[發明專利]用于制備無鉛壓電材料的前體溶液及方法

有效

• 申請號: 202011253180.6
• 申請日: 2016-06-30
• 公開（公告）號: CN112374885B
• 公開（公告）日: 2023-01-20
• 發明（設計）人: A·西米諾;G·薩爾奇洛;V·卡薩塞利;A·迪馬特奧
• 申請（專利權）人: 意法半導體股份有限公司
• 主分類號: C04B35/49
• 分類號: C04B35/49;C04B35/465;C04B35/468;C04B35/622
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 吳亦華;呂小羽

本發明涉及用于制備BZT?αBXT型陶瓷的前體溶液，其中X選自Ca、Sn、Mn和Nb，且α是在0.10和0.90之間的范圍內選擇的摩爾分數，所述溶液包含：1)至少一種鋇前體化合物；2)選自至少一種鈣化合物、至少一種錫化合物、至少一種錳化合物和至少一種鈮化合物的前體化合物；3)至少一種鋯的無水前體化合物；4)至少一種鈦的無水前體化合物；5)選自多元醇和多元醇混合物的溶劑，以及選自醇、羧酸、酯、酮、醚和它們的混合物的輔助溶劑；和6)螯合劑。本發明還涉及用于制備該前體溶液的方法、從該前體溶液獲得的壓電材料、用于制備壓電材料膜的方法、包含該壓電材料的裝置和壓電材料的用途。

本案是申請日為2016年6月30日、申請號為201610509925.8、發明名稱為“用于制備無鉛壓電材料的前體溶液及方法”的專利申請的分案申請。

技術領域

本發明涉及用于制備壓電材料的前體溶液及方法，所述壓電材料無鉛且沒有對人類為致突變的和致癌的及對環境有毒的化合物。

背景技術

壓電材料是當施加電壓時能夠膨脹或收縮(電氣應變效應)、且相反地如果它們經受壓力則能夠產生電壓(壓電效應)的材料。

它們因此組成能夠將機械能轉換成電能或反之的一類非常重要的材料。它們實際上已經廣泛地用于能量轉換領域的產品中，例如致動器和傳感器，并在通常的應用中及先進技術中是普遍的，因而在當今社會起到基礎性作用。

壓電材料具有鈣鈦礦型晶體結構。礦物鈣鈦礦是具有化學式CaTiO₃的鈦酸鈣。鈣鈦礦氧化物家族具有一般組成ABO₃，其中元素A(在圖1A和1B中以灰色表示)相對于氧(在圖1A和1B中以白色顯示)12倍配位，且元素B(在圖1A和1B中以黑色表示)顯現出與氧的八面體配位。位點A定位在立方體的角處，位點B處于立方體的中心，且氧原子定位在每個面的中心。或者，結構可表示為位點B在立方體的角處，位點A在立方體的中心，且氧原子在每個邊的中點處(分別地，圖1A和1B)。

鈣鈦礦型結構顯示出對其組成的變化、以及對最終材料的可能變形(distortion)的優良的耐受性，因為其能夠適應對AO和BO鍵的長度之間平衡的任何不一致，因此使得能夠存在大量的以及各種各樣的化學計量的化合物。

變形例如四方形(圖2)、正交形、菱形和單斜變形實際上引起晶體對稱性的變化，其中一個或多個陽離子從晶格中具有高對稱性的位置移位，這導致鐵電或反鐵電行為。換句話說，當在單一晶胞內正電荷的中心和負電荷的中心沒有重合時，導致自發極化。

但是，在鐵電材料中，自發極化是必需的但不是充分的，因為還需要通過電場對極化進行重新取向。。

最普遍的壓電材料家族當然是鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷的壓電材料家族，因為其高的壓電系數值、高的介電常數值以及高的耦合系數值。這些性質在準同型相界(MPB)附近的組合物中觀察到。MPB展示出對溫度的輕度依賴性，使得性質的穩定性在寬溫度范圍內達到。

但是，由于PZT包含大量的毒性鉛，所以使用這些材料由于環境原因將經受嚴格標準的管理。

因此，期望的是開發具有較低環境影響和無鉛的且表現出與PZT相當的壓電系數(200-710pC/N)的材料。

因此在最近幾年，已經研究了各種無鉛體系，其中尤其是鈦酸鋇、鉍和堿金屬的鈦酸鹽及鈮酸鹽。

Wenfeng Liu等在“Large Piezoelectric Effect in Pb-free Ceramics”,Phys.Rev.Letters,(2009),103,257602和在US20110037015中研究了陶瓷(1-α)Ba(Zr_0.2Ti_0.8)O₃-α(Ba_0.7Ca_0.3)TiO₃(BZT-αBCT)，其中α是在0-1之間的摩爾分數，其使用常規的固態反應法獲得。