[发明专利]陶瓷材料,制备该陶瓷材料的方法和含有该陶瓷材料的构件

说明书

本发明涉及陶瓷材料和制备陶瓷材料的方法。本发明还涉及包含所述陶瓷材料的构件，以及该构件的用途。

在特定施加电场情况下改变其空间维度(Ausdehnung)，也即具有压电特性的材料例如被用于促动器中。对于该应用，希望材料的高伸长作为对施加的电场的应答。对于材料而言，可达到的伸长率受该材料的电击穿强度的限制。传统压电材料另外还含有高份额的铅，这对人类和环境有害。

本发明的目的是提供一种具有压电特性的新型陶瓷材料，其在施加电场情况下具有高伸长率，从而具有高电击穿强度。该目的是通过根据权利要求1的材料实现的。其他权利要求的主题是陶瓷材料的实施方案，该陶瓷材料的制备方法和含有该陶瓷材料的构件。

在一种实施方案中，提供一种包括下式的二元陶瓷材料

(1-x)(Bi_0.5Na_0.5TiO₃)x(K_0.5Na_0.5NbO₃)，其中0＜x≤0.15。二元表示该陶瓷材料由两种成分，即钛酸铋钠Bi_0.5Na_0.5TiO₃和铌酸钾钠K_0.5Na_0.5NbO₃，组成，其中，这两种成分的含量根据所使用的值x而改变。

所述材料可以具有上述组成，其中0.08≤x≤0.12。包含该x范围的材料具有高伸长率和好的电稳定性和机械稳定性。

该材料还可以不含铅。因而，例如在促动器中，避免使用毒性的铅，并使该材料的处理简化。因而可以例如生产含有该材料的电子构件，其对人类和环境而言无需担心。

该材料还可以具有范围在0.06≤x≤0.075的x，其中，该材料具有准同型相界(MPB，英文：morphotropic phase boundary)。准同型相界的存在是指共同存在该陶瓷材料的菱面体晶体结构和四方晶体结构，它们例如可以通过X射线衍射法研究来识别。在此，所述材料的各成分对该相界作出贡献。钛酸铋钠具有菱面体的晶体结构，铌酸钾钠具有正交晶体结构。这种材料组合物(其中两种晶体结构，也即菱面体和四方晶体结构，共同存在)被称为MPB-组合物。在该相界周围，所述材料的压电特性，例如材料的偶合因子或介电常数可以高于该准同型相界以外的区域。对于x＜0.06，只存在菱面体的晶体结构，对于x＞0.075，只存在四方晶体结构。

此外，该材料的参数x还可以取值x＝0.11。如果在x＝0.11时测量材料(1-x)(Bi_0.5Na_0.5TiO₃)x(K_0.5Na_0.5NbO₃)的伸长率，则在施加8kV/mm的场情况下得到超过0.4％的伸长率。

此外，该材料的参数x还可以取值x＝0.12。当施加8kV/mm的场时，x＝0.12的材料具有0.22％的伸长率。当选择例如9kV/mm的电场时，可以达到超过0.4％的伸长率。该类材料具有好的电击穿强度。与由三种成分组成的三元材料相比，这种二元材料在晶体结构的单元晶胞中含有更少的阴离子，这使得能够良好地均化和简单处理该材料。

二元陶瓷材料的参数x选择得越大，材料中负伸长率降低得越多。负伸长率意味着在施加用于极化所述材料的场之后，在未施加电场(零场)时材料的伸长率和材料最小可测量的伸长率之间的差值。

另外通过混合铌酸钾钠和钛酸铋钠，一起得到固溶体，在0.09≤x≤0.012的材料(1-x)(Bi_0.5Na_0.5TiO₃)x(K_0.5Na_0.5NbO₃)在室温和电场至多5Hz的低频率下，还可以电诱导从反铁电的相发生相变成为铁电的相。该转变和随后的磁畴重取向成铁电的相造成了该材料的高伸长率。

当断开施加的电场时，根据材料组成的不同，还在材料中产生残余应力，这引起磁畴驰豫过程。同样，当断开电场时，被该场诱导的铁电相转变成反铁电的相。由此引起剩余极化(在断开场时保留的极化)，和低的负伸长率。因而在重新施加电场时，可以达到与其它情况下一次性的高极化伸长率可比较的伸长率。在传统的压电材料中，第一极化过程中的伸长率大于随后单极性极化过程时的伸长率。因此希望小的负伸长率，从而实现在各其它单极性载荷循环，亦即极化过程时，其大小接近于极化伸长率的伸长率。