非鉛(Bi 1/2 Na 1/2 )TiO 3 を添加した PZT セラミックスの 圧電特性および機械的特性 北川賀津一* 豊田丈紫 * 北川和夫 ** 山本孝 *** 研究の背景 PZT は 多 量 の 鉛 を 含 ん で い る の で 廃 棄 物 処 理 問 題 か ら 非 鉛 系 圧 電 セ ラ ミ ッ ク ス の 開 発 が 求 め ら れ て い る 。 本 研 究 で は ， 非 鉛 系 圧 電 セ ラ ミ ッ ク ス の 一 つ で PZT と 同 様 に ペ ロ ブ ス カ イ ト 構 造 を 持 ち 機 械 的 強 度 の 高 い (Bi 1 / 2 Na 1 / 2 )TiO 3 (以 下 BNT と 略 す )を ， PZT に 添 加 し て そ の 圧 電 及 び 機 械 的 特 性 を 調 べ た 。 研究内容 BNT を Bi 2 O 3 ,TiO 2 ,Na 2 CO 3 か ら 合 成 し た 。 700℃ で 脱 CO 2 が 終 了 し ペ ロ ブ ス カ イ ト 構 造 を 示 し た 。 Na は 焼 結 助 剤 と な り ，Na を 2%以 上 過 剰 に 添 加 す る と ペ ロ ブ ス カ イ ト 構 造 固 有 の Ｘ 線 回 折 強 度 が 強 く な っ た 。Na を 2%以 上 過 剰 に 添 加 す る と ， 第 二 相 の Bi 2 Ti 2 O 7 が 生 成 し た 。 BNT は 菱 面 体 晶 系 の 結 晶 構 造 を 示 し た 。 0.5〜 5%の BNT を 添 加 し た PZT 複 合 セ ラ ミ ッ ク ス で は 100 れ た 。 格 子 定 数 c と a の 値 は PZT に 対 す る BNT の 添 加 95 4-point Bending Strength (MPa) 正 方 晶 系 に 属 す る PZT の み の Ｘ 線 回 折 ピ ー ク が 観 測 さ 量 が 増 加 す る に つ れ て 小 さ く な っ た 。PZT に BNT を 0.5%， 1.0%添 加 し た PZT で は 1150℃ 以 上 の 焼 成 温 度 で 密 度 が 約 7.7 で あ っ た 。 し か し 5.0%BNT 添 加 で は 密 度 が 明 瞭 に 低 下 し た 。次 に 圧 電 性 の 指 標 で あ る 円 板 形 状 振 動 子 の 電 気 機 械 結 合 係 数 k p を 調 べ た 。密 度 と 同 様 に PZT に BNT を 0.5%，1.0%添 加 す る と k p 値 は 高 く な っ た 。一 方 ，5.0% の BNT を 添 加 し た 場 合 の k p は 60%台 か ら 40%台 に 大 幅 90 85 80 75 70 1150 1160 1170 1180 1190 1200 Temperature ( ℃) に 低 下 し た 。 焼 成 温 度 を 変 え た BNT 添 加 PZT セ ラ ミ ッ ク ス の 4 点 曲 げ 強 度 を 図 に 示 す 。PZT 単 体 の 平 均 曲 げ 強 PZT+0.5% BNT PZT+1.0% BNT PZT 図 BNT 添 加 PZT セ ラ ミ ッ ク ス の 4 点 曲 げ 強 さ さ は 85MPa で 焼 成 温 度 1150〜 1200℃ の 範 囲 内 で は 焼 成 温度によらずほぼ一定であった。 一 方 ， BNT を 添 加 し た 場 合 は 1150℃ 焼 成 試 料 の 平 均 強 度 が PZT 単 体 と 比 較 し て 14%向 上 し 最 も 高 く な っ た 。 BNT 添 加 に よ り 低 温 焼 結 が 促 進 さ れ る こ と が 電 子 顕 微 鏡 写 真 か ら 確 認 さ れ た 。 研究成果 非 鉛 系 圧 電 セ ラ ミ ッ ク ス の BNT を 試 作 し ， PZT に 添 加 し て そ の 圧 電 及 び 機 械 的 特 性 を 調 べ た 。 そ の 結 果 ， PZT に BNT を 0.5%な い し 1.0%添 加 し た 試 料 で 圧 電 特 性 を 下 げ る こ と な く 機 械 的 強 度 が 14%向 上 し た 。 BNT は PZT の 低 温 焼 結 を 促 進 し て い た 。 論文投稿 粉 体 粉 末 冶 金 協 会 . Vol.49, No.9, 2002, p.780-786. * 化学食品部 ** 金沢大学 *** 防衛大学校 - 91 -
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