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超音波水熱合成粉末による鉛フリー圧電材料の研究

研究課題

研究課題/領域番号 11J02974
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 環境技術・環境材料
研究機関東京大学

研究代表者

前田 孝文  東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2011 – 2013
研究課題ステータス 完了 (2013年度)
配分額 *注記
2,000千円 (直接経費: 2,000千円)
2013年度: 600千円 (直接経費: 600千円)
2012年度: 600千円 (直接経費: 600千円)
2011年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
キーワード圧電セラミックス / 非鉛化 / 水熱合成 / ニオブ酸カリウムナトリウムトリウム / 水熱合成法 / ニオブ酸カリウムナトリウム / 無鉛
研究概要

非鉛圧電セラミックスの代表として, 優れた圧電特性と温度特性を持つ(K, Na) NbO_3(以下KNN)セラミックスに注目した. 通常, 圧電セラミックスは固相反応法を用いて原料となるセラミックス粉末を得る. しかし, KNNの合成で, 固相反応法を用いて高品質なセラミックス粉末を得ることは困難である. まず, 原料粉末の炭酸カリウムには潮解性があるため, 精密な秤量が困難である. また, 仮焼きの際にNaとKが蒸発し, 合成後の粉末中のNbと(K+Na)の組成が1:1にならないため, 得られる焼結体の誘電損失が増加する. さらに, ボールミル処理では, 毎回20時間以上かかること, 不純物が混入することが問題である. そこで, 水熱合成法を用いて粉末の合成を行うことで, それらの問題を解決できる. 水熱合成法はイオン反応を利用しており, 最終的に得られるKNbO_3中のNbとKの組成比は自動的に1:1となる. さらに, 水溶液中のイオン反応において微細な粉末を得ることができることも報告されている. 本研究では高品質粉末が合成できる水熱合成法を用いて, KNN系セラミックスの合成実験を行った. また, 合成した材料をハイドロホンとしての応用も行った.
水熱合成法によって得たKNbO_3, 粉末とNaNbO_3粉末にLiNbO_3を粉砕することで得られたLiNbO_3粉末を添加し, 圧電特性の制御を行った. その結果, (Li, K, Na) NbO_3セラミックスは高い圧電定数d_<33>=203pC/Nを示し, キュリー点は482℃であった. 水熱合成法による(K_<0.48>Na_<O. 52>)NbO_3セラミックス焼結体は密度98%以上の高密度焼結体が得られ , 優れた圧電出力定数g_<33>=28.8×10^<-3>Vm/Nを示し, キュリー点温度がTc>420℃と高く, 温度に対する動作範囲が広いこと, Qm値が低いために広範囲の周波数での応答が滑らかなソフトな材料であった. (Ko_<48>Nao_<52>)NbO_3をハイドロホンとして応用すると, PZTのハイドロホンと互換性のある出力が得られることが分かった. また, ハイドロホンとして応用できたことで, ソナーのようなトランスデューサや, 医療用超音波診断装置などに用いることができると期待できる.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

(抄録なし)

今後の研究の推進方策

(抄録なし)

報告書

(3件)
  • 2013 実績報告書
  • 2012 実績報告書
  • 2011 実績報告書
  • 研究成果

    (8件)

すべて 2013 2012 2011

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (6件)

  • [雑誌論文] Piezoelectric Properties of Li-Doped (Ko. 48Nao. 52)Nb03 Ceramics Synthesized ITgincy Hvdrothermallv-Derived KNbOs and NaNbQa Fine Powders2012

    • 著者名/発表者名
      Takafumi Maeda, Tobias Hemsel, Takeshi Morita
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 51 号: 9S2 ページ: 09MD08-09MD08

    • DOI

      10.1143/jjap.51.09md08

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Improved Process for Hydrothermal Lead-Free Piezoelectric Powders and Performances2011

    • 著者名/発表者名
      Takafumi Maeda, Tobias Hemsel, Takeshi Morita
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 50 号: 7S ページ: 07HC01-07HC01

    • DOI

      10.1143/jjap.50.07hc01

    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Piezoelectric applications of hydrothermal (K_<0.48>Na_<0.52>)NbO_3 ceramics2013

    • 著者名/発表者名
      Takafumi Maeda, Peter Bommann, Tobias Hemsel, Takeshi Morita
    • 学会等名
      IWPMA 2013
    • 発表場所
      Hannover, Germany
    • 年月日
      2013-07-16
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Hydrothermal (K, Na) NbCb ceramics for hydrophone sensor2012

    • 著者名/発表者名
      Takafumi Maeda
    • 学会等名
      International Ultrasonics Symposium 2012
    • 発表場所
      Dresden, (Germany)
    • 年月日
      2012-10-09
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Piezoelectric Applications of hydrothermal lead free (Kn 48Na0.52)Nbo3ceramics2012

    • 著者名/発表者名
      Takafumi Maeda
    • 学会等名
      64th ICAT Smart Actuator Symposium
    • 発表場所
      State Colledge (USA)(招待講演)
    • 年月日
      2012-10-01
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Piezoelectric Properties of Lithium modified Potassium Sodium Niobate ceramics Synthesized by Hydrothermal Method2011

    • 著者名/発表者名
      Takafumi Maeda, Yuriko Yokouchi, Tobias Hemsel, Takeshi Morita
    • 学会等名
      International Conference on Advanced Electromaterials 2011
    • 発表場所
      Jeju, Korea
    • 年月日
      2011-11-10
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] 水熱合成を用いたMnドープ(K,Na)NbO_3非鉛圧電セラミックスの合成2011

    • 著者名/発表者名
      横内友理子, 前田孝文, Peter Bornmann, Tobias Hemsel, 森田剛
    • 学会等名
      日本電子材料技術協会第48回秋期講演大会
    • 発表場所
      東京(明治大学)
    • 年月日
      2011-11-10
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] Synthesis of piezoelectric materials by ultrasonic hydrothermal method2011

    • 著者名/発表者名
      Gaku ISOBE, Ryo AGEBA, Takafumi MAEDA, Peter BORNMANN, Tobias HEMSEL, Takeshi MORITA
    • 学会等名
      International Congress on Ultrasonics
    • 発表場所
      Gdansk, Poland
    • 年月日
      2011-09-10
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書

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公開日: 2011-12-12   更新日: 2024-03-26  

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