JPH04124887A - 強誘電性複合材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は強誘電性複合材料およびその製造方法に関する
。

〔従来の技術〕

一般に、強誘電性材料はその電気的性質に着目してコン
デンサ等の誘電体として用いられたり、機械的性質に着
目して圧電アクチュエータ等の圧電素子として用いられ
ている。

このような強誘電性材料をセラミックスによって製する
ことが提案されている。この場合、今日においては、強
誘電性材料の電気的性質とともに機械的性質も、更に一
層向上することが要望されている。

そこで、従来においては、セラミックス類の強誘電性材
料の機械的性質の向上を図るため、セラミックスの微粒
子化を行なう等の種々の工夫が為されている。

例えば、強誘電体材料の１種であるジルコン醸ヂタン酸
鉛（以下、ＰＺＴと称する）にアルミナＩｌｌ等のセラ
ミックスの繊維を添加することによって、機械的性質の
向上を図っている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、前記従来手段によっては、強誘電性材料
の機械的性質は多少の向上は確認されているけれども、
絶縁物の１種であるセラミックスの繊維を添加している
ため、電気的性質を示す誘電率（ε３３／ε。）および
誘電損失（ｔａｎδ）は、第４図および第５図に示すよ
うに、アルミナの添加量の増加に応じて減少している。

このように従来の強誘電性材料には、その機械的性質が
大きく向上しないばかりでなく、その上更に電気的性質
まで低下してしまうという問題点があった。

本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、セラ
ミックスを混入させても強誘電体材料本来の電気的性質
を維持若しくは向上させることができ、しかも、機械的
性質を大きく向上させることのできる強誘電性複合材料
と、これを確実に製造することのできる製造方法とを提
供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

前記目的を達成するために、本発明の強誘電性複合材料
は、強誘電体材料の母相中に、その強誘電体材料に対す
る重１比が２０％以下の分散材料を分散相として分散さ
せてナノ・コンポジット状に形成されていることを特徴
とする。

また、本発明の強誘電性複合材料の製造方法は、飯炊後
粉砕された母相となる強誘電体材料と、分散相となる液
状の分散材料とを混合し、この混合物を所定の形状に成
形し、その後焼結させることにより、前記強誘電体材料
の母相中に前記分散材料を分散相として分散させたナノ
・コンポジット状の強誘電性複合材料を製することを特
徴とする。

〔作　用〕

本発明の強誘電性複合材料は、強誘電体材料からなる母
相の結晶粒子径を保ちながら、その母相の結晶粒子中ま
たは粒子の粒界部分に、ナノメートル単位の非常に小さ
い粒径を有する分散材料が分散されたナノ・コンポジッ
トであるため、強誘電体材料の本来の電気的性質を維持
若しくは大きく向上させ、更に機械的性質も大きく向上
させたものとなる。

また、本発明の強誘電性複合材料の製造方法によれば、
液状の分散材料を母相となる強誘電体材料と混合させる
工程を設けているため、前記したような優れた電気的性
質および機械的性質を備えているナノ・コンポジット状
の強誘電性複合材料を確実に製することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図から第３図について説明
する。

本発明の強誘電性複合材料は、母相となる強誘電体材料
を仮焼きした後に粉砕し、この強誘電体材料の粉末に分
散相となる液状の分散材料を混合し、その後、混合物を
所定の形状に成形し、焼結させることによって製せられ
る。

更に具体的な実施例を説明する。

実施例 本実施例は、母相となる強誘電体材料とじてＰＺＴを用
い、分散相となる分散材料としてアルミナを用いている
。

１）　製造方法 製造工程に従って説明すると、先ず、ＰＺＴ粉末を製す
る。即ち、ＰｂＯ１ＴｉＯ１ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｍ
ｇ０ＳＮｉＯ２およびＭｎＯ２の各素材を、組成式０．
４３５ＰｂＴ＋０３＋０．４４ＰｂＺｒＯ３＋０．１２
５（ＭＱ１／３Ｎｂ　　　　）Ｏ→−０，５（ｗｔ％）
ＮｉＯ＋０．５（ｗｔ％）ＭｎＯ２に合わせて秤量し、
ポリエチレン製ボールミル内で純水を用いて所定時間湿
式混合を行なう。次にこの混合物を乾燥し、その後所定
の仮焼１度で仮焼を行なう。この仮焼されたＰＺＴを純
水を用いて湿式粉砕を行なった後に乾燥させて、ＰＺＴ
の粉末を製する。

次に、このＰＺＴの仮焼された粉末に対して、分散材料
であるアルミナを含んでいる液状のアルミナゾルを、Ｐ
ＺＴに対して２Ｑｗｔ％以下の重置割合となる量を加え
、所定時間湿式混合を行なう。

