 由两种成分，即钛酸铋钠Bia5Naa5Ti03和铌酸钾钠KMNac^NbC^，组成，其中，这两种成 分的含量根据所使用的值x而改变。所述材料可以具有上述组成，其中0.08《《0.12。包含该x范围的材料具有高伸 长率和好的电稳定性和机械稳定性。该材料还可以不含铅。因而，例如在促动器中，避免使用毒性的铅，并使该材 料的处理简化。因而可以例如生产含有该材料的电子构件，其对人类和环境而言无需担 心。该材料还可以具有范围在0.06《X《0.075的x，其中，该材料具有准同型相界 (MPB,英文morphotropic phase boundary)。准同型相界的存在是指共同存在该陶瓷材料的菱面体晶体结构和四方晶体结构，它们例如可以通过X射线衍射法研究来识别。 在此，所述材料的各成分对该相界作出贡献。钛酸铋钠具有菱面体的晶体结构，铌酸钾 钠具有正交晶体结构。这种材料组合物(其中两种晶体结构，也即菱面体和四方晶体结 构，共同存在)被称为MPB-组合物。在该相界周围，所述材料的压电特性，例如材料 的偶合因子或介电常数可以高于该准同型相界以外的区域。对于x< 0.06，只存在菱面 体的晶体结构，对于x> 0.075，只存在四方晶体结构。此外，该材料的参数x还可以取值x = 0.11。如果在x = 0.11时测量材料(1-x) (Bi0.5Na0.5TiO3) x (K0.5Na0.5NbO3)的伸长率，则在施加8kV/mm的场情况下得到超过0.4% 的伸长率。此外，该材料的参数X还可以取值x = 0.12。当施加8kV/mm的场时，x = 0.12 的材料具有0.22%的伸长率。当选择例如9kV/mm的电场时，可以达到超过0.4%的伸 长率。该类材料具有好的电击穿强度。与由三种成分组成的三元材料相比，这种二元材 料在晶体结构的单元晶胞中含有更少的阴离子，这使得能够良好地均化和简单处理该材 料。二元陶瓷材料的参数x选择得越大，材料中负伸长率降低得越多。负伸长率意 味着在施加用于极化所述材料的场之后，在未施加电场(零场)时材料的伸长率和材料最 小可测量的伸长率之间的差值。另外通过混合铌酸钾钠和钛酸铋钠，一起得到固溶体，在0.09《X《0.012的材料 (1-x) (Bi0.5Na0.5TiO3) x (K0.5Na0.5NbO3)在室温和电场至多5Hz的低频率下，还可以电诱导 从反铁电的相发生相变成为铁电的相。该转变和随后的磁畴重取向成铁电的相造成了该 材料的高伸长率。当断开施加的电场时，根据材料组成的不同，还在材料中产生残余应力，这引 起磁畴驰豫过程。同样，当断开电场时，被该场诱导的铁电相转变成反铁电的相。由此 引起剩余极化(在断开场时保留的极化)，和低的负伸长率。因而在重新施加电场时，可 以达到与其它情况下一次性的高极化伸长率可比较的伸长率。在传统的压电材料中，第 一极化过程中的伸长率大于随后单极性极化过程时的伸长率。因此希望小的负伸长率， 从而实现在各其它单极性载荷循环，亦即极化过程时，其大小接近于极化伸长率的伸长 率。还提供一种制备具有上述性质的材料的方法。该方法包括以下方法步骤A)以 化学计量比混合Bi、Na、K、Ti和Nb的粉末状含氧的化合物，从而制备一种起始混合 物，B)研磨和煅烧该起始混合物，从而制备一种粉末状固溶体，和C)压制和烧结该粉末 状固溶体。从而例如用混合氧化物方法可以制备该材料，此时这样选择化学计量比例， 使得制备出组成为(1-x) (Bi0.5Na0.5TiO3)x(K0.5Na0.5NbO3)，其中 0 < x《0.15 的材料。在该方法中，在方法步骤A)中可以从包含Bi、Na、K、Ti和Nb的氧化物和碳 酸盐的组中选择起始材料。例如可以选择Bi203、Na2Co3、K2Co3、沉02和她205。