无铅的铁电/电致伸缩陶瓷材料制造技术

【技术实现步骤摘要】
无铅的铁电/电致伸缩陶瓷材料本申请是分案申请，原申请的申请日为2005年11月18日、申请号为200580039752. 8 (PCT/US2005/041902)、专利技术名称为“无铅的铁电/电致伸缩陶瓷材料”。
技术介绍
本专利技术涉及铁电和电致伸缩陶瓷材料，特别是那些无铅并表现出非常强的剩余极化强度和大量纯电致伸缩的材料，尤其是在(Sr，Bi，Na)TiO3固溶液中。本专利技术的组合物进一步涉及钛酸秘钠盐和钛酸秘银的固态溶液。铁电材料表现出材料的永久电偶极矩可以通过应用外部电场进行重新取向。压电效应可以以简单的方式描述当应用机械压时电被产生。相反地，通过对压电元件施用电场，产生机械变形。这被称为反压电效应。反压电效应有时与在固体电介质发生的电致伸缩效应相混淆。两种效应在两个重要的方面不同。压电应变与电场强度成比例，并随之改变信号，而电致伸缩应变与场强的平方成比例并因此独立于其方向。此外，压电应变通常比电致伸缩应变大若干数量级数，并且电致伸缩效应与压电效应同时发生，但在许多情况下 出于实践目的可以被忽略。在一些材料中，电致伸缩效应显著并可用于实践应用。例如，Pb(Mn1/3Nb2/3)03(PMN)及其固溶液Pb (Mnl73Nb273) O3-PbTiO3 (PMN-PT)表现出高的电致伸缩应变水平，为70kV/cm下 O. 1%，电致伸缩系数Qn= 0. 02m4C_2。通常，PMN被称为“电致伸缩陶瓷”。相比于压电效应，电致伸缩效应具有许多独特的优势，例如更少或没有高频的磁滞损耗、温度稳定性、以及表现出快速的响应时间。目前，每年生产了成千吨含铅铁电/电致伸缩材料例如PbZrO3-PbTiO3(PZT)、Pb (Mgl73Nb273) O3-PbTiO3 (PMN-PT)和 Pb (Znl73Nb273) O3-PbTiO3 (PZN-PT)，用于广泛范围的应用。由于铅的毒性，出于环境的原因，可选的无铅材料是高度需要的。欧盟(EU)颁布的新环境立法将在2006年7月I日生效(欧洲议会和2003年I月27日的会议的指示2002/95/EC限制某些有害物质在电器和电子设备中的使用)。对有害物质的限制指令限制了铅、镉、汞、六价铬和两种溴化阻燃剂。期望的是，美国和日本在不远的将来也将有类似的限制。因此，含有毒铅材料的取代物对于电子工业是高度期望的。在过去的二十年中，已经作出巨大的努力来寻找高性能无铅材料。例如，(Bia5Naa5)TiO3基系、Bi4Ti3O12基系、SrBi2Ta2O9基系、和BaTiO3基系已经被广泛研究。然而，这些无铅材料的剩余极化强度和电致伸缩性能仍远低于目前使用的含铅材料。一些列出的例子是钛酸钡BaTiO3材料和钛酸铋钠(Bia5Na0.5) TiO3材料。钛酸铋钠(Bi1/2Na1/2)TiO3(BNT)更类似于PZT，具有 230°C的T。、和室温介电常数(ε =2500^6000)。一些改良的BNT陶瓷显示出合理的铁电/压电性质，其使得该材料有希望作为PZT的取代物。自从二十世纪八十年代后期，已经付出努力研究无铅BNT取代PZT的可能性。简单的钙钛矿化合物，例如BaTi03、PbTi03、SrTiO3等，被用于改良BNT的铁电 / 压电性能。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.)，得到报道为(Bia5Naa5) TiO3系的最高剩余极化强度P,值33. 7 μ C/cm2，这似乎是目前为止在BNT基系的文献中公布的最好结果之一。在一系列铁电/压电/电致伸缩材料(单晶和陶瓷)中已经观察到非常高的应变(高达 1%)，例如，四方BaTiO3单晶、和(Bi1/2Na1/2)Ti03基材料。然而，应变对电场曲线在合理频率(例如，在IHz下)下表现出大的磁滞，原因在于压电效应。该材料没有表现出纯电致伸缩效应。当驱动器的位移需要进行精确控制时，这成为关键的缺点。许多专利和专利申请已经公开了建立非铅介质陶瓷组合物的尝试。例如，Takenaka的美国专利5，637，542教导了一种二元体系，表示为(1_χ)ΒΝΤ-χΝΝ的固溶液，其中当构成固溶液时BNT是(Bi1/2Na1/2) TiO3和NN是NaNbO3。Takenaka等人的美国专利 6，004，474 教导了一种无铅压电材料，由式子 X _(z/2) 表示，其中Me是K或Na。其它使用BNT的无铅压电陶瓷组合物被教导在Nishida等人的美国专利6，514，427、Yamaguchi等人的美国专利6，531，070、Kimura等人的美国专 利6，258，291、Sato等人的美国专利申请2004/0127344以及Takase等人的美国专利申请2003/0001131。在美国专利申请2002/0036282中Chiang等人教导了钙钛矿化合物，其作为一种机电活性材料起作用并可以具有电致伸缩或压电特征。该化合物是碱性铋钙钛矿组合物，其中铅可以是一部分。专利技术概述本专利技术是基于这样的发现的结果无铅材料可以被制备并表现出意想不到的高铁电和电致伸缩性能、以及合理的压电性能。该组成可以变化其比例，以获得不同的性质和功能，例如非常强的剩余极化强度和具有非常高的电致伸缩系数的大量纯电致伸缩应变。这通过如下实现改变固溶液“(1-x) (SrK5yBiy)TiOJx (Naa5Bia5)TiO3IP “(l_x) (Sr1^yBiy)Ti03+x (Naa5Bia5) TiO3”——其中0〈χ〈1和0〈y ( O. 2——的极化强度和应变行为，并任选在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/或作为掺杂剂的CuO。附图简述图I 在 IHz 下，样品 “(1-x) (Sr1^1.5yBiy) Ti03+x (Na0.5Bi0.5) TiO3",其中 y=0. 2 和x=0. 8、O. 9和I，极化强度(P)对电场(E)。图2 在 IHz 下，样品 “(1-x) (Sr1^1.5yBiy) Ti03+x (Na0.5Bi0.5) TiO3",其中 y=0. 2 和x=0. 5，单极应变⑶对电场(E)。图3 样品“(1-x) (SrK5yBiy)TiOJx(Naa5Bia5)TiO3'其中 y=0. 2 和 χ=0· 5，应变对P2。图4 在 IHz 下，样品 “(1-x) (Sr1^1.5yBiy) Ti03+x (Na0.5Bi0.5) TiO3",其中y=0. 2和x=0. 65，双极应变(S)对电场(E)。专利技术详述本专利技术是由“弛豫型本文档来自技高网...

【技术保护点】
陶瓷组合物，其包含二元体系固溶液，由下式表示：(1?x)(Sr1?1.5yBiy)TiO3+x(Na0.5Bi0.5)TiO3，其中0.5≤x

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：A·陈，Y·只，
申请(专利权)人：阿克伦大学，
类型：发明
国别省市：