專利名稱：壓電材料、壓電元件、液體排放頭、超聲波電機及灰塵清潔設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及壓電材料。特別地，其涉及無鉛壓電材料。其還涉及使用無鉛壓電材料的壓電元件、液體排放頭、超聲波電機以及灰塵清潔設備。
背景技術：
含鉛的鋯鈦酸鉛(下文中稱為“PZT”)是各種壓電設備中最廣泛使用的壓電材料。 已試圖用無鉛壓電材料替代含鉛壓電材料。這是為了解決如下顧慮含鉛壓電設備一旦被丟棄并暴露于酸雨就會由于壓電材料中的鉛成分可滲入到大地中而對生態(tài)系統(tǒng)造成損害。 因此，做出了壓電材料的各種提議。
無鉛壓電材料的一個示例是具有鎢青銅結構的鈮酸鍶鈣鈉(SCNN)材料。PTLl公開了通過向SCNN添加稀土元素來改進壓電屬性的技術。PTL2公開了通過用鉀取代鈉部位來改進壓電屬性的技術。然而，由于具有鎢青銅結構的晶體的單位晶格的形狀各向異性高， 所以極軸方向僅在c軸方向(S卩，短邊方向)上。相應地，存在較少的可以有助于壓電性的有效磁疇并且壓電屬性令人不滿意。
NPLl公開了通過使用磁場(磁取向)把SCNN定向來改進SCNN的特性的技術。磁取向可以增大有助于壓電性的有效磁疇的數(shù)量。NPL2公開了通用使用磁定向的SCNN來制造原型超聲波電機的示例。然而，該超聲波電機要求施加比由PZT超聲波電機要求的電壓約大10倍的電壓并且具有令人不滿意的特性。
本發(fā)明提供具有高取向度和高壓電屬性的基于鈮酸鍶鈣鈉的無鉛鎢青銅結構金屬氧化物。還提供使用該壓電材料的壓電元件、液體排放頭、超聲波電機、以及灰塵清潔設備。
引用列表
專利文獻
PTLl 日本專利公開 No. 2000-169229
PTL2 日本專利公開 No. 2003-261379
非專利文獻
NPLl日本應用物理期刊，2008年第47卷，第9期，第7693-7697頁
NPL2日本應用物理期刊，2008年，第47卷，第5期，第4242-4247頁發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供壓電材料，包括鎢青銅結構金屬氧化物，包括金屬元素鍶、鈣，鈉和鈮；以及鎢。金屬元素以摩爾計量滿足以下條件
當Sr/Nb = a 時，O. 32 彡 a 彡 O. 430，
當Ca/Nb = b 時，O. 008 彡 b 彡 O. 086，以及
當Na/Nb = c時,O. 180 ^ c ^ O. 200。以金屬計量的鶴含量是相對于鶴青銅結構金屬氧化物的100重量份的O. 40至3. 20重量份。鎢青銅結構金屬氧化物具有C軸取向。本發(fā)明還提供壓電元件，包括第一電極、壓電材料以及第二電極。本發(fā)明還提供包括該壓電元件的液體排放頭、超聲波電機以及灰塵清潔設備。本發(fā)明可以提供包含具有高取向度的基于鈮酸鍶鈣鈉的鎢青銅結構金屬氧化物的壓電材料。由于壓電材料無鉛，所以對生態(tài)系統(tǒng)的影響低。還可以提供具有高耐久性的壓電元件、液體排放頭、超聲波電機以及灰塵清潔設備。


圖IA和IB是通過X光衍射分析在2 Θ - Θ模式中拍攝的壓電材料的衍射圖案。圖2是根據(jù)實施例的壓電元件的示意圖。圖3A和圖3B是示出了根據(jù)實施例的液體排放頭的一個示例的示意圖。 圖4A是示出了根據(jù)實施例的超聲波電機的示意圖。圖4B是示出了根據(jù)另一實施例的超聲波電機的示意圖。圖5A和5B是示出了根據(jù)實施例的灰塵清潔設備的示意圖。
