[发明专利]展现源自可逆相变的电场诱导应变的陶瓷材料的识别方法、制备方法和由其可得的陶瓷材料

说明书

本发明涉及多种钙钛矿型化合物的固溶体陶瓷材料的识别方法，所述固溶体陶瓷材料展现源自可逆相变的电场诱导应变；以及涉及此类陶瓷材料的制备方法和由该方法可获得的陶瓷材料。特别是，本发明指向至少三种钙钛矿型化合物的固溶体陶瓷材料的识别方法，该固溶体陶瓷材料展现源自可逆相变的电场诱导应变；所述方法包括以下步骤：i)确定至少一种四方钙钛矿型化合物相对于至少一种非四方钙钛矿型化合物的摩尔比，当它们组合以形成固溶体时，提供包含轴比c/a为大于1.005至1.04之间的四方相占主要比例的陶瓷材料；和ii)确定至少一种另外的非四方钙钛矿型化合物相对于来自步骤i)的钙钛矿型化合物的组合的摩尔比为确定的摩尔比，当它们组合以形成固溶体时，提供包含轴比c/a为0.995～1.005和/或菱形体角为90±0.5度的赝立方相占主要比例的陶瓷材料。

技术领域

本发明涉及多种钙钛矿型化合物的固溶体陶瓷材料的识别方法，以及此类陶瓷材料的制备方法和可由其获得的陶瓷材料，所述固溶体陶瓷材料展现源自可逆相变的电场诱导应变。特别地，本发明的方法包括确定提供可以经历从赝立方相至四方相的电场诱导可逆相变的固溶体陶瓷材料的至少一种四方钙钛矿和至少一种非四方相的摩尔比。

背景技术

许多包括例如机械继电器、数码相机和喷墨打印机等的装置需要致动器材料以产生电场致应变。致动器材料的组成和晶体结构对于确定致动器特性是至关重要的。一般的致动器材料包括当暴露于外部电场时形状发生物理变化的压电材料。然而，不是必然展现压电效应的介电材料也可以潜在地用作致动器。

原则上，所有介电材料均展现电致伸缩，其特征在于，在电场的施加下形状变化。电致伸缩通过在暴露于外部电场时离子在晶格内的位移而产生；正离子沿电场的方向位移和负离子沿相反的方向位移。该位移在整个块状材料中累积并且导致在电场方向上的总体宏观应变(伸长)。由此，在施加外部电场时，介电材料的厚度将在以泊松比为特征的正交方向上减小。与仅在某类电介质中观察到的主要线性效应的相关压电效应相比，已知电致伸缩为二次效应。

致动器材料的关键性能特征包括装置操作中的有效压电系数d₃₃*、d₃₃*的温度依赖性和d₃₃*的长期稳定性。锆钛酸铅(PZT)、Pb(Zr_xTi_1-x)O₃、及其相关固溶体为众所周知的一类已广泛用于利用压电驱动的应用中的陶瓷钙钛矿型压电材料。然而，由于新出现的环境法规，驱动开发新的无铅致动器材料。

对于潜在的致动器应用，可选择的无铅介电材料的电场致应变行为受到了明显的关注，其实例包括(K,Na)NbO₃系材料、(Ba,Ca)(Zr,Ti)O₃系材料和(Bi,Na,K)TiO₃系材料。具有钙钛矿型结构的陶瓷在这方面已经特别受关注。构成原子使晶胞容易变形，产生各种铁电活性非立方钙钛矿相，例如具有四方、菱方、正交或单斜对称的那些。对取代原子的相对大的空间耐受性有利于化学改性，使得能够定制功能特性。当施加外部电场时，这些钙钛矿型结构的陶瓷随着其宏观极化态的变化而变形。