Current status and prospects of lead-free piezoelectric ceramics

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作者
Tadashi Takenaka,Hajime Nagata
出处
期刊:Journal of The European Ceramic Society [Elsevier]
卷期号:25 (12): 2693-2700 被引量:836
标识
DOI:10.1016/j.jeurceramsoc.2005.03.125
摘要

Abstract Dielectric, ferroelectric and piezoelectric properties of perovskite ferroelectric and bismuth layer-structured ferroelectric (BLSF) ceramics are described as superior candidates for lead-free piezoelectric materials to reduce environmental damages. Perovskite type ceramics seem to be suitable for actuator and high power applications that are required a large piezoelectric constant, d 33 (>300 pC/N) and a high Curie temperature, T c (>200 °C). For BaTiO 3 (BT)-based solid solutions, that is, (1 −  x )BaTiO 3 − x (Bi 0.5 K 0.5 )TiO 3 [BTBK − 100 x ] ceramics, the T c increases with increasing the amount of x . BTBK-20 + MnCO 3 0.1 wt.% ceramic shows the high T c than 200 °C and the electromechanical coupling factor, k 33  = 0.35. In the case of a (Bi 1/2 Na 1/2 )TiO 3  −  b BaTiO 3  −  c (Bi 1/2 K 1/2 )TiO 3 [BNBK (100 a /100 b /100 c )] solid solution ceramics, the d 33 and T c are 191 pC/N and 301 °C for the BNBK (85.2/2.8/12), respectively. On the other hand, BLSF ceramics seem to be excellent candidates as piezoelectric sensors for high temperatures and ceramic resonators with high mechanical quality factor ( Q m ), and low temperature coefficient of resonance frequency (TC- f r ). Donor-doped Bi 4 Ti 3 O 12 ceramics such as Bi 4 Ti 3− x Nb x O 12 [BITN- x ] and Bi 4 Ti 3− x V x O 12 [BITV- x ] show high T c than 650 °C. The k 33 value of the grain-oriented (HF) BITN-0.08 ceramic is 0.39 and is able to keep the same value up to 350 °C. Bi 3 TiTaO 9 (BTT)-based solid solution system, Sr x −1 Bi 4− x Ti 2− x Ta x O 9 [SBTT2( x )] (1 ≦  x  ≦ 2), displays the high Q m value (=13500) in (p)-mode at the x  = 1.25 composition.
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