具體實施例方式現(xiàn)在將描述本發(fā)明的實施例。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的壓電材料包括包含以摩爾計量滿足下面條件的金屬元素Sr、Ca、Na以及Nb的鶴青銅結構金屬氧化物；以及W 當Sr/Nb = a 時，O. 320 彡 a 彡 O. 430，當Ca/Nb = b 時，O. 008 彡 b 彡 O. 086，以及當Na/Nb = c 時，O. 180 彡 c 彡 O. 200。以金屬計量的鎢(W)含量是相對于鎢青銅結構金屬氧化物的100重量份的O. 40至3. 20重量份。鎢青銅結構金屬氧化物具有c軸取向。在本發(fā)明中，術語“鎢青銅結構”是指通常已知為四方鎢青銅(TTB)結構的結構，而并非由于電致變色現(xiàn)象而已知的HxWO3 (鎢青銅)或六方鎢青銅(HTB)結構。壓電材料具有鎢青銅結構并含有Sr、Ca、Na以及Nb。認為Sr、Ca和Na占據(jù)A部位,而Nb占據(jù)B部位。當鎢青銅結構由Sr、Ca、Na以及Nb構成時，可以取得高機械品質(zhì)因數(shù)和高壓電性。可以通過例如X光衍射分析來確認壓電材料具有鎢青銅結構。在2Θ-Θ模式中測量的鎢青銅結構的衍射圖案具有可歸屬于靠近2 Θ =22.7°的(001)平面的峰、可歸屬于靠近2 Θ =32.5°的(211)平面的峰、以及可歸屬于靠近2 Θ =46.5°的(002)平面的峰。用語“以摩爾計量”意思是把通過X光熒光分析、感應耦合等離子體(ICP)原子發(fā)射光譜法、原子吸收光譜測量法等確定的鎢青銅結構中含有的元素(比如，Sr、Ca、Na以及Nb)的量轉換為按摩爾的比率。以摩爾計量的Sr對Nb的比率a是O. 320彡a彡O. 430。當比率a小于O. 320時，壓電屬性可能較低。當比率a大于O. 430時，在器件工作期間生成的熱量增加并且特性可能降級。以摩爾計量的Ca對Nb的比率b是O. 008彡b彡0.086。當比率b小于O. 008時，在器件工作期間生成的熱量增加并且特性可能降級。當比率b大于O. 086時，壓電屬性可能較低。以摩爾計量的Na對Nb的比率c是O. 18彡c彡O. 200。當比率c小于O. 18時，壓電屬性可能較低。當比率c大于O. 200時，機械品質(zhì)因數(shù)可能較低并且耐久性可能降級。“以金屬計”的W含量通過以下方式確定通過X光熒光分析、ICP原子發(fā)射光譜法、原子吸收光譜測量法等測量金屬(如，來自鎢青銅結構金屬氧化物的Ba、Bi、Nb以及W)的含量，把構成鎢青銅結構的元素(比如，Sr、Ca、Na以及Nb)的測得含量轉換成基于氧化物
的值，以及確定鎢(W)的重量相對于轉換出的金屬含量的總量的比率。沿著構成晶體的單位晶格的邊延伸的三個軸稱作a軸、b軸以及c軸。通常，鎢青銅結構具有立方單位晶格并且三個軸垂直地彼此相交。每個軸的長度稱作“軸長度”。鎢青
銅結構的c軸長度與a軸長度或b軸長度的約三分之--樣短。在本說明書中，術語“ (001)
平面”是指c軸為法線的平面。在本說明書中，“取向”意思是使對象晶面中的全部或一部分朝向特定方向。“取向度”表明使晶面定向的程度。取向度在存在其中對象晶面朝向特定方向的較多部分時增大。術語“c軸取向”意思是使處于c軸方向上的晶面定向，即，使(001)平面定向。換言之，“c軸取向”和“(001)平面取向”的意思一樣。極軸方向(作為壓電材料的鎢青銅結構的功能發(fā)生軸)是c軸方向。在取得c軸取向時鎢青銅結構金屬氧化物的壓電屬性增強。通常，用化學式Α4_6Β1(ι03(ι表示鎢青銅結構金屬氧化物。在化學式中，A表示占據(jù)A部位的元素。不區(qū)分Al部位(在c軸方向上觀看時12配位箱狀部位)和A2部位(在c軸方向上觀看時15配位五角形部位)。Sr、Ca和Na主要占據(jù)存在于氧八面體周圍的稱為Al部位和A2部位的兩個特定位置中的一個。Al部位和A2部位的數(shù)量總和的最大值是6。在以上化學式中，B表示占據(jù)B部位的元素。五價元素主要占據(jù)B部位。在本發(fā)明中，B主要是Nb并存在于氧八面體內(nèi)部。在本發(fā)明中，鎢(W)有時占據(jù)B部位中的一些B部位但是這并非必要的。含有W的形式可以是氧化物、金屬、或者金屬離子。當壓電材料中含有W時，鎢青銅結構金屬氧化物的介電常數(shù)增大并且壓電常數(shù)隨此而增大。W的并入還在施加磁場時增強磁化率的各向異性能量并改進取向度。這大致由于以下原因。即，當W替代B部位中Nb原子中的一些Nb原子時，單位晶格的所有方向上的磁化率或磁矩經(jīng)歷改變。作為結果，通過單位晶格的不同方向之間的磁化率的差異增強各向異性。此現(xiàn)象大致由六價W離子的離子半徑(O. 062nm)接近Nb的離子半徑(O. 069nm)的事實引起。換言之，W的并入帶來兩個效果增大介電常數(shù)以及改進磁化率。由于壓電材料具有高的c軸取向度，所以其壓電常數(shù)顯著增大。以金屬計量的W含量是相對于鎢青銅結構金屬氧化物的100重量份的O. 40至
