[發明專利]非鉛類壓電材料

有效

• 申請號: 200980108873.1
• 申請日: 2009-03-10
• 公開（公告）號: CN101970374A
• 公開（公告）日: 2011-02-09
• 發明（設計）人: 任曉兵;劉文鳳
• 申請（專利權）人: 獨立行政法人物質·材料研究機構
• 主分類號: C04B35/46
• 分類號: C04B35/46;H01L41/187;H01L41/24
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 劉多益;胡燁

技術領域

本發明涉及不含Pb等有害元素的非鉛類壓電材料。

背景技術

壓電材料具有在施加電壓時伸縮(電致伸縮效應)、反之在施加力時產生電壓(壓電效應)的效果，因此是用于機械能和電能的轉換的極為重要的物質群。這些材料在致動器或傳感器等能量轉換領域中廣泛使用，從最尖端的技術逐漸滲透至日常生活中，對現代社會而言是不可或缺的。

50年間，大部分壓電應用中主要采用PZT(Pb(Ti、Zr)O₃多晶體)。該材料體系具有至今為止最高的壓電特性(無添加的PZT的壓電系數d₃₃的最高值約為220pC/N，通過添加進行了改良的軟PZT的壓電系數d₃₃的最高值約為400～580pC/N)，因此半個世紀以來，其已成為壓電材料的“代名詞”。但是，PZT包含大量有毒的鉛，從環境問題的角度出發，近年來正逐漸受到嚴格的制約。因此，與PZT相當的高性能非鉛壓電材料的開發成為世界性的緊要課題。在該背景下，近年來對非鉛壓電材料進行了大量研究，但壓電特性和電致伸縮特性遠不及PZT(大部分材料的d₃₃都在200pC/N以下)。最近開發的KNN-LT((K，Na)NbO₃-LiTaO₃)和KNN-LN((K，Na)NbO₃-LiNbO₃)類非鉛壓電材料的壓電系數d₃₃約為150～300pC/N，達到比較好的水平，但仍不及軟PZT。

而且，KNN-LT和KNN-LN類材料還具有合成困難、成本高(因為包含大量的高價元素Ta、La)等重要缺點。

非專利文獻1：Zhi?Yu，Ruyan?Guo，和A.S.Bhalla，Ba(Ti_1-xZr_x)O₃單晶的壓電特性(Dielectric?behavior?of?Ba(Ti_1-xZr_x)O₃single?crystals).J.Appl.Phys.88，410(2000)

非專利文獻2：T.Mitsui和W.B.Westphal，Ca_xBa_1-xTiO₃和Ca_xSr_1-xTiO₃的壓電研究和X射線研究(Dielectric?and?X-Ray?Studies?ofCa_xBa_1-xTiO₃and?Ca_xSr_1-xTiO₃).Phys.Rev.124，1354-1359(1961)

發明的揭示

為解決上述重要問題，本發明的課題是提供具有在軟PZT之上的壓電系數(d₃₃＞500pC/N)的非鉛壓電材料。

發明1是一種不含Pb等有害元素的非鉛類壓電材料，其特征在于，由{[(Ba_1-x1M1_x1)((Ti_1-xZr_x)_1-y1N1_y1)O₃]-δ％[(Ba_1-yCa_y)_1-x2M2_x2)(Ti_1-y2N2_y2)O₃]}的假二元體系固溶體(簡稱BZT-δ％BCT)構成，其中M1、N1、M2、N2是添加元素。

發明2是發明1的非鉛類壓電材料，其特征在于，假二元體系固溶體存在準同型相界(morphotrophic?phase?boundary，MPB)。

發明人發現BZT-δ％BCT具有準同型相界(morphotrophic?phaseboundary(MPB))(圖1是[Ba(Ti_0.8Zr_0.2)O₃]-δ％[(Ba_0.7Ca_0.3)TiO₃]的例子)，且MPB附近的組成具有在PZT之上的非常高的壓電特性(d₃₃＞580pC/N)(圖2、圖3)。本發明基于該發現而發明了采用該具有MPB的假二元體系固溶體的材料。