[发明专利]基于钛酸铋钠(BNT)的不含铅的压电陶瓷材料

说明书

本发明涉及基于钛酸铋钠(BNT)并且具有以下基本组成的不含铅的压电陶瓷材料：x(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃‑yBaTiO₃‑zSrTiO₃，其中x+y+z＝1，并且0x1，0y1，0≤z≤0.07，或x(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃‑yBaTiO₃‑zCaTiO₃，其中x+y+z＝1，并且0x1，0y1，0z≤0.05，或x(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃‑y(Bi_0.5K_0.5)TiO₃‑zBaTiO₃，其中x+y+z＝1，并且0x1，0y1，0≤z1，其特征在于，加入一定量的含磷材料，使得压电陶瓷材料中的磷浓度为100至2000ppm。

本申请是题为“基于钛酸铋钠(BNT)的不含铅的压电陶瓷材料”的中国专利申请201480050913.2的分案申请。

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的基于钛酸铋钠(BNT)并且具有一定基本组成的不含铅的压电陶瓷材料，并且特别涉及在RoHS指令(指令2011/65/EU)的含义内在均相材料中的铅含量0.1重量％的不含铅的材料。

基于钛酸铅锆(PZT)的压电致动器、压电传感器和其它压电组件为目前的现有技术，其中越来越需要使压电陶瓷材料不含铅。

在现有技术的进一步发展中，尝试开发基于BNT(钛酸铋钠)的不含铅的压电陶瓷材料。

所述材料长期已知并且基本组成描述于JP 62202576(BNT-BT和BNT-BKT)和DE19530592 C2(BNT-BT-CT)。Takenaka(Sensor and Materials；3(1988)123-131)详细描述了使用例如钛酸锶对所述材料进行改性。

在这些基本研究的基础之上，现有技术中描述了其它实施方案。对此例如参见US2002/014196 A1、EP 1231192 A1。

所有基于BNT的组成的基本问题是烧结时的极差压实并且出现所谓的巨晶生长连同高的导电性。具有非均相结构的压电陶瓷体不能很好地极化，使得不能达到希望的材料性能或者出现过大的材料性能变化。JP 2004-075449中提出通过锰、铬、铁、钴或铌酸盐针对性地进行替代从而抑制巨晶生长。

本申请人的关于用锰和铜对BNT材料进行改性的研究虽然显示出烧结情况的部分改进，但是仍然显示出巨晶生长的连续倾向以及电数据的劣化。

因此要指出的是，经改性的BNT组成倾向于材料中不均匀分布的巨晶生长或粗晶结构的形成。在此，巨晶的出现不受控制并且高度取决于制备条件和烧结条件。晶粒生长虽然可以通过低烧结温度得以抑制，这却造成5.6g/cm³的低烧结密度。不希望的巨晶生长或粗晶结构的结果是温度相关度极高的低比绝缘电阻，陶瓷体的较差极化性，和在兆赫范围内的厚度波动的扰乱的波动情况。

在申请人的研究中还发现，泄漏电流高度取决于结构和温度。

此外要指出的是，经改性的BNT组成通常具有小的烧结区间，这造成在技术上难以控制的问题。烧结区间被理解为由两个温度数据限定的范围，在所述范围内在材料燃烧时实现需要的陶瓷性能。小的烧结区间因此造成只有在燃烧中可以以极小的温度耐受性性操作时才能实现压电陶瓷材料的希望的性能，这在技术上是难以控制的。小的烧结区间因此造成经济上的缺点，因为相对大量的产品为次品。

基于上述内容，因此本发明的目的是提供基于BNT的不含铅的压电陶瓷材料，所述压电陶瓷材料具有均质细晶结构并且在150℃的温度下具有≥5*10⁸Ω的比绝缘电阻。本发明的另一个目的在于，提供基于BNT的不含铅的压电陶瓷材料，所述压电陶瓷材料具有大的烧结区间，特别是≥40K的烧结区间。