3.20重量份。在大于3. 20重量份的W含量，居里溫度會顯著下降。如果居里溫度較低，則極化處理變得困難并可能無法充分展現(xiàn)壓電材料的固有壓電屬性。在小于O. 40重量份的W含量，屬性相比于不含有W時不會改變太多。W含量優(yōu)選地是O. 40至O. 29重量份并更優(yōu)選地是I. 00至2. 90重量份。壓電材料的Lotgering 因子 F(Lotgering factor F)可以是 O. 81 至 I. 00。Lotgering因子是通過X光衍射分析確定的鶴青銅結構金屬氧化物的c軸(或(001))取向度的指標。雖然存在取向度的數(shù)個指標，但在本說明書中使用Lotgering因子F表明取向度。大于O的Lotgering因子F表示對象晶面被定向了。當Lotgering因子F小于O. 81時，存在較少的可以有助于壓電性的有效疇并且壓電屬性不足夠。隨著Lotgering因子F靠近1，生成可以有助于壓電性的更多有效疇，并因此增大壓電常數(shù)。當Lotgering因子F是I時，檢測到的唯一峰是可歸屬于對象晶面的衍射峰。換言之，可通過X光衍射分析檢測的所有晶體被對齊和定向在對象方向上。Lotgering因子F是通過2 Θ - θ X光衍射分析而計算出的。通過使用目標晶面在10°至70°范圍中的2 Θ衍射的X光的累計峰值強度使用下面的等式I來計算F = Cp — P0)/ (I — P。)(等式 I)在等式I中，在c軸取向的情形中，通過使用隨機取向樣本的X光衍射強度(Itl)確定并根據(jù)下面的等式(2)計算Ptl，作為(001)平面(與c軸垂直的所有平面，I = I或2)的衍射強度的總量對總衍射強度的比率P。=Σ I。(001)/Σ I。(hkl)(等式 2)在等式I中，在c軸取向的情形中，通過使用取向樣本的X光衍射強度(I)確定和如對于以上等式(2)那樣根據(jù)下面的等式(3)計算P，作為(001)平面的衍射強度的總量對總衍射強度的比率P =E I (001)/ Σ I (hkl)(等式 3)在壓電材料中鎢青銅結構金屬氧化物可以由(Sr1^xCax) yNa2Nb10030 (O. 020 彡 x 彡 O. 200 且 4. O 彡 y 彡 4. 3)表示。占據(jù)A部位的Ca的摩爾比率X為O. 020彡X彡O. 200。當摩爾比率x小于O. 020時，在器件工作期間產(chǎn)生的熱量增加并且特性可能降級。當摩爾比率X大于O. 200時，在燒結期間可能發(fā)生異常顆粒生長。經(jīng)過異常顆粒生長的燒結材料容易裂縫和斷裂，具有低破裂強度，并因此不適用于設備中。占據(jù)A部位的Sr和Ca的摩爾比率的總和由y表示并且y為4. O彡y彡4. 3。當y小于4. O時，A部位相對于B部位是欠缺的。當A部位有欠缺時，產(chǎn)生缺陷部位并且形成氧缺陷。因此，絕緣屬性和壓電屬性可能受到不利影響。當y大于4. 3時，A部位過剩，這導致電荷不平衡。電荷不平衡可能使絕緣特性大大降級。此外壓電材料可以含有錳(Mn)。以金屬計量的Mn含量可以是相對于鎢青銅結構金屬氧化物的100重量份的O. 10至O. 90重量份。由于壓電材料含有Mn，所以可以在不使Lotgering因子F降級的情況下改進機械品質(zhì)因數(shù)。Mn含量是O. 10至O. 90重量份。當Mn含量小于O. 10重量份時,相比于不含有Mn時屬性不會改變太大。當Mn含量超過O. 