陶瓷材料、所述陶瓷材料的制造方法以及包含所述陶瓷材料的元件技术

本发明专利技术涉及化学式为［（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５ＴｉＯ３）（１－ｙ）（ＢａＴｉＯ３）ｙ］（１－ｘ）（Ｋ０．５Ｎａ０．５ＮｂＯ３）ｘ的陶瓷材料及其制造方法，还涉及包含所述材料的元件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】陶瓷材料、所述陶瓷材料的制造方法以及包含所述陶瓷材料的元件本专利技术涉及陶瓷材料和所述陶瓷材料的制造方法。此外，本专利技术还涉及包含所述陶瓷材料的元件以及所述元件的应用。当暴露于特定施加电场时会经历其空间幅度变化或者在施加机械载荷时会产生电荷、由此具有压电特性的材料被用于例如致动器或传感器。对于此使用，响应于相对较小的外加电场期望材料具有高延伸率或者在相对较小的机械载荷的情况下期望产生大的电荷。传统的压电材料例如(PbZr)TiO3具有高铅含量，例如60%，这对于人类和环境来说是有害的。本专利技术的一个目的在于提供具有压电特性和高压电系数的新的陶瓷材料。此目的可通过根据权利要求1所述的材料实现。其它权利要求涉及陶瓷材料的实施方案、所述陶瓷材料的制造方法、包含所述陶瓷材料的元件以及所述元件的应用。在一个实施方案中，提供一种化学式为 (1_x) (Ka5Naa5NbO3)x的陶瓷材料，其中0<x彡0. 12且0. 1彡y彡0. 5。该材料具有三元体系，其中三元是指该陶瓷材料由三个组分即钛酸铋钠Bia5Naa5TiO3 (BNT)、钛酸钡BaTiO3 (BT)和铌酸钾钠Ka5Naa5NbO3 (KNN)构成，其中三个组分的比例根据所用参数χ和y而变化。该材料还可以是无铅的。由此避免了例如在致动器或传感器中使用有毒性的铅， 并简化了材料的处理。从而，例如，可以制造出对人和环境无害的包含所述材料的电子元件。在该材料中，KNN和BNT(1_y)BTy可被认为是两个基本组分，其中KNN具有斜方晶体结构，BNT(1_y)BTy具有四方晶体结构，其中y彡0. 07。该材料因此可具有斜方或四方晶体结构，亦或两种晶体结构。当在BNT(1_y)BTy中加入KNN时，体系中的阳离子数增加，其中单位晶胞内的阳离子分布是不规则的。这导致在材料中形成局部的随机场。如果在 (1-x) (K0.5Na0.5Nb03) x (下称 (1_x) (KNN) J 体系中的 KNN 浓度升高，则不规则性增大，由此随机场的数目增大，以致于在某一 KNN浓度之上随机场破坏在该材料中感生出的各个极化。在材料的每个极化过程中感生出极化，但一关掉所施加的电场此极化就会消失。 因此，所述陶瓷材料既不具有剩余极化强度，也不具有残余伸长(即在关掉电场之后存在的极化或伸长)。从而，所谓的单极伸长与极化伸长(在材料的第一次极化过程中产生的伸长)相同，且与具有单一极化伸长的传统的压电陶瓷相比可被恢复。在测量单极伸长过程中，电场变化如下OkV/mm — Emax — OkV/mm。在测量双极伸长过程中，电场变化如下OkV/mm — Emax — OkV/mm — -Emax — OkV/mm。该材料具有提高的压电特性，例如在例如2. 8kV/mm的电场下最高达700pm/V的高压电系数。在这里，压电系数表示测量的伸长与施加的电场之比。对于该材料，在小电场时测量的压电系数也能最高达150pC/N。在一个实施方案中，有可能在该材料中X=O. 09且y=0. 2。在进一步的实施方案中，可能是 x=0. 085 且 y=0. 3,x=0. 1 且 y=0. 15、x=0. 075 且 y=0. 4、x=0. 07 且 y=0. 5 以及 x=0. 06 且 y=0. 1。对于 x=0. 1 且 y=0. 15，x=0. 06 且 y=0. 1，x=0. 09 且 y=0. 2，x=0. 085 且 y=0. 3， x=0. 075且y=0. 4，以及x=0. 07且y=0. 5的组成，陶瓷材料具有最高达700pm/V的特别高的大信号压电系数，并由此适合例如用于致动器。