[发明专利]无铅的铁电/电致伸缩陶瓷材料

说明书

发明背景

[0001]本发明涉及铁电和电致伸缩陶瓷材料，特别是那些无铅并表现 出非常强的剩余极化强度和大量纯电致伸缩的材料，尤其是在 (Sr，Bi，Na)TiO₃固溶液中。本发明的组合物进一步涉及钛酸铋钠盐和钛 酸铋锶的固态溶液。

[0002]铁电材料表现出材料的永久电偶极矩可以通过应用外部电场 进行重新取向。压电效应可以以简单的方式描述：当应用机械压时电 被产生。相反地，通过对压电元件施用电场，产生机械变形。这被称 为反压电效应。反压电效应有时与在固体电介质发生的电致伸缩效应 相混淆。两种效应在两个重要的方面不同。压电应变与电场强度成比 例，并随之改变信号，而电致伸缩应变与场强的平方成比例并因此独 立于其方向。此外，压电应变通常比电致伸缩应变大若干数量级数， 并且电致伸缩效应与压电效应同时发生，但在许多情况下出于实践目 的可以被忽略。

[0003]在一些材料中，电致伸缩效应显著并可用于实践应用。例如， Pb(Mn_1/3Nb_2/3)O₃(PMN)及其固溶液Pb(Mn_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PMN- PT)表现出高的电致伸缩应变水平，为70kV/cm下～0.1％，电致伸缩系 数Qn＝～0.02m⁴C^-2。通常，PMN被称为“电致伸缩陶瓷”。相比于压 电效应，电致伸缩效应具有许多独特的优势，例如更少或没有高频的 磁滞损耗、温度稳定性、以及表现出快速的响应时间。

[0004]目前，每年生产了成千吨含铅铁电/电致伸缩材料例如PbZrO₃- PbTiO₃(PZT)、Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PMN-PT)和Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PZN-PT)，用于广泛范围的应用。由于铅的毒性，出于环境 的原因，可选的无铅材料是高度需要的。欧盟(EU)颁布的新环境立法 将在2006年7月1日生效(欧洲议会和2003年1月27日的会议的指 示2002/95/EC限制某些有害物质在电器和电子设备中的使用)。对有害 物质的限制指令限制了铅、镉、汞、六价铬和两种溴化阻燃剂。期望 的是，美国和日本在不远的将来也将有类似的限制。因此，含有毒铅 材料的取代物对于电子工业是高度期望的。

[0005]在过去的二十年中，已经作出巨大的努力来寻找高性能无铅材 料。例如，(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃基系、Bi₄Ti₃O₁₂基系、SrBi₂Ta₂O₉基系、和 BaTiO₃基系已经被广泛研究。然而，这些无铅材料的剩余极化强度和 电致伸缩性能仍远低于目前使用的含铅材料。一些列出的例子是钛酸 钡BaTiO₃材料和钛酸铋钠(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃材料。