90重量份時，壓電屬性可能惡化并可能發(fā)生非鶴青銅結構相。Mn含量可以是O. 10至O. 60重量份。機械品質(zhì)因數(shù)(Qm)是表示把壓電材料評估為振子時由振動引起的彈性損失的因數(shù)。當以電學方式測量機械品質(zhì)因數(shù)的量值時，機械品質(zhì)因數(shù)被觀測作為共振曲線的尖銳度。換言之，機械品質(zhì)因數(shù)是表示振子的共振的尖銳度的因數(shù)。Mn存在的壓電材料區(qū)域沒有限制。錳可以占據(jù)部位或在不占據(jù)部位的情況下處于晶粒邊界(grain boundary)中。Mn的并入形式可以是金屬、氧化物以及金屬離子中的任一種。當以金屬離子的形式并入Mn時，價可以是2、3、4或者6。Ba、Mg、K和Li可以占據(jù)鎢青銅結構金屬氧化物的A部位，除了 Nb以外的元素可以占據(jù)鎢青銅結構金屬氧化物的B部位以便于壓電材料的生產(chǎn)或調(diào)整壓電材料的物理屬性。要被包含在B部位中的元素的示例不僅包括五價金屬元素(諸如Ta和V等)，而且包括三價和四價金屬元素，更具體地為Fe、Al、Ti以及Zr。要被包含在B部位中的這些元素的含量優(yōu)選為所有B部位元素的20mol%或更少以及更優(yōu)選為5mol%或更少?？梢酝ㄟ^增大A部位元素的量來補償B部位元素總價的減小。可以向壓電材料添加諸如Cu、Zn以及Co等元素以便于壓電材料的生產(chǎn)和調(diào)整壓電材料的物理屬性。這種附加元素的量可以是相對于鎢青銅結構金屬氧化物的100重量份的5重量份或更少。當多于5重量份的這樣的元素被添加時，會出現(xiàn)不同于鎢青銅結構的結構，并且絕緣屬性會降低?？梢酝ㄟ^例如Rietveld方法識別占據(jù)壓電材料的各部位的金屬元素。根據(jù)Rietveld方法，不僅可以識別占據(jù)部位的金屬的類型而且可以識別其比率。用于制備壓電材料的方法沒有特別限制?？梢酝ㄟ^燒結使用原材料(如，構成壓電材料的金屬的氧化物、硝酸鹽以及草酸鹽)獲得的粉末或通過注漿(slip-casting)制備的成型體的普通方法制備壓電材料，燒結是在正常壓力下執(zhí)行的?？梢圆捎玫钠渌夹g的示例包括電加熱、微波燒結、毫米波燒結、以及熱等靜壓。從對磁取向的適應性的觀點，可以采用在正常壓力下燒結通過注漿漿體形成的成型體的技術。·用于使壓電材料定向的方法不限于特定方法。例如，可以采用使用刮刀的顆粒定向方法或使用高磁場的磁定向方法。由于可以容易獲得具有c軸取向的成型體，所以優(yōu)選磁定向方法。使用旋轉磁場的磁定向更為優(yōu)選。用于向鎢青銅結構金屬氧化物添加W、Mn等的方法沒有特別限制。例如，可以在使構成鎢青銅結構金屬氧化物的元素混合、煅燒、以及起反應之后添加W。或者，可以使W與構成鎢青銅結構金屬氧化物的元素混合、煅燒和同時起反應。圖2是根據(jù)實施例的壓電元件的示意圖。此實施例的壓電元件包括壓電材料、以及設置在壓電材料上的第一電極和第二電極?？梢园训谝缓偷诙姌O設置在壓電材料的一個表面上或壓電材料的相對表面上以夾持壓電材料。圖3A和圖3B是示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的液體排放頭的一個示例的示意圖。液體排放頭包括壓電元件101。壓電元件101包括第一電極1011、壓電材料1012、以及第二電極1013。根據(jù)如圖3B中所示的需要把壓電材料1012圖案化。圖3B是液體排放頭的示意圖。液體排放頭包括排放口 105、各個液體室102、把各個液體室102連接到排放口 105的連接孔106、液體室壁104、公共液體室107、振動板103、以及壓電元件101。雖然圖中的壓電元件101具有矩形形狀，但它可以具有任何其它形狀，如橢圓、圓形、長方體等。通常，壓電材料1012的形狀對應于各個液體室102的形狀?，F(xiàn)在將參照圖3A詳細描述液體排放頭的壓電元件101和鄰近部分。