对于其它组成，该材料可能具有最高达 150pC/N的高的小信号压电系数。因此这些材料非常适合用于传感器。本专利技术还涉及具有以上特性的陶瓷材料的制造方法。此方法包括以下步骤A)以化学计量比混合Bi、Na、K、Ti、Ba和Nb的粉状含氧化合物以制备起始混合物，B)研磨和煅烧所述起始混合物以制备粉状固溶体，和C)压制和烧结所述粉状固溶体。因此可以例如利用混合氧化物方法制造该材料，其中选择化学计量比以制备组成为 (1_x) (Ka5Naa5NbO3)x 的材料，其中 0<x 彡 0. 12 且 0. 1 ^ y ^ 0. 5o在该方法的方法步骤Α)中，起始材料可选自Bi、Na、K、Ti、Ba和Nb的氧化物和碳酸盐。例如，可以选择Bi203、Na2CO3^ K2CO3> TiO2, BaCO3和Nb205。根据期望的化学计量比称重和混合这些化合物。此外，在方法步骤B)中，可将所述起始混合物在溶剂中研磨、干燥和在 800oC _950°C的温度下煅烧。作为溶剂可以例如选择无水乙醇，所述煅烧可以例如在900°C 温度下以例如3个小时的停留时间进行。此外，在方法步骤C)中，可将所述粉状固溶体研磨例如M小时。可将研磨后的粉状固溶体压制成作为生坯的圆盘，并在1150°C -1200°C的温度下烧结。压制的圆盘可以具有例如15mm的直径，并可以在70MPa下压制。烧结温度可例如为1150°C，并可在镀铝容器中进行。为了降低易挥发性元素铋、钠和钾的挥发，在烧结过程中可以将压制的圆盘嵌入相应的粉末中。烧结材料的密度可为理论密度的95%-98%。本专利技术还提供包括至少一个陶瓷基体和设置在该基体上的至少两个电极的元件， 其中陶瓷层包含具有上述特性的材料。该元件还可以包括含有许多其间设置有电极的堆叠陶瓷层的基体，其中所述电极通过设置在所述基体外表面上的外电极进行电接触。例如，所述电极可以以交替的方式接触。这使得可以提供当施加电压时会在一个方向上有伸长(位移)的元件。这类元件可被用作例如压电致动器或多层致动器。例如，压电致动器可被用于注射系统。具有上述特性的元件还可用作用于检测压力和加速度的传感器。不过，对于上述材料之一还可想象其它的可能应用。下面将参照附图和实施例对本专利技术作更详细的说明 附图说明图1显示了陶瓷材料的三元体系的可能组成的综述，图2显示了其中y=0. 1的示例材料的a)极化滞后和b)双极伸长滞后， 图3显示了其中y=0. 15的示例材料的a)极化滞后和b)双极伸长滞后， 图4显示了其中y=0. 2的示例材料的a)极化滞后和b)双极伸长滞后， 图5显示了其中y=0. 3的示例材料的a)极化滞后和b)双极伸长滞后， 图6显示了其中y=0. 4的示例材料的a)极化滞后和b)双极伸长滞后， 图7显示了其中y=0. 5的示例材料的a)极化滞后和b)双极伸长滞后，图8显示了 a)最大极化强度、b)剩余极化强度和c)矫顽磁场对材料组成的依从关系， 图9显示了在a)大电场的情形和b)小电场与小机械载荷的情形下，压电系数随材料组成的变化，图 10 显示了 a) y = 0. l、b) y = 0. 15、c) y = 0. 2、d) y = 0. 3、e) y = 0. 4 和 f) y =0.5的不同材料组成的随温度而变的相对介电常数， 图11显示了包含所述材料的元件的示意侧视图。图1显示了由组分BNT、BT和KNN制成的陶瓷材料的三元体系的可能组成的总览。 BT的比例绘制在χ轴上，从中可根据通式自动计算BNT的比例。KNN的比例本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．　式为［（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５ＴｉＯ３）（１－ｙ）（ＢａＴｉＯ３）ｙ］（１－ｘ）　（Ｋ０．５Ｎａ０．５ＮｂＯ３）ｘ的陶瓷材料，其中０（ｘ≤０．１２且０．１≤ｙ≤０．５。

【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：AB考恩加尼瓦，
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