Способ получения пьезокерамических материалов

 

Изобретение относится к производству пьезокерамических материалов на основе цирконата-титаната свинца, применяемых в различных областях радиоэлектроники и электротехники. Сущность изобретения: способ включает приготовление исходного водного раствора нитратов свинца, циркония, титана и модифицирующих добавок, причем нитрат свинца в исходный раствор вводят в избытке, равном 17 - 25 мас.% от стехиометрически необходимого для заданного состава получаемого материала, распыление полученного раствора в поток плазменного теплоносителя при расходах раствора и распыляющего его воздуха, отнесенных к 1 кВт мощности, вводимой в поток теплоносителя, соответственно равных 5,6·10^-8 - 8,3·10^-8 м³/с и 5,6·10^-5 - 8,3·10^-5 нм³/с, взаимодействие распыленного раствора с потоком в течение 10^-3 - 10^-2 c с последующим выделением целевого продукта из пылепарогазовой смеси. Способ обеспечивает получение однофазного порошка цирконата-титаната свинца заданного стехиометрического состава, керамические изделия из которого обладают хорошими электрофизическими свойствами. 1 табл.

Изобретение относится к области производства пьезокерамических материалов на основе цирконата-титаната свинца, применяемых в различных областях радиоэлектроники и электротехники.

Известен способ [1] получения пьезокерамических материалов, включающий весовую дозировку исходных ингредиентов в виде оксидов и карбонатных солей, их смешение, обезвоживание и сушку, предварительный обжиг и измельчение. Из полученного порошка готовят керамические изделия путем смешения порошка со связкой, гранулирования, формования изделий и их обжига.

Недостатками способа являются многостадийность технологического процесса и длительность операций, а также возможность загрязнения получаемого продукта, например, при измельчении и, как следствие этого, ухудшение электрофизических свойств изделий.

Сократить время синтеза от нескольких часов до долей секунды, уменьшить число операций, повысить качество целевого продукта позволяет применение плазменных способов получения керамических материалов.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности является способ [2] получения сегнетоэлектрических материалов на основе твердых растворов цирконата-титаната свинца (ЦТС), включающий приготовление исходного водного раствора солей ингредиентов, одновременные распылительную сушку раствора и синтез целевого продукта в потоке теплоносителя с температурой 1500-2500^oС в течение 10^-3-10^-2 с с дальнейшим выделением целевого продукта из пылепарогазовой смеси (прототип).

Недостатком способа являются пониженные электрофизические характеристики изделий из получаемого пьезокерамического материала на основе твердого раствора ЦТС, что вызвано нарушением его химического состава из-за повышенного испарения оксида свинца из взаимодействующей смеси при несогласованности энергосодержания теплоносителя с расходом раствора и распыляющего его воздуха.

Задачей изобретения является повышение качества целевого продукта, улучшение электрофизических свойств керамических изделий.

Для этого в известном способе получения пьезокерамических материалов на основе ЦТС, включающем приготовление исходного водного раствора нитратных солей свинца, циркония, титана и модифицирующих добавок, распыление полученного раствора в поток плазменного теплоносителя и взаимодействие распыленного раствора с потоком в течение 10^-3 10^-2 c с последующим выделением целевого продукта из паропылегазовой смеси, нитрат свинца в исходный раствор вводят в избытке, равном 17 25 мас. от стехиометрически необходимого для заданного состава получаемого материала, при этом распыление осуществляют при расходах раствора и распыляющего его воздуха, отнесенных к 1 кВт мощности, вводимой в поток теплоносителя, соответственно равных 5,6·10^-8 8,3·10^-8 м³/с и 5,6·10^-5 8,3·10^-5 нм³/с.

Введение в исходный раствор указанного количества свинецсодержащего компонента (т. е. в избытке в заданных пределах), а также соблюдение при этом заявленного соответствия между энергозатратами и расходами раствора и воздуха позволяет получать порошок цирконата-титаната свинца заданного стехиометрического состава, гарантируя тем самым хорошие электрофизические свойства керамических изделий.