圖3A是圖3B中示出的液體排放頭在寬度方向上取得的壓電元件的橫截面視圖。雖然壓電元件101的橫截面形狀在此實施例中是矩形，但形狀可以是梯形或倒梯形形狀。在圖中，使用第一電極1011作為下電極，使用第二電極1013作為上電極。然而，第一電極1011和第二電極1013的布置不限于此?？梢允褂玫谝浑姌O1011作為下電極或上電極?？梢允褂玫诙姌O1013作為上電極或下電極。可以在振動板103與下電極之間插入緩沖層108。此處應當注意，組件的這些名稱是根據(jù)制造器件的工藝而被確定的并且本發(fā)明的有益效果可以在任何情形中取得。根據(jù)此液體排放頭，振動板103通過壓電材料1012的膨脹和收縮而上下移動并按壓各個液體室102中含有的液體以使得液體從排放口 105排放。液體排放頭可以用于打印機中和用于電子器件制造。振動板103的厚度是I. O μ m或更大并且是15 μ m或更小，優(yōu)選地是I. 5 μ m或更大并且是8μπι或更小。振動板103的材料沒有限制但是可以是硅。構成振動板的硅可以摻雜有硼或磷。振動板上的緩沖層和電極層可以形成振動板的一部分。緩沖層108的厚度是5nm或更大并且是300nm或更小，更優(yōu)選地是IOnm或更大并且是200nm或更小。排放口 105的尺寸按圓等效直徑是5 μ m或更大并且是40 μ m或更小。排放口 105的形狀可以是圓形但是可以是星形形狀、矩形形狀、或者三角形形狀。 現(xiàn)在將描述使用壓電元件的超聲波電機。圖4A和4B是示出了超聲波電機的實施例的示例的示意圖。圖4A示出了包括由單板構成的壓電元件的超聲波電機。此超聲波電機包括振子201、在來自圖中未示出的增壓彈簧的壓力下鄰接振子201的滑動表面的轉子202、以及與轉子202整體地形成的輸出軸203。振子201包括金屬彈性環(huán)2011、壓電元件2012、以及把壓電元件2012接合到金屬彈性環(huán)2011的有機粘合劑2013 (例如基于環(huán)氧樹脂或氰基丙烯酸脂的粘合劑)。壓電元件2012包括第一電極、第二電極、以及第一與第二電極之間插入的壓電材料(未示出)。當向壓電元件施加兩相AC電壓(相位差31/2)時，在振子201中出現(xiàn)彎曲行波，振子201的滑動表面上的各個點經(jīng)歷橢圓運動。當使轉子202與振子201的滑動表面壓力接觸時，轉子202接收來自振子201的摩擦力并在與彎曲行波相對的方向上旋轉。圖中未示出的要驅(qū)動的對象被接合到輸出軸203并被轉子202的轉動力驅(qū)動。當向壓電材料施加電壓時，壓電材料通過橫向壓電效應膨脹和收縮。當彈性體(如，金屬)與壓電元件相接觸時，通過壓電材料的膨脹和收縮使彈性體彎曲。此處描述的超聲波電機的類型運用此原理。圖4B示出了包括具有多層結構的壓電元件的超聲波電機的示例。振子204包括筒狀金屬彈性體2041和在筒狀金屬彈性體2041之間插入的多層壓電元件2042。多層壓電元件2042是包括圖中未示出的兩層或更多層壓電材料并包括在多層結構的外表面上的第一電極和第二電極和多層結構內(nèi)部的內(nèi)電極的元件。使筒狀金屬彈性體2041與螺栓接合以將多層壓電元件2042固定在其間以形成振子204。當向多層壓電元件2042施加具有彼此不同相的交流電壓時，振子204激勵彼此正交的兩個振動。這兩個振動被組合以在振子204的頂部處形成用于驅(qū)動的圓形振動。注意，在振子204的上部分中形成環(huán)形槽以增大用于驅(qū)動的振動的位移。轉子205由于用于增壓的彈簧206而與振子204壓力接觸并獲得用于驅(qū)動的摩擦力。轉子205被承載體可旋轉地支撐。接下來，描述根據(jù)本發(fā)明的實施例的使用壓電元件的灰塵清潔設備。圖5A和5B是示出了灰塵清潔設備的實施例的示意圖?；覊m清潔設備310包括板狀壓電元件330和振動板320。雖然振動板320的材料沒有限制，但當灰塵清潔設備310要被用于光學設備中時可以在振動板320中使用透明材料或光反射材料。