本実施例においては、アルミナのＰＺＴに対する重量比
を０，０．１．０．５．１．０．３．０．５．０，１０
．０および２０．０の８種類の組成とした。

次に、ＰＺＴとアルミナとの混合物を乾燥させた後に、
水をバインダーとして、直径１４ｍ５＋、厚さ３履の形
状にプレスによって１００ＯＫ！ｉ／ｃｉの圧力で一次
成形し、その援受に冷間等方用ニブレス（ＣＩＰ）によ
って２５００ＦＪｉ／Ｃｉの圧力で二次成形する。また
、抗折強度測定用として、４９履×２９履Ｘ８ａｗ＋の
形状を有するブロックを同様の方法によって製する。

次に、成形された混合物をアルミするつぼ内に密封し、
約１１００℃以上の所定温度で焼結して、本発明の強誘
電性複合材料の試料を製する。

２）　試験資料の作成 前記のようにして製せられた本実施例の強誘電性複合材
料の試料から後述する試験を行なうために、円形の前記
試料を平面研磨によって厚さを１履とした後に、両面に
それぞれ銀ペーストを印刷し、９００℃で焼付けて試験
試料１とする。

この銀電極が付いている試ＷＩＡ資料１を、１２０℃の
シリコンオイル中で２．ＯＫＶ／ａｗ＋の電界の下で６
０分間分極処理を施して試験資料２とする。

また、抗折強度測定のブロックを加工して、３履×４履
×３６厘の試験資料３を製する。

次に、このようにして製せられた本実施例の強誘電性複
合材料について説明する。

１）　組織 ＰＺＴに対するアルミナの重量比が１．０ｗ１％の強誘
電性複合材料の試料を鏡面研磨した後に、その表面に金
をスパッタして、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により撮
影した組織は、第１図に示すように、ＰＺＴからなる母
相の粒子内および粒子間に、ナノメートルオーダーの極
めて微細なアルミナからなる分散材料が均等に分散され
ており、確かにナノ・コンポジット状であることが判る
。

更に、組織の化学的組成を確認するために、第２図に示
すように、試料を左右方向の白線に沿ってエネルギ分散
型Ｘ線分析装Ｗ１（ＥＤＡＸ）によって線分析を行なっ
たところ、第３図の白点部分に示すように、分散相部分
はアルミブの化学組成を示すレベルにあり、実際にＰＺ
Ｔとアルミナとによるナノ・コンポジットが製せられて
いることが確認された。

他の重量比の強誘電性複合材料も同様にナノ・コンポジ
ット状に形成されていた。

２）　電気的性質と機械的性質 電気的性質としてＩ！誘電率ε３３／ε０）と誘電損失
（ｔａｎδ）を測定し、機械的性質として広がり振動の
電気機械結合係数（Ｋｒ）と機械的品質係数（広がり振
動’）（Ｑｍ）を測定した。これらの測定項目は、それ
ぞれ電子材料工学会標準規格ＥＭＡＳ−６００１に基づ
いて測定し、誘電特性および圧電特性は、ベクトルイン
ピーダンスメータを用いて室温で測定した。

その結果は、誘電材料として利用されるポーリング前の
前記試験資料１については、第１表の通りであった。圧
電材料として利用されるポーリング後の前記試験資料２
については、第２表の通りであった。第１表中の誘電率
の計算値は、ＰＺＴおよびアルミナの誘電率を９３０お
よび１０として、所定の計算式によって求めたものであ
る。

電気的性質が重要とされる誘電材料について、第１表に
基づいて本実施例を評価すると、アルミナの混合割合が
約４．５ｗｔ％まで増加する間において、誘電率がＰＺ
Ｔ自身の誘電率より増大しており、計算値よりはるかに
大きいものであり、強誘電性複合材料として極めて優れ
たものである。

このように誘電率が上昇するのは、ＰＺＴの粒子内にア
ルミナがナノメートルのオーダーの粒子大で分散するこ
とにより、内部応力が変化するためであると考えられる
。すなわち、誘電体には内部応力として圧縮力が作用し
ているとされている。

一方、ＰＺＴの結晶粒子内にＰＺＴより熱膨張係数の大
きいアルミナを分散させるナノ・コンポジットとするこ
とにより、前記圧縮力を相殺する引張力が働くためであ
ると考えられる。特に、アルミナの混合割合が１．０〜
３．０ｗ１％の部分に誘電率のピークが存するのは、他
の混合割合よりもアルミナのＰＺＴの結晶粒子中への分
散状態がより均一であるからである。

機械的性質が重要とされる圧電材料について、第２表に
基づいて本実施例を評価すると、広がり振動の電気機械
結合係数Ｋｒが、アルミナの混合割合が約４．５ｗｔ％
まで増加する間、ＰＺＴ自身の値よりも増大しており、
また、機械的品質係数（広がり振動）Ｑｍも、アルミナ
の混合割合が２Ｑｗｔ％まで増加する間、ＰＺＴ自身の
値よりも増大しているので、強誘電性複合材料として極
めて優れたものである。

