基於鈦酸鉍鋅-鈦酸鉍鉀-鈦酸鉍鈉的無鉛壓電材料的製作方法

2023-12-10 01:47:56

專利名稱：基於鈦酸鉍鋅-鈦酸鉍鉀-鈦酸鉍鈉的無鉛壓電材料的製作方法
基於鈦酸鉍鋅-鈦酸鉍鉀-鈦酸鉍鈉的無鉛壓電材料背景
本公開大體上涉及壓電陶瓷材料，更特別涉及基於含有鈦酸鉍鋅-鈦酸鉍鉀-鈦酸鉍鈉的三元組合物的無鉛壓電陶瓷材料。壓電陶瓷材料(也稱作壓電陶瓷)已廣泛用在如致動器、轉換器、共振器、傳感器和隨機存取存儲器之類的用途中。在這些壓電陶瓷中，鋯鈦酸鉛(PZT)及其相關固溶體由於它們優異的壓電性質和在製造過程中容易通過摻雜進行改性而最廣泛使用。PZT的使用具有限制其在許多用途中的合意性的缺點。由於在製造過程中由PZT釋放的高揮發性PbO的毒性，一個擔憂是其可能的環境效應。PZT壓電陶瓷的另一缺點是與PZT相關的強疲勞行為。疲勞是壓電材料在電循環荷載過程中損失其可切換的極化和機電應變的現象。附圖簡述
關於本發明的示例性實施方案的詳述，現在參考附圖，其中:


圖1是圖解根據某些實施方案的壓電材料的組成範圍的三元組成/相圖。圖2顯示所公開的BZT - BKT - BNT組合物的若干實施方案的X-射線衍射圖，表明這些組合物由單I丐鈦礦相構成。圖3是根據所公開的組合物的一個實施方案的BZT - BKT - BNT組合物在_60 kV/cm至60 kV/cm的外加電場下的極化和機電應變值的圖。圖4是根據所公開的組合物的一個實施方案的另一 BZT - BKT - BNT組合物在_60kV/cm至60 kV/cm的外加電場下的極化和機電應變值的圖。圖5是根據所公開的組合物的一個實施方案的BZT - BKT - BNT組合物在60 kV/cm的單極電場下的機電應變值(最大應變的％)的圖。圖6是根據所公開的組合物的一個實施方案的BZT - BKT - BNT組合物在_60 kV/cm至60 kV/cm的雙極外加電場下的機電應變值的圖。符號和術語
在下列說明書和權利要求書各處使用某些術語。在下列說明書和權利要求書中，術語「包括」和「包含」以開放方式使用並因此被解釋為是指「包括，但不限於...」。術語「居裡溫度」是指高於該溫度，壓電材料損失其自發極化和壓電特性。術語「極化滯後」是指表現出代表極性態的非線性極化特性的無鉛壓電陶瓷材料。術語「機電應變」是指電場誘發應變並通常以一種或多種壓電係數(例如d33和d31)表示，其中du (單位pm/V)是將應變與外加電場(V/m)相聯繫的張量性質。可以以許多不同方式測量d33係數，如壓電共振、正壓電效應、反壓電效應等。在本公開中，作為最大機電應變與外加電場之間的比率計算d33係數(d33 = Smax/Emax)。有時這被描述為有效壓電係數或規範化應變或 d33*。在 Y.Hiruma 等人，J.Appl.Phys.103:084121 (2008)中給出其用途的一個實例。在壓電陶瓷材料領域中，術語「疲勞」是指在施加循環電場後觀察到的極化和機電應變的損失。無鉛壓電材料中的組分的相對量或比例以摩爾分數或摩爾％ (mol%)表示，例如，0.0l ≤ X ≤ 0.1，0.3 ≤ y ≤ 0.5 且 0.4 ≤ Z ≤ 0.6，或 10BZT - 30BKT - 60BNT。術語「大約」在表示數值或範圍時意在包括由進行測量時發生的實驗誤差造成的更大或更小的值。這樣的測量偏差通常在所列數值的+或-10%內。溫度、比率、濃度、量和其它數值數據在本文中可以以範圍格式呈現。要理解的是，這樣的範圍格式僅為方便和簡明使用並且應靈活解釋以不僅包括作為該範圍的極限明確列舉的數值，還包括該範圍內包含的所有獨立數值或子範圍，就像明確列舉各數值和子範圍那樣。例如，大約100°c至大約500°C的溫度範圍應被解釋為不僅包括明確列舉的極限100°C和500°C，還包括每一中間溫度，如250°c、300°c、35(rc和400°C和所有子範圍，如300°C至 400°C，等等。詳述
下列論述涉及本發明的各種實施方案。所公開的實施方案不應被解釋為或以其它方式用於限制本公開(包括權利要求書)的範圍。此外，本領域技術人員會理解，下列描述具有寬適用性，且任何實施方案的論述僅意在例示該實施方案，而無意暗示將本公開(包括權利要求書)的範圍限於該實施方案。無鉛壓電陶瓷
參考圖1，三元組成 / 相解基於 Bi (Zn0.5Ti0.5) O3 — (Bi0.5K0.5) TiO3 _ (Bi0.5Na0.5)TiO3體系中的三元組合物(在本文中有時也稱作BZT - BKT - BNT)的無鉛壓電陶瓷材料的整個範圍。例如，無鉛壓電陶瓷材料可具有化學通式zBi (Zn0.5Ti0.5) O3 -7 (Bi0.5K0.5) TiO3 -ζ (Bia5Naa5)TiO3,其中且石y, ζ Φ O。具有圖1中的虛線左側的化學計量學的組合物是通常較不穩定的鈣鈦礦結構並可能包括多個相。具有圖1中的虛線右側的陰影區中的化學計量學的組合物通常是在標準大氣條件下具有更穩定的單相鈣鈦礦結構的固溶體。圖1中的陰影區包括具有上述化學通式的無鉛壓電陶瓷材料，不包括其中0.20 ( X (0.18,0.01 ^ y ^ 0.30且0.50 ^ z ^ 0.99的材料。這些組合物包括，但不限於，A-1和K-N，它們也描述在表I中。在一些實施方案中，該無鉛壓電陶瓷材料具有上述化學通式，其中 O〈 X ≤ 0.20,0.01 < y ≤ 0.99 且 0.01〈 z ≤ 0.99，相當於圖1 中由 χ=0.20確定的線段右側的三元組合物並包括更穩定的單相鈣鈦礦結構。在一些實施方案中，該無鉛壓電陶瓷材料具有上述化學通式，其中O〈 X < 0.10,0.01 < y ^ 0.99且0.01 < z(0.99，相當於圖1中由x=0.10確定的線段右側的三元組合物。在某些實施方案中，該無鉛壓電陶瓷材料具有上述化學通式，其中0〈 X < 0.19，y = 0.28 - 0.50且Z = 0.40 -0.65，相當於圖1中的橢圓包圍的三元組合物。這些組合物包括，但不限於，C-K，它們也描述在表I中。在一些實施方案中，該無鉛壓電陶瓷材料具有上述化學通式，相當於除由0.01≤ X≤ 0.20,0.01 ≤ y ≤ 0.99且0.01 ≤ z ≤ 0.75確定的三角形的尖端中的那些外的圖1中的所有三元組合物。具有單相穩定鈣鈦礦結構的一些代表性BZT - BKT - BNT材料的化學計量學以摩爾％顯示在表I中，並在圖1中標為A-N。〃0"和"P"所示的組合物是為了比較目的而包括在圖1和表I中的二元組合物。表I
權利要求
1.無鉛壓電陶瓷材料，其具有以下化學通式: zBi (Zn0.5Ti0.5) O3 - 7 (Bi0.5K0.5) TiO3 - z (Bi0.5Na0.5) TiO3 其中 x+y+z=l 且石 j, z ^ Oo
2.權利要求1的陶瓷材料，其中所述材料包含在標準大氣條件下具有穩定鈣鈦礦結構的固溶體。
3.權利要求1的無鉛壓電陶瓷材料，其中0.01 ^ X ^ 0.20,0.01 < y < 0.99且0.01 彡 z 彡 0.75。
4.權利要求1的無鉛壓電陶瓷材料，其中0.01 ^ X ^ 0.10,0.30彡y彡0.50且0.40 彡 z 彡 0.60。
5.權利要求1的無鉛壓電陶瓷材料，其中0.01 < X ^ 0.19,0.28彡y彡0.50且0.40 彡 z 彡 0.65。
6.權利要求1的無鉛壓電陶瓷材料，其中0.01 < X ^ 0.20,0.01〈 y < 0.99且0.01 < z ( 0.99 ο
7.權利要求6的無鉛壓電陶瓷材料，不包括0.20 ^ X ^ 0.18,0.01 ^ y ^ 0.30且 0.50 < z < 0.99。
8.權利要求1的無鉛壓電陶瓷材料，其中所述陶瓷材料具有等於或超過鋯鈦酸鉛鈣鈦礦的壓電應變係數d33。
9.權利要求1的無鉛壓電陶瓷材料，其中所述陶瓷材料具有大約200pm/V至大約700pm/V的最大壓電d33值。`
10.權利要求1的無鉛壓電陶瓷材料，其中所述陶瓷材料具有大約400pm/V至大約650pm/V的最大壓電d33值。
11.權利要求1的無鉛壓電陶瓷材料，其中所述陶瓷材料具有大約0.20%至大約0.35%的最大機電應變值。
12.權利要求1的無鉛壓電陶瓷材料，其中所述陶瓷材料具有等於或超過鋯鈦酸鉛鈣鈦礦的抗疲勞性。
13.權利要求1的無鉛壓電陶瓷材料，其具有大約100°C至大約500°C的居裡溫度(T。)。
14.權利要求13的無鉛壓電陶瓷材料，其中所述居裡溫度為大約300°C至大約400°C。
全文摘要
無鉛壓電陶瓷材料具有化學通式xBi(Zn0.5Ti0.5)O3–y(Bi0.5K0.5)TiO3–z(Bi0.5Na0.5)TiO3，其中x+y+z=1且x,y,z≠0。
文檔編號H01L41/187GK103119742SQ201080069326
公開日2013年5月22日 申請日期2010年9月30日 優先權日2010年9月30日
發明者Y.H.勇, D.肯, E.帕特森, B.吉邦斯, P.馬蒂洛維奇 申請人:惠普發展公司，有限責任合夥企業