如上所述，壓電元件可用于液體排放頭、超聲波電機等中。當包含鎢青銅結構金屬氧化物的無鉛壓電材料被用于液體排放頭中時，可以取得比使用含鉛壓電材料的液體排放頭相當或更優(yōu)的噴嘴密度和排放力。當在超聲波電機中使用含有鎢青銅結構金屬氧化物的無鉛壓電材料時，可以取得與使用含鉛壓電材料的超聲波電機相當或更優(yōu)的驅(qū)動力和耐久性。當在灰塵清潔設備中使用含有鎢青銅結構金屬氧化物的無鉛壓電材料時，可以取得與使用含鉛壓電材料的灰塵清潔設備相當或更優(yōu)的灰塵清潔效率。壓電材料還可以用于不同于液體排放頭和電機的設備(諸如超聲波振子、壓電致動器、壓電傳感器、以及鐵電體存儲器等)中。示例現(xiàn)在將通過下面的示例詳細地描述壓電材料。這些示例不限制本發(fā)明的范圍。示例I至8
把碳酸鍶、碳酸鈣、碳酸鈉、氧化鈮、氧化鎢粉末用作原料。該粉末被稱重并且在乳缽中干混。把混合物放置于氧化鋁坩堝中并在1000°C至1200°C在空氣中煅燒2至5小時。從煅燒粉末制備漿體。即，煅燒粉末被粉碎后，與特定量的純水和分散劑混合，并用球磨機分散以得到漿體。然后向衆(zhòng)體施加磁場以進行磁場處理。使用超導磁體(JMTD-10T180,由日本超導技術有限公司生產(chǎn))進行磁場處理。通過超導磁體生成IOT磁場，并且使用能在磁場中被旋轉和驅(qū)動的非磁性超聲波電機在與磁場方向垂直的方向上以30rpm旋轉臺面。在臺面上放置石膏模具，并且把漿體倒入旋轉臺面上的石膏模具中以進行注漿成型。在空氣中在1300°至1400°C在電爐中燒制成型體達6小時。在切削所得燒結體的表面之后，進行通過X光衍射分析(XRD)的結構分析以及通過X-射線熒光分析的成分分析。 圖IA和IB是通過2 Θ - Θ XRD觀察到的圖。圖IA是示例4的壓電材料的XRD圖案并且圖IB是比較例I的壓電材料的XRD圖案。圖案顯示兩個輪廓均為鎢青銅結構金屬氧化物單相的輪廓。當燒結體的全部或幾乎所有部分都由鎢青銅結構晶體組成時使用詞語“單相“。在其中進行磁場處理的示例4中，可歸屬于(001)的峰的強度高，這表明實現(xiàn)了 c軸取向。根據(jù)XRD結果計算出Lotgering因子F以評估(001)取向度。成分分析的結果顯示壓電材料具有由(Sivx，Cax)yNa2Nb10030表示的鎢青銅結構。燒結體被拋光至厚度為Imm并在空氣中在500° C至1000° C被熱處理I小時以除去表面上的有機物質(zhì)。在燒結體的兩個表面上通過DC濺射形成厚度為500 μ m的Au電極。所得產(chǎn)物被使用切割機切割為2. 5mmX IOmm并且用于評估各種電氣特性。通過在硅油中在120° C至200° C施加2至5kV/cm的電壓10分鐘來進行極化。使用d33測量儀(由Piezotest生產(chǎn)的PiezoMeter系統(tǒng))來評估壓電特性。表I示出壓電材料的成分、Lotgering因子F以及d33。在該表中，a表示以摩爾計量的比率Sr/Nb, b表示以摩爾計量的比率Ca/Nb, c表示以摩爾計量的比率Na/Nb, x表示占據(jù)A部位的Ca的摩爾比率，以及y表示占據(jù)A部位的Sr和Ca的摩爾比率之和。在表I中，“W重量份”表示金屬鎢的重量相對于構成鎢青銅結構的元素(如Sr、Ca、Na和Nb)以氧化物計量的總重量的比率，F(xiàn)表示指示(001)面的取向度的Lotgering因子F,以及d33表示壓電常數(shù)d33。比較例I如示例I至8中那樣制備漿體。然后在臺面上放置石膏模具，并且在不進行磁場處理的情況下通過把漿體倒入旋轉臺面上的石膏模具來進行注漿成型。然后與示例I至8 一樣通過燒結獲得比較例I的樣本。與示例I至8 —樣評估比較例I的樣本的電氣特性。獲得的壓電材料的成分、F以及d33如表I中所示。比較例2至4以及6至8 除不使用氧化鎢粉末以外如包括磁場處理的執(zhí)行的示例I至8中那樣獲得成型體。如示例I至8中那樣對每個成型體進行燒結以制備比較例2至4以及6至8的樣本。如示例I至8中那樣評估比較例2至4以及6至8的樣本的電氣特性。獲得的壓電材料的成分、F及d33被不于表I中。比較例5如包括磁場處理的執(zhí)行的示例I至8中那樣獲得成型體。如包括磁場處理的執(zhí)行的示例I至8中那樣對成型體進行燒結以獲得比較例5的樣本。如示例I至8中那樣評估比較例5的樣本的電氣特性。獲得的壓電材料的成分、F以及d33如表I中所示。[表I]
