[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JP62202576(BNT-BT和BNT-BKT)和DE 19530592C2(BNT-BT-CT)。Takenaka(SensorandMaterials；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US 2002/014196A1、EP1231192A1。

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。JP2004-075449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。

通过权利要求1的特征组合，以及制备相应压电陶瓷材料的方法和通过基于根据 本发明的材料制备的压电陶瓷体或多层致动器实现本发明的目的。

因此，出发点是基于钛酸铋钠的并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

x(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-yBaTiO₃-zSrTiO₃，其中x+y+z＝1

并且0<x<1，0<y<1，0≤z≤0.07

优选0<x<1，0.1<y<0.25，0≤z≤0.07

更优选0<x<1，0.1≤y≤0.20，0≤z≤0.03

或

x(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-yBaTiO₃-zCaTiO₃，其中x+y+z＝1

并且0<x<1，0<y<1，0<z≤0.05

优选0<x<1，0.1<y<0.25，0<z≤0.05

更优选0<x<1，0.1≤y≤0.20，0<z≤0.02

或