Способ осуществляют следующим образом. Готовят водный раствор нитратных солей свинца, циркония, титана и модифицирующих добавок, таких как цинк, висмут, марганец, причем компоненты, кроме свинца, берут в стехиометрическом соотношении, определяемом составом ЦТС, в пересчете на окислы, мас. РвO 68,26; ZrО₂ 15,82; TiO₂ 14,17; ZnO 0,51; Вi₂O₃ 0,97; MnO₂ 0,27, а нитрат свинца берут в избытке, равном 17-25 мас.

Готовый раствор подвергают обработке на плазмохимической установке, состоящей из высокочастотного индукционного плазмотрона мощностью 60 кВт, распыляющих форсунок, реакционной камеры, пылеосадителя и бункера-приемника. Плазмообразующим газом служит воздух.

Поток плазменного теплоносителя с температурой 4000 К и выше направляют из плазмотрона в реакционную камеру, где в него (в поток) вводят распыленный при помощи форсунок исходный раствор.

При распылении раствор пропускают через форсунки с расходом 12-18 л/ч (334·10^-8 500·10^-8 м³/с), а распыляющий воздух - с расходом 12-18 нм³/ч (334·10^-5 500·10^-5 нм³/с). В итоге на 1 кВт вводимой мощности расход раствора составляет 0,2-0,3 л/ч (5,6·10^-8 8,3·10^-8 м³/с), а расход воздуха, его распыляющего 0,2-0,3 нм³/ч (5,6·10^-5 - 8,3·10^-5 нм³/с).

В реакционной камере происходит взаимодействие в течение 10^-3-10^-2 c частиц раствора с плазменным теплоносителем, в результате чего получают порошок твердого раствора ЦТС, который выделяют из пылепарогазовой смеси, выходящей из реакционной камеры, в пылеосадителе. Полученный продукт собирают в бункере-приемнике, а сбросные газы направляют на очистку.

О качестве полученных порошков твердого раствора ЦТС судят по электрофизическим свойствам спеченных из них керамических изделий. Изделия изготовляют по следующей известной технологии.

Из порошков под давлением 100 кг/см² прессуют 20 керамических заготовок в виде дисков диаметром 13 мм и толщиной 1,3 мм и спекают при температуре 950 1100^oС в течение 1 1,5 ч. Затем размеры изделий доводят до диаметра 10 мм и толщины 1 мм, при этом плоские поверхности шлифуют, а изделия, имеющие трещины и поры отбраковывают. На плоскую поверхность десяти произвольно выбранных изделий наносят слой металлического серебра, после чего их подвергают поляризации в ванне из трансформаторного масла, нагретого до температуры 120^oС, в течение 2 ч в постоянном электрическом поле с напряженностью 3 4 кВ/мм. У готовых изделий измеряют электрофизические свойства.

В таблице представлены электрофизические свойства керамики из порошков, полученных заявляемым способом и по прототипу.

Как видно из таблицы, заявляемые параметры процесса обеспечивают улучшенные по сравнению с прототипом электрофизические свойства керамических изделий (примеры 1 4).

Выход за рамки заявляемых пределов избытка нитрата свинца и расходов раствора и воздуха снижает свойства керамических изделий (примеры 5 8).

Формула изобретения

Способ получения пьезокерамических материалов на основе цирконата-титаната свинца, включающий приготовление исходного водного раствора нитратных солей свинца, циркония, титана и модифицирующих добавок, распыление полученного раствора в поток плазменного теплоносителя и взаимодействие распыленного раствора с потоком в течение 10^-3 10^-2 с последующим выделением целевого продукта из пылепарогазовой смеси, отличающийся тем, что нитрат свинца в исходный раствор вводят в избытке, равном 17 25 мас. от стехиометрически необходимого для заданного состава получаемого материала, при этом распыление осуществляют при расходах раствора и распыляющего его воздуха, отнесенных к 1 кВт мощности, вводимой в поток теплоносителя, соответственно равных 5,6· 10^-8 8,3·10^-8 м³/с и 5,6·10^-5 8,3 ·10^-5 нм³/c.

РИСУНКИ

Рисунок 1