成分
_____，.顰____/j
Sr/NbCa/NbNa/NbW 重量F,
__=a =b=cx__y份_[pC/N]
示例 I__0.3920,0080.2000.0204,001.600.92102
示例 2__0.3200.0800.2000.2004.001.600.93108
示例 3__0.3600.0400.2000.1004,000.400,81101
示例 4__0.3600.0400.2000.1004,001.600.95147
示例 5__0.3600.0400.2000.1004.002.900.97160
示例 6__0.3870.0430.2000.1004.301.600.92103
示例 7__0.4210.0090.2000.0204.301.600.92100
示例 8__0.3440.0860.2000.2004.301.600,90100
比較例 I 0.3600,040~0.2000.1004.001.600.0040,8
比較例 2 0.3920.0080.2000.0204.000.000.4251.1
比較例 3 0.3200,0800.2000.2004.000.000.4448.7
比較例 4 0.3600.0400.2000.1004.000,000.6848,7
比較例 5 0.3600.0400.2000.1004.000.200.6888.2
比較例 6 0.3870.0430.2000.1004.300.000,4447.3
比較例 7 0.4210.0090.2000.0204.300.000,4244.6
比較例 8 0.3440.0860.2000.2004.300.000.4443,7對具有相同成分和相同W含量的不例4 (具有磁場處理)和比較例I (不具有磁場處理)的比較示出通過執(zhí)行磁定向顯著增大了壓電常數(shù)d33。
對具有W含量為I. 60重量份的示例I (具有磁場處理)和不含有W的比較例2 (具有磁場處理 )的比較示出示例I的Lotgering因子F和壓電常數(shù)d33得到提高。在對示例I和比較例2之間、示例2和比較例3之間、示例6和比較例6之間、示例7和比較例7之間以及示例8和比較例8之間的比較中觀察到同樣的趨勢。這些結果暗示當進行磁場處理時，在含有Sr、Ca、Na和Nb的材料系統(tǒng)中W的并入增大Lotgering因子F和壓電常數(shù)d33。接著，對示例3至5 (具有磁場處理)以及比較例4和5 (具有磁場處理)進行比較。除了 W含量以外所有樣本具有相同的成分。比較示出Lotgering因子F和壓電常數(shù)d33隨著W含量而增加。在其中W含量為O. 20重量份的比較例5中，與W的含量為O的樣本相比Lotgering因子F沒有顯著差別。這些結果暗示W(wǎng)含量可以為O. 40至3. 20重量份。在具有W含量為3. 50重量份的樣本中，居里溫度降至100° C。該樣本被極化了但壓電常數(shù)d33為55pC/N，并且因此不能令人滿意。這表明在W含量大于3. 20時居里溫度顯著降低并且該材料不適于實際應用。這些結果還暗示占據(jù)A部位的Ca的摩爾比率X的范圍可以為O. 020彡X彡O. 200，并且占據(jù)A部位的Sr與Ca的摩爾比率之和y的范圍可以為
