[发明专利]陶瓷材料、其制造方法以及包括这种陶瓷材料的电子陶瓷构件

说明书

阐述一种包括锆钛酸铅且还含有Nd和Ni的陶瓷材料。

广为讨论的陶瓷材料问题是调整准同型相界、晶粒生长太小或晶粒尺寸太 小以及高烧结温度。

本发明的实施方案的目的在于提供陶瓷材料，具有经过调整的准同型相界， 也具有充分的晶粒尺寸，且能以比传统的PZT陶瓷更低的温度烧结。

采用权利要求1所述的陶瓷材料，即可实现这个目的。其它专利权利要求 所涉及的均为陶瓷材料的其它实施方案以及陶瓷材料制造方法和具有这种陶瓷 材料的电子陶瓷构件。此外在一项独立权利要求中还涉及多层构件的制造方法。

通过将Ni和Nd加入到包含锆钛酸铅的陶瓷材料之中，即可实现所述目的。

在制造过程中将Ni和Nd加入到锆钛酸铅之中来控制陶瓷的晶粒尺寸。晶 粒尺寸与陶瓷的压电特性之间存在直接的关系。

此外还可以在更低温度下制造陶瓷，从而可以在陶瓷材料的制造过程中结 合使用其它不耐受更高温度的材料。

适当选择陶瓷中的锆酸盐和钛酸盐比例，能调整陶瓷的准同型相界，这进 而对陶瓷的压电特性产生积极影响。

锆钛酸铅陶瓷(PZT陶瓷)的机械应力与结构尤其与平均晶粒尺寸之间存 在密切关系。PZT陶瓷的介电和机电特性主要取决于畴尺寸。而这又与晶粒尺 寸有关。在铁电陶瓷中形成畴的原因是在铁电相变点出现的机械应力。人们将 其中具有电偶极子且可以通过外部场改变其位置的材料称作铁电体。单位体积 的畴数量随着晶粒尺寸减小而增大。畴尺寸也会随之减小。畴尺寸减小会影响 弹性应力场。改变后的畴尺寸会影响陶瓷的材料特性。因此希望能够控制晶粒 尺寸或晶粒生长。

按照本发明的另一种实施方案，锆钛酸铅陶瓷具有钙钛矿晶格，其可用通 式ABO₃来表示，其中A表示钙钛矿晶格的A位，B表示钙钛矿晶格的B 位。

钙钛矿晶格的特点是对掺杂和空位的容忍性高。

可用通式ABO₃表示锆钛酸铅(PZT)的钙钛矿结构。可用立方体表示PZT 晶格的单位晶胞。A位被位于立方体角上的Pb²⁺离子所占据。在每个立方体表 面的中心各有一个O^2-离子。在立方体的中心有Ti⁴⁺离子或者Zr⁴⁺离子。这 种结构具有对所述金属离子由其它金属离子和空位取代的高容忍性，因此能容 易地对其进行掺杂。

视通过掺杂引入的离子与替代离子之间的大小差异而定，可能会使得高度 对称的配位多面体发生变形。

按照本发明的另一种实施方案，可以用以下通式表示陶瓷材料：

-若y＝＜x/2：aPbO+(Pb_1-3x/2+y□_x/2-yNd_x)((Zr_1-zTi_z)_1-yNi_y)O₃，

-若y＞x/2：aPbO+(Pb_1-xNd_x)((Zr_1-zTi_z)_1-yNi_y)O_3-y+x/2◇_y-x/2，

其中0＝＜a＜1、0＜x＜1、0＜y＜1、0＜z＜1，a表示在称重上的PbO过量，□表 示Pb空位，◇表示O空位。

这里根据Ni与Nd的比例区分为两种情况。在y＝＜x/2的第一种情况下， 对于在钙钛矿结构中各占据一个A位的每两个Nd原子，形成一个Pb空位， 因为具有三价正电荷的两个Nd离子可补偿三个二价正电荷Pb离子的电荷。

每个Ni原子(其在第一种情况下占据一个B位)，与被替代的Zr或Ti离 子的四价正电荷相比，由于只有二价正电荷，补偿而形成一个Pb空位而不是 一个O空位，在这种情况下基于Nd与Ni的比例始终可进行，因此不会形成 氧空位。

在y＞x/2的第二种情况下，对于占据一个B位的每个Ni原子，形成一 个O空位而达到电荷守恒。由于Ni离子仅具有二价正电荷，但却要替代具有 四价正电荷的Ti或者Zr，因此形成一个氧空位以达到电荷守恒。形成一个氧 空位补偿因为受体掺杂而产生的两个“负电荷”。基于Nd与Ni之间的比例，不 会形成Pb空位，因为所有Pb空位均被氧空位所补偿。