[发明专利]具有减少的铅含量的压电陶瓷材料

说明书

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的具有一定基本组成的基于铌酸钾钠(KNN)并且具有减少的铅含量的压电陶瓷材料。

目前制备压电陶瓷材料的现有技术的特征是在致力于向不含铅或铅含量减少的产品转变方面的改革。因此在指令2011/65/EU(RoHS2)中要求采取措施从而减少电气设备和电子设备中的特别有害物质(例如铅)的使用。因此，基本材料中铅含量例如大于0.1重量％的材料受到限制并且只有特别许可才能进行销售。然而更为环保的原材料替代品必须具有至少与目前的含铅变体形式相同的性能和相似的参数。目前，当例如涉及机动车辆领域或传感器中的快速切换压电应用时，钛酸铅锆(PZT)是最通常使用的压电陶瓷基本材料。

已经提出用铌酸钾钠(KNN)替代PZT。特别地，用锂、钽和锑对KNN材料进行复杂的改性(“Lead-free piezoceramics”，Saito等人；Letters to Nature，2004)具有替代PZT的潜力。

因此EP1382588A1描述了不含铅的压电陶瓷组成，所述组成具有通式{Li_x(K_1-yNay)_1-x}(Nb_1-z-wTa_zSb_w)O₃的主要成分和至少一种选自(1)钯、银、金、钌、铑、铼、锇、铱和铂或(2)镍、铁、锰、铜、锌或(3)镁、钙、锶和钡的金属元素作为额外元素。

DE102007013874A1描述了多层压电元件，所述多层压电元件具有多个不含铅的压电层，所述压电层包含氧化物，所述氧化物具有特别是钠、钾或锂形式的碱金属元素并且包含铌或铋。

EP2104152A2描述了压电元件，所述压电元件包含不含铅的压电陶瓷。作为压电陶瓷的主要成分，提及组分KNbO₃和BaTiO₃。压电陶瓷具有通式xKNbO₃-(1-x)BaTiO₃，其中x在0.5和0.9之间。

尽管在过去的十年内进行深入研究和开发，目前仍然不能以工业规模制备这些有前途的不含铅材料。发现关键时刻在于，在常规烧结中只有在10至20K的极窄烧结区间内才能达到希望的性能。为了解决所述问题，现有技术中描述了各种方案,一方面特别通过其它(不含铅的)添加剂改进烧结情况。

EP1876155A1、EP1876156A1和DE112006003755B4的目的是通过加入钙钛矿氧化物或复合氧化物和其它氧化物增宽基于(K1-a-bNaaLib)m(Nb1-c-dTacSbd)O3(其中0≤a≤0.9，0≤b≤0.3，0≤a+b≤0.9，0≤c≤0.5，0≤d≤0.1，0.7≤m≤1.3)的KNN材料的烧结区间。

EP 1702906A1描述了压电陶瓷材料，其中通过加入例如碱土金属偏铌酸盐对陶瓷基本组成进行改性。

另一方面提出了替代性烧结方法例如热压、火花等离子体烧结(Li等人；J.Am.Ceram.Soc，96[12]3677-3696(2013))或加热速率为10K/min的两步烧结(Pang等人；Ceramics International，38(2012)2521-2527)。但是所述方法不适合于经济的批量生产或者由于较大烧结体积的热惰性而无法以工业规模实施。

基于上述内容，因此本发明的目的是提供基于铌酸钾钠(KNN)的压电陶瓷材料，所述压电陶瓷材料在减少的铅含量下具有对于在多层致动器领域中的应用来说足够大的伸长，并且相比于已知的基于KNN的不含铅材料具有可以大规模良好控制的宽的烧结区间，因此可以用常规烧结方法加工。

通过根据权利要求1的特征组合的压电陶瓷材料以及根据权利要求12的制备所述材料的方法实现本发明的目的。本发明还涉及根据权利要求13的定义的基于根据本发明的材料的压电多层驱动器。本发明同样涉及Pb、Nb和任选Ag的混合物在基于铌酸钾钠(KNN)的压电陶瓷材料中用于扩大烧结区间的用途。

因此,出发点是基于铌酸钾钠(KNN)且不含铅的压电陶瓷材料,所述压电陶瓷材料具有以下基本组成

(K_xNa_yLi_1-x-y)a(Mn_uTa_vSb_wNb_1-u-v-w)O₃