4.O ^ y ^ 4. 3o考慮到以上，表I示出當進行了磁場處理時在含有Sr、Ca、Na和Nb的材料系統(tǒng)中W的并入增大Lotgering因子F和壓電常數(shù)d33。示例9至11這些示例的壓電材料與前述的壓電材料不同之處在于還添加了錳(Mn)。把碳酸鍶、碳酸鈣、碳酸鈉、氧化鈮、氧化錳和氧化鎢粉末用作原料。粉末被稱重并且在乳缽中干混。然后把混合物放置于氧化鋁坩堝中并在1000°c至1180°C下在空氣中煅燒2至5小時。如包括磁場處理的執(zhí)行的示例I至8中那樣制備漿體并使之成型。在空氣中以1280°至1400°C在電爐中燒制成型體6小時。如示例I至8中那樣進行結構和成分分析以及電氣特性的評估。成分分析的結果顯示獲得的壓電材料具有由(Sivx，Cax)yNa2Nb10030表示的鎢青銅結構。表2示出獲得的壓電材料的成分、F和d33。在該表中，a表示以摩爾計量的比率Sr/Nb, b表示以摩爾計量的比率Ca/Nb, c表示以摩爾計量的比率Na/Nb, x表示占據(jù)A部位的Ca的摩爾比率，以及y表示占據(jù)A部位的Sr和Ca的摩爾比率之和。在表I中，“W重量份”表示金屬鶴的重量相對于構成鶴青銅結構的元素(如Sr、Ca、Na和Nb)以氧化物計量的總重量的比率；“Mn重量份”是指金屬錳的重量相對于構成鎢青銅結構的元素(如Sr、Ca、Na和Nb)以氧化物計量的總重量的比率；F表示指示(001)面的取向度的Lotgering因子F，以及d33表示壓電常數(shù)d33。比較示例9至11除不使用氧化鎢粉末以外如包括磁場處理的執(zhí)行的示例9至11中那樣獲得成型體。如示例9至11中那樣對成型體進行燒結以獲得比較例9至11的樣本。如示例9至11中那樣評估比較例9至11的樣本的電氣特性。獲得的壓電材料的成分、F以及d33示出在表2中。
[表2]
權利要求
1.一種壓電材料，包括鎢青銅結構金屬氧化物，包括金屬元素鍶、鈣、鈉和鈮；以及鎢，其中，金屬元素以摩爾計量滿足以下條件當 Sr/Nb = a 時，O. 320 彡 a 彡 O. 430，當 Ca/Nb = b 時，O. 008 彡 b 彡 O. 086，以及當 Na/Nb = c 時，O. 180 彡 c 彡 O. 200 ;以金屬計量的鎢含量相對于鎢青銅結構金屬氧化物的100重量份是O. 40至3. 20重量份；以及鎢青銅結構金屬氧化物具有c軸取向。
2.根據(jù)權利要求I所述的壓電材料，其中，壓電材料具有大于等于O.81且小于等于I.00的Lotgering因子F,其中，Lotgering因子F表示通過X光衍射分析確定的c軸取向度。
3.根據(jù)權利要求I或2所述的壓電材料，其中，鎢青銅結構金屬氧化物由(SivxCax)yNa2Nb10030 (O. 020 ≤X ≤O. 200, 4. O ≤y ≤4. 3)表不。
4.根據(jù)權利要求I至3中任一項所述的壓電材料，還包括猛，其中以金屬計量的錳含量相對于鎢青銅結構金屬氧化物的100重量份是O. 10至O. 90重量份。
5.—種壓電兀件,包括第一電極；壓電材料；以及第二電極，其中，壓電材料是根據(jù)權利要求I至4中任一項所述的壓電材料。
6.一種液體排放頭，包括根據(jù)權利要求5所述的壓電元件。
7.—種超聲波電機,包括根據(jù)權利要求5所述的壓電元件。
8.一種灰塵清潔設備，包括根據(jù)權利要求5所述的壓電元件。
全文摘要
提供包含具有高取向度的基于鈮酸鍶鈣鈉的鎢青銅結構金屬氧化物的壓電材料。還提供包括壓電材料的壓電元件、液體排放頭、超聲波電機、以及灰塵清潔設備。壓電材料包括鎢青銅結構金屬氧化物，包括金屬元素鍶、鈣、鈉和鈮；以及鎢。金屬元素以摩爾計量滿足以下條件當Sr/Nb＝a時，0.320≤a≤0.430，當Ca/Nb＝b時，0.008≤b≤0.086，以及當Na/Nb＝c時，0.180≤c≤0.200。以金屬計量的鎢含量相對于鎢青銅結構金屬氧化物的100重量份是0.40至3.20重量份。鎢青銅結構金屬氧化物具有c軸取向。
文檔編號C04B35/495GK102934249SQ201180027720
公開日2013年2月13日 申請日期2011年6月7日 優(yōu)先權日2010年6月10日
發(fā)明者林潤平, 松田堅義, 渡邊隆之 申請人:佳能株式會社