研究課題
近年、環境問題から電子材料や電子部品に含まれる鉛などの有害元素の使用を禁止する法律が欧州で施行されるに伴い、圧電材料も非鉛化が急速に要求されている。本研究では、非鉛系圧電材料の分野で最も強く求められている非鉛圧電アクチュエータ材料を新しく開発することを目的とする。アクチュエータなどのハイパワー応用分野では、圧電特性の最低条件として、圧電定数d_<33>>300pC/Nおよび動作温度範囲を示すキュリー点T_c>200℃が要求されるが、その候補として、(Bi_<1/2>Na_<1/2>)TiO_3[BNT]、(Bi_<1/2>K_<1/2>)TiO_3[BKT]およびBaTiO_3[BT]の三成分固溶体系が有力である。昨年度は、大きな圧電性を得るのにたいへん有効な多系相境界(Morphotropic Phase Boundary, MPB)付近の組成に注目し、T_cが300℃程度で、かつ、(d_<33>=190pC/Nという非鉛圧電セラミックスの中では比較的大きな値を見出したが、このMPB近傍組成は、反強誘電(AF)相から強誘電相に相転移する第2相転移点T_2が120℃付近に存在するため、動作温度はそれ以下に限られてしまう。本年度は、この三成分系x[BNT]-y[BKT]-z[BT](x+y+z=1)[以下、BNBKy:z(x)と略す]で、BKT:BT比を一定とし、BNT量(x)を変化させることでAF相転移温度の高温化を試みた。さらに、その最適組成を利用して、圧電アクチュエータを試作し、アクチュエータ特性を調査した。BNBK4:1(0.852)[MPB組成]、BNBK4:1(0.75)ならびにBNBK2:1(0.78)の(33)振動モード電気機械結合係数k_<33>の温度依存性より、BKT:BT比が2:1と比較して、4:1ではk_<33>の減少割合が大きい。また、BNT量xを減らした正方晶側の組成は200℃付近まで動作可能で、T_2の高温化が達成できた。さらに、電界冷却法で分極処理を施したBNBK2:1(0.78)ではk_<33>=0.474、d_<33>=140.2pC/Nが得られ、BNBK2:1(0.72)[k_<33>=0.462、d_<33>=127.9pC/N]とともに、k_<33>およびd_<33>の値が、通常分極法に比べて改善された。また、歪み-電界特性では、電界10kV/mm印加時の最大歪みは0.17%で、非鉛系圧電材料の中では大きな値であり、圧電特性を維持する動作温度は200℃を超え、非鉛系圧電セラミックス材料としてのBNBKは温度特性の面からもより実用化に近づいたといえる。
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