Lead-Free Piezoelectric Ceramics

A number of new lead-free electroceramics have been developed based on the known lead-free ferroelectric system Bi0.5Na0.5TiO3-Bi0.5K0.5TiO3 (BNT-20BKT) at the morphotropic phase boundary by introducing small amounts of K0.5Na0.5NbO3-Bi0.5K0.5TiO3 (KNN-03BKT). With increasing KNN-03BKT content, the materials show a reduction in the ferroelectric and piezoelectric properties. At the same time, the achievable maximum electrostrain peaks at a KNN-03BKT concentration of 1 mol% with 0.46 % at 8 kV/mm. A matrix of 10 compositions surrounding the composition with the highest electrostrain at room temperature was created with 0, 1 and 2 % KNN-03BKT for BNT-19BKT, BNT-20BKT and BNT-21BKT as well as BNT-20BKT-0.5(KNN-03BKT). The large-strain temperature and frequency dependence of these compositions was investigated between room temperature and 200 °C and 50 mHz and 500 Hz. While 8 compositions show typical ferroelectric behaviour, BNT-20BKT-1(KNN-03BKT) and BNT-20BKT-2(KNN-03BKT) both show a high strain at room temperature but very low remanent polarisation and strain. They also both show lower frequency and temperature dependant variation in the large-field strain than the ferroelectric compositions.

Eine Reihe neuer bleifreier Elektrokeramiken basierend auf den literaturbekannten bleifreien ferroelektrischen Systemen Bi0.5Na0.5TiO3-Bi0.5K0.5TiO3 (BNT-20BKT) und der morphotropen Phasengrenze wurde entwickelt indem kleine Mengen K0.5Na0.5NbO3-Bi0.5K0.5TiO3 (KNN-03BKT) beigemischt wurden. Mit ansteigendem KNN-03BKT Anteil zeigen die Materialien eine Abnahme der piezoelektrischen Eigenschaften. Die erreichbare Dehnung unter elektrischem Feld erreicht dabei bei einer KNN-03BKT Konzentration von 1 % ein Maximum von 0,46 % bei 8 kV/mm. Eine Matrize aus zehn zentriert auf dieser Zusammensetzung mit der hohen Dehnung bei Raumtemperatur wurde erstell wie folgt: , 1 und 2 % KNN-03BKT auf Basis von BNT-19BKT, BNT-20BKT und BNT-21BKT und zusätzlich BNT-20BKT-0.5(KNN-03BKT). Die Großfelddehnung wurde temperaturabhängig und frequenzabhängig gemessen im Bereich von Raumtemperatur und 200 °C sowie 50 mHz bis 500 Hz. Acht der Zusammensetzungen zeigen typisches ferroelektrisches Verhalten. BNT-20BKT-1(KNN-03BKT) und BNT-20BKT-2(KNN-03BKT) zeigen jedoch hohe Dehnung bei Raumtemperatur bei geringer remanenter Dehnung und Polarisation. Diese beiden Zusammensetzungen zeigen darüber hinaus niedrigere Frequenz- und Temperatur-abhängigkeit der Großfelddehnung als die ferroelektrischen Zusammensetzungen.