３）　抗折強度 前記試験資料３に対して、Ｊ　ｌ５−Ｒ１６０１に基づ
いて、島津製作所製ＤＯ８−５０Ｍを用いて、スパンを
３０ａｍクロスヘツドスピードを０．５履／ｓｉｎの測
定条件で、３点曲げ法で行なった結果を第３表に示す。

第３表から明らかなように、本実施例の強誘電性複合材
料は、アルミナの混合割合が約７ｗｔ％まで増加する間
は、抗折強度がＰＺＴ自身の値より大きいものであり、
極めて優れたものである。

４）　密度 ＰＺＴおよびアルミナのＸ［ｌ理ｆｉ密度は、８．０４
ｇ／ＣＩ！および３．９８ｇ／ａｉであり、これらより
求めた理論密度と、測定密度および相対密度を第４表に
示す。

この第４表から明らかなように、アルミナの混合割合が
５ｗｔ％程度までは、セラミックスとしての緻密性を有
している。

以上説明したように、本発明方法によって製せられた本
発明の強誘電性複合材料は、ナノ・コンポジット状に形
成されており、そのために電気的性質を維持若しくは大
きく向上させられたものとなるとともに、機械的性質も
大きく向上させられたものとなる。

従って、本説明の強誘電性複合材料は、それぞれの優れ
た性質を利用することにより、各種の用途に用いられる
。

例えば、従来の誘電体および圧電素子の用途に同様にし
て用いられることは勿論であり、しかも従来のもの以上
の効果を奏するものとなる。

すなわち、＾い誘電率を利用してコンデンサのＸｔ体と
して用いることができ、しかも高い抗折強度を有するこ
とにより、強度も大きいものを得ることができる。

また、圧電素子としての優れた特性を利用して、圧電ア
クチュエータ、超音波モータの駆動源、圧電ブザー、圧
電フィルタ、加速度センサ、圧電スピーカ、発振子等に
適用して、従来以上の効率等の向上を図るとよい。前記
圧電アクチュエータにおいては、広がり振動の電気機械
結合係数（Ｋｒ）、機械的品質係数（広がり振動）（Ｑ
ｍ）および抗折強度が上昇している点を利用して高効率
化を図るとよい。超音波モータにおいては、クラックの
発生防止に効果的な広がり振動の電気機械結合係数（Ｋ
ｒ）の大きい範囲を利用するとよい。

なお、母相となる強誘電体材料には、ＰＺＴ以外の他の
素材を用いることができ、分散相となる分散材料には、
アルミナ以外のものを液状化させたジルコニアゾルまた
は金属アルコキシド等の他の素材を用いることができる
。

また、前記実施例の強誘電性複合材料は、焼結によって
ブロック形状に製せられているが、スパッタ等の他の手
段によっても製せられるものであり、組織がナノ・コン
ポジット状であればその外観形状はどのようなものでも
よく、例えば１ｉ１１形状に形成してもよい。

また、本発明は前記実施例に限定されるものでは無く、
必要に応じて変更することができる。

〔発明の効果〕

このように本発明の強誘電性複合材料およびその製造方
法は構成され作用するものであるから、セラミックスを
混入させても強誘電体材料本来の電気的性質を維持した
り大きく向上させることができ、しかも、機械的性質を
も大きく向上させることができ、用途を有するものとな
り、その製造も簡単であり、かつ、確実に製造すること
ができ、コストも低重となる等の効果を秦する。

第 表 第 表 第 表 第 表

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の強誘電４ｆ４−複合材料の表面の粗細
を示す走査型電子顕微鏡写真、第２図は第１図の一部拡
大写真、第３図は第２図の左右の白線に沿ったエネルギ
分散型ｘｓｉｉ分析装置による線分析写真、＠４図およ
び第５図はそれぞれ従来の強誘電性材料のアルミナの混
合量と比誘電率６３よび誘電損失との関係を示す線図で
ある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）強誘電体材料の母相中に、その強誘電体材料に対す
   る重量比が２０％以下の分散材料を分散相として分散相
   させてナノ・コンポジツト状に形成されていることを特
   徴とする強誘電性複合材料。 ２）仮焼後粉砕された母相となる強誘電体材料と、分散
   相となる液状の分散材料とを混合し、この混合物を所定
   の形状に成形し、その後焼結させることにより、前記強
   誘電体材料の母相中に前記分散材料を分散相として分散
   させたナノ・コンポジット状の強誘電性複合材料を製す
   ることを特徴とする強誘電性複合材料の製造方法。