根据 所希望的化学计量比例来称量和混合这些化合物。另外在方法步骤B)中还可以使所述起始混合物在溶剂中研磨，干燥并在范围为 800°C至950°C的温度下煅烧。作为溶剂，在此例如可以选择无水乙醇，所述煅烧例如在 温度为900°C，在保持时间例如三小时情况下进行。另外在方法步骤C)中还可以研磨粉末状的固溶体，例如研磨时间为24小时。 研磨过的粉末状固溶体可以在作为基体的板中压制，并在范围为1050°C至1150°C的温度 下烧结。压制的板的直径例如可以为10mm，并在70MPa下压制。烧结温度例如可以为 1050°C,并在铝涂覆的容器中进行。为了避免易于挥发的元素铋、钠和钾发生挥发，该 压制的板在烧结过程中可以包埋在相应的粉末中。烧结过的材料的密度可以为理论密度 的 95% -98%。还提供一种含有至少一种陶瓷基体和至少两个设置在基体上的电极的构件，其 中，所述陶瓷层含有一种具有上述性质的材料。该构件还可以包含基体，该基体包含多 个堆叠的陶瓷层，电极设置于所述陶瓷层之间，在此情况下，所述电极从堆叠的陶瓷层 引出，并经外电极接触。所述电极例如可以交替地侧面接触。从而可以产生在施加电压 时具有其体积伸长率的构件。这样的构件例如可以作为压电促动器或多层促动器使用。压电促动器例如可以 用于喷射系统。但也可以考虑带有上述材料的其它应用可能性。借助附图和实施例更详细地解释本专利技术附图说明图1示出了示例性材料的结构的SEM-照片，图2示出了示例性材料的极化迟滞，图3示出了示例性材料的最大极化强度，剩余极化强度和矫顽磁场，图4示出了示例性材料的双极性伸长迟滞，图5示出了示例性材料的单极性伸长迟滞，图6示出了最大伸长率与材料组成的关系，图7示出了压电系数和偶合因子与材料组成的关系，图8示出了含有该材料的构件的示意性侧面图。图1示出了材料结构的SEM-照片(扫描电子显微术)。图la示出了由纯钛酸铋 钠形成的传统材料的结构(参照x = 0)，图lb示出了 x = 0.06的式(1-x) (Bi0.5Na0.5TiO3) x(K0.5Na0.5NbO3)的材料，图 lc 示出了 x = 0.12 的式(1-x) (Bi。.5Na。.5Ti03)x(K0.5Na0.5NbO3) 的材料。这些不同的结构表明，不存在第二相，并且随着x增大，材料中的粒度变小。 例如X = 0的平均粒度本文档来自技高网...

【技术保护点】
具有以下组成的二元陶瓷材料，　　（１－ｘ）（Ｂｉ↓［０．５］Ｎａ↓［０．５］ＴｉＯ↓［３］）ｘ（Ｋ↓［０．５］Ｎａ↓［０．５］ＮｂＯ↓［３］），其中０＜ｘ≤０．１５。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】DE 2008-4-30 102008021827.81.具有以下组成的二元陶瓷材料，(1-x) (Bia5Naa5TiO3)X(Ka5Naa5NbO3)，其中 O < x《0.15。2.根据前一权利要求的材料，其中，χ范围为0.08《《0.12。3.根据前述权利要求之一的材料，其不含铅。4.根据前述权利要求之一的材料，其中，χ范围为0.06《X《0.075，其中所述材料具有准同型相界。5.根据权利要求1至3之一的材料，其中，χ= 0.12。6.根据权利要求1至3之一的材料，其中，χ= 0.11。7.用于制备根据权利要求1至6的材料的方法，具有以下方法步骤A)以化学计量比混合粉末状的Bi、Na、K、Ti和Nb的含氧化合物，从而制备起始 混合物，B)研磨和煅烧该起始混合物，从而制备粉末状固溶体，和C)压制和...

【专利技术属性】
技术研发人员：AB考恩加尼瓦，ST张，J勒德尔，W赵，T格兰措，
申请(专利权)人：埃普科斯股份有限公司，
类型：发明
国别省市：DE