[发明专利]高功率应用NBT基无铅压电材料

说明书

技术领域

本申请主张于2008年9月26日提出申请的美国临时专利申请案第61/194,461号的优先权。

所揭示的发明涉及硬无铅压电材料。

背景技术

硬PZT铁电材料，例如，PZT4以及PZT8，已经于过去半个世纪中作为高功率应用的支柱。然而，在电子装置中PZT型态陶瓷里的铅含量却是个有关环保的问题。举例而言，欧盟正在提出对于来自电气及电子设备的废弃物的指令，以及对于有害物质以及寿命终了运输工具的限制。美国以及日本被预期会发布类似的环境规章。因此，有需要发展无铅压电陶瓷来取代铅基材料。

无铅陶瓷化合物可归类为三种主要型态，其所有都具有ABO₃钙钛矿式：(1)BaTiO₃(“BT”)，(2)K_0.5Na_0.5NbO₃(“KNN”)，以及(3)Na_0.5Bi_0.5TiO₃(“NBT”)。然而，这些化合物不是展现出低T_C(≤120℃)，就是显现出低压电活性，多个多型相变，以及限制其效用的去极化温度。这些化合物的各种特性显示于表I中。表I中，KCN为K₄CuNb₈O₂₃，以及MPB为准同型相界(Morphotropic Phase Boundary)。

表I  无铅压电体的介电特性和压电特性。

无铅陶瓷化合物，例如，NBT与K_0.5Bi_0.5TiO₃(“KBT”)、NBT-KBT-BT、NBT-KBT与Li_0.5Bi_0.5TiO₃(“LBT”)的固态溶液展现出类似于PZT与弛豫-PT系统的准同型相界。然而，NBT-KBT、NBT-KBT-BT以及NBT-KBT-LBT展示出的非极性反铁电相变温度却是低于会限制其使用温度范围的T_C，如KNN-LiNbO₃(“KNN-LN”)、KNN-LiTaO₃(“KNN-LT”)、KNN-LiSbO₃(“KNN-LS”)以及KNN-Sr(Ba)TiO₃的无铅陶瓷化合物具有比得上硬PZT陶瓷化合物的压电特性。然而，这些KNN型态无铅化合物却展示出低机械品质因数Q以及在正交-四方多型相变中由大约200℃至大约室温的温度飘移，此多型相变由于特性变化而显著地限制其效用。

因此，存在能避开现有技术的Pb(Zr_xTi_1-x)O₃(“PZT”)压电陶瓷的有毒铅及现有技术与无铅压电陶瓷的缺点的高效能无铅压电陶瓷材料的需求。

发明概述

在此所揭示的NBT基压电材料，相较于PZT4以及PZT8，通常拥有大约高于5kV/cm的高的内部偏磁场，以及大约高于700的高的机械品质因数。NBT基材料具有通式xNa_mBi_nTiO₃-yK_mBi_nTiO₃-zLi_mBi_nTiO₃-pBaTiO₃，其中，(0＜x≤1)，优选(0.3≤x≤0.95)，更优选(0.3≤x≤0.8)，(0≤y≤1)，优选(0≤y≤0.7)，更优选(0≤y≤0.2)，(0≤z≤1)，优选(0≤z≤0.5)，更优选(0≤z≤0.2)；(0.3≤m≤0.7)，优选(0.4≤m≤0.6)，更优选(0.45≤m≤0.55)；(0.3≤n≤0.7)，优选(0.4≤n≤0.6)，更优选(0.45≤n≤0.55)；(0＜p＜1)，优选(0＜p≤0.2)，更优选(0＜p≤0.1)；(x+y+z+p＝1)、(0.9≤m+n≤1.1)以及(0.9≤m/n≤1.1)的NBT基材料可以藉由各种受体掺杂剂(单掺杂剂，多掺杂剂)进行修饰，以具有自大约-50℃至大约200℃的广泛温度使用范围，NBT基压电化合物的低密度，大约5.8g/cc，相对于大约7.6g/cc的PZT压电化合物，使得NBT基压电化合物能够获得高声速。