[发明专利]非铅类压电材料有效

专利信息
申请号: 200980108873.1 申请日: 2009-03-10
公开(公告)号: CN101970374A 公开(公告)日: 2011-02-09
发明(设计)人: 任晓兵;刘文凤 申请(专利权)人: 独立行政法人物质·材料研究机构
主分类号: C04B35/46 分类号: C04B35/46;H01L41/187;H01L41/24
代理公司: 上海专利商标事务所有限公司 31100 代理人: 刘多益;胡烨
地址: 日本*** 国省代码: 日本;JP
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摘要:
搜索关键词: 非铅类 压电 材料
【说明书】:

技术领域

本发明涉及不含Pb等有害元素的非铅类压电材料。

背景技术

压电材料具有在施加电压时伸缩(电致伸缩效应)、反之在施加力时产生电压(压电效应)的效果,因此是用于机械能和电能的转换的极为重要的物质群。这些材料在致动器或传感器等能量转换领域中广泛使用,从最尖端的技术逐渐渗透至日常生活中,对现代社会而言是不可或缺的。

50年间,大部分压电应用中主要采用PZT(Pb(Ti、Zr)O3多晶体)。该材料体系具有至今为止最高的压电特性(无添加的PZT的压电系数d33的最高值约为220pC/N,通过添加进行了改良的软PZT的压电系数d33的最高值约为400~580pC/N),因此半个世纪以来,其已成为压电材料的“代名词”。但是,PZT包含大量有毒的铅,从环境问题的角度出发,近年来正逐渐受到严格的制约。因此,与PZT相当的高性能非铅压电材料的开发成为世界性的紧要课题。在该背景下,近年来对非铅压电材料进行了大量研究,但压电特性和电致伸缩特性远不及PZT(大部分材料的d33都在200pC/N以下)。最近开发的KNN-LT((K,Na)NbO3-LiTaO3)和KNN-LN((K,Na)NbO3-LiNbO3)类非铅压电材料的压电系数d33约为150~300pC/N,达到比较好的水平,但仍不及软PZT。

而且,KNN-LT和KNN-LN类材料还具有合成困难、成本高(因为包含大量的高价元素Ta、La)等重要缺点。

专利文献1:Zhi Yu,Ruyan Guo,和A.S.Bhalla,Ba(Ti1-xZrx)O3单晶的压电特性(Dielectric behavior of Ba(Ti1-xZrx)O3single crystals).J.Appl.Phys.88,410(2000)

非专利文献2:T.Mitsui和W.B.Westphal,CaxBa1-xTiO3和CaxSr1-xTiO3的压电研究和X射线研究(Dielectric and X-Ray Studies ofCaxBa1-xTiO3and CaxSr1-xTiO3).Phys.Rev.124,1354-1359(1961)

发明的揭示

为解决上述重要问题,本发明的课题是提供具有在软PZT之上的压电系数(d33>500pC/N)的非铅压电材料。

发明1是一种不含Pb等有害元素的非铅类压电材料,其特征在于,由{[(Ba1-x1M1x1)((Ti1-xZrx)1-y1N1y1)O3]-δ%[(Ba1-yCay)1-x2M2x2)(Ti1-y2N2y2)O3]}的假二元体系固溶体(简称BZT-δ%BCT)构成,其中M1、N1、M2、N2是添加元素。

发明2是发明1的非铅类压电材料,其特征在于,假二元体系固溶体存在准同型相界(morphotrophic phase boundary,MPB)。

发明人发现BZT-δ%BCT具有准同型相界(morphotrophic phaseboundary(MPB))(图1是[Ba(Ti0.8Zr0.2)O3]-δ%[(Ba0.7Ca0.3)TiO3]的例子),且MPB附近的组成具有在PZT之上的非常高的压电特性(d33>580pC/N)(图2、图3)。本发明基于该发现而发明了采用该具有MPB的假二元体系固溶体的材料。

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