無鉛圧電セラミックス材料の開発

1998 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 09650737
• 研究機関: 東京理科大学
• 研究代表者: 竹中 正 東京理科大学, 理工学部, 教授 (70096709)
• キーワード: 無鉛圧電セラミックス / 強誘電体 / 電気機械結合係数 / ビスマスプロブスカイト / チタン酸ビスマスナトリウム / スカンジウム

研究概要

廃棄処理問題に関して有害性が指摘されている酸化鉛(PbO)を含まない環境にやさしい無鉛圧電セラミックスの実用化に貢献できる圧電材料開発の一貫として、チタン酸ビスマスナトリウム(Bi_<1/2>Na_<1/2>)TiO_3[BNT]系各種固溶体組成からなる強誘電体セラミックスの物理的および電気的諸特性を詳細に調査し、圧電諸特性に及ぼす固溶体や添加物の効果を考察することによって、圧電性と置換イオンとの関係を系統的に調べることを目的とした。
次に示すチタン酸ビスマスナトリウム(Bi_<1/2>Na_<1/2>)TiO_3[BNT]3成分系固溶体強誘電体
(Bi_<1/2>Na_<1/2>)TiO_3 -KNbO_3-1/2(Bi_2O_3・Sc_2O_3)[KTNS]
(Bi_<1/2>Na_<1/2>)TiO_3 -BaTiO_3-BiFeO_3[BNBTF]
のセラミックス試料をそれぞれ通常のセラミックス焼成技術により,作製した。得られたセラミックス試料の物理的および電気的諸特性を詳細に調べた結果、次のことがわかった。
KTNS系では、BNT近傍組成の結晶系は菱面晶のペロブスカイト構造単一相で、菱面晶から斜方晶への相境界(MPB)は観察されなかった。キュリー温度Tcは、BNTに対して1/2(Bi_2O_3・Sc_2O_3)の固溶量が増加すると高温側にシフトし、KNbO_3の固溶量が増加すると低温側にシフトした。抗電界Ecは、1/2(Bi_2O_3・Sc_2O_3)が増加すると上昇し、KNbO_3が増加すると低下する傾向がみられ、Tcの結果と相関がみられた。また、縦結合の電気機械結合係数k33は、組成に応じて、0.42〜0.47を示した。一方、BNBTF系では共振周波数温度係数が低減した。このように、BNT系セラミックスは、縦結合の圧電性が横結合よりも大きく、従来のPZT系に比べて誘電率が比較的小さいなどの特長を有し、環境にやさしい無鉛圧電セラミックスとしての有力な候補になると考えられる。

研究成果

• [文献書誌] T.Takenaka and T.Sasaki: "“New Bismuth Layer-Structured Ferroelectrics with Niobium Ions as Bsite"" Ferroelectrics. 201. 117-126 (1997)
• [文献書誌] 永田、羽田、坂口、竹中、田中: "PLZTセラミックスとAg電極間の反応および拡散" 日本セラミックス協会学術論文誌. 105. 805-810 (1997)
• [文献書誌] H.Nagata and T.Takenaka: "“Lead-Free Piezoelectric Ceramics of(Bi_<1/2>Na_<1/2>)TiO_3ー1/2(Bi_2O_3・Sc_2O_3)System"" Jpn.J.Appl.Phys. 36,Part1,No.9B. 6055-6057 (1997)
• [文献書誌] T.Tsurumi,Y.Kumano,N.Ohashi,T.Takenaka and O.Fukunaga: "“90°Domain Reorientation and Electric-Field-Induced Strain of Tetragonal Lead Zirconate Titanate Ceramics" Jpn.J.Appl.Phys.". 36,Part1,No.9B. 5970-5975 (1997)
• [文献書誌] 竹中正: "非鉛系圧電セラミックス" Fine Ceramics Report. 15(6). 116-120 (1997)
• [文献書誌] Scott L.Swartz, Thomas R.Shrout and Tadashi Takenaka: "“Electronic Ceramics R&D in the U.S.,Japan --- Part I:Patent History"" The American Ceramic Society Bulletin. 76(7). 59-65 (1997)
• [文献書誌] Scott L.Swartz, Thomas R.Shrout and Tadashi Takenaka: "“Electronic Ceramics R&D in the U.S.,Japan --- Part II:Japanese View"" The American Ceramic Society Bulletin. 76(8). 51-55 (1997)
• [文献書誌] H.Nagata and T.Takenaka: "“(Bi_<1/2>Na_<1/2>)TiO_3ーbased Non-lead Piezoelectric Ceramics"" J.Korean Phys.Soc.32. S1298-S1300 (1998)
• [文献書誌] T.Takenaka: "“Bismuth Layer-Structured Ferroelectrics for Electronic Ceramics"" Proc.US-Japan Workshop on Electrically Active Ceramic Interfaces (US-Japan Workshop on Functional Fronts in Advanced Ceramics). 21-25 (1998)
• [文献書誌] T.Takenaka and H.Nagata: "“Present Status of Non-Lead-Based Piezoelectric Ceramics"" Electroceramice in Japan I(Proceedings of the 17th Electronics Division Meeting of the Ceramic Society of Japan). 57-63 (1998)
• [文献書誌] H.Nagata and T.Takenaka: "“Lead-Free Piezoelectric Ceramics of (Bi_<1/2>Na_<1/2>)TiO_3-KNbO_3ー1/2(Bi_2O_3・Sc_2O_3)System"" Jpn.J.Appl.Phys.37,Part 1,No.9B. 5311-5314 (1998)
• [文献書誌] K.Komura, H.Nagata and T.Takenaka: "“Ferroelectric Properties of Bismuth Layer-Structured Oxides"" Ferroelectrics. 218. 233-240 (1998)
• [文献書誌] T.Takenaka and H.Nagata: "“Ferroelectric and Piezoelectric Properties of Lead-Free Bi_<1/2>Na_<1/2>)TiO_3-KNbO_3ー1/2(Bi_2O_3・Sc_2O_3)Ceramics"" Proceedings of The 11th International Symposium on the Applications of Ferroelectrics (ISAF XI '98). 掲載決定. (1999)
• [文献書誌] T.Takenaka: "“Piezoelectric Properties of Some Lead-Free Ferroelectric Ceramics" Ferroelectrics". 掲載決定. (1999)
• [文献書誌] H.Nagata, N.Koizumi and T.Takenaka: "“Lead-Free Piezoelectric Ceramics of (Bi_<1/2>Na_<1/2>)TiO_3-BaTiO_3-BiFeO_3 System"" Ferroelectrics. 掲載決定. (1999)
• [文献書誌] 竹中 正(分担執筆): "季刊 化学総説 No.32(1997) 「ペロブスカイト関連化合物-機能の宝庫-」 全223ページ中、pp.182-194(13ページ)執筆 第5編 第18章 圧電・焦電セラミックス" 日本化学会/学会出版センター 日本化学会(編), (1997)