Пьезоэлектрический керамический материал

 

Использование: для создания электромеханических преобразователей, акустических приемников, работающих в широком интервале температур. Сущность изобретения: материал содержит в мас.%: Bi₂O₃ 75,57 - 75,65, TiO₂ 22,75 - 22,86, Na₂O 1,00 - 1,13, Cr₂O₃ 0,18 - 0,30, B₂O₃ 0,30 - 0,40. Характеристика tgδ 0,3 - 0,5%, ε^T₃₃ / ε_o 107 - 117, d₃₃·10^-12 15 - 29 Кл/Н. 2 табл.

Изобретение относится к области пьезоэлектрических керамических материалов и может быть использовано для создания электромеханических преобразователей, работающих в широком интервале температур.

Известен пьезокерамический материал на основе слоистого титаната натрия-висмута /1/, мас.

Bi₂O₃ 55,91 62,86 TiO₂ 24,76 25,74 Na₂O 1,20 1,25 Sb₂O₃ 11,18 17,10 Указанный материал имеет ε^т₃₃/ε_o=69-98, ρ_v при температуре 500^oC 4,7 - 6,06·10⁶ Ом м, но низкие значения d₃₃ 6 - 8·10^-12 Кл/Н.

Известен пьезокерамический материал того же титаната натрия-висмута, модифицированного Nb₂O₅ /2/, мас.

Bi₂O₃ 74,66 75,55 TiO₂ 22,76 23,03 Na₂O 1,10 1,12 Nb₂O₅ 0,3 1,48, имеющий d₃₃, равный 18 21·10^-12 Кл/H, его изменения Δd₃₃ равны 8 9% в интервале температур от 20 до 500^oC, но высокие значения ε^т₃₃/ε_o=150-160. Наиболее близким к заявляемому материалу по технической сущности является пьезокерамический материал на основе титаната натрия-висмута /3/, содержащий, мас.

Bi₂O₃ 75,40 75,63
TiO₂ 22,99 23,05
Na₂O 1,11 1,12
Cr₂O₃ 0,2 0,5,
имеющий следующие параметры ε^т₃₃/ε_o=110-140, d₃₃ 17 23·10^-12 Кл/H, tgδ 0,52 1,2% Указанный материал имеет относительно высокие значения ε^т₃₃/ε_o и относительно низкий d₃₃.

Заявляемое изобретение позволяет получать пьезоэлектрический материал с пониженным значением диэлектрической проницаемости и более высокими значениями d₃₃.

В акустических приемниках основным критерием эффективности считается удельная чувствительность g=d₃₃/ε^т₃₃. Таким образом, для эффективной работы акустических приемников необходимо иметь максимальное значение величины пьезомодуля d₃₃ при минимальном значении диэлектрической проницаемости.

Указанный технический эффект достигается тем, что пьезокерамический материал, включающий титанат натрия-висмута, оксид хрома, содержит оксид бора при следующем соотношении компонентов, мас.

Bi₂O₃ 75,50 75,65
TiO₂ 22,75 22,86
Na₂O 1,00 1,13
Cr₂O₃ 0,18 0,30
B₂O₃ 0,30 0,40
Наличие в материале оксида бора, являющегося одним из известных стеклообразующих оксидов, приводит прежде всего к повышению механической прочности и плотности керамики, что сказывается на ее электрофизических характеристиках, а именно: снижает диэлектрическую проницаемость и повышает величину пьезомодуля d₃₃.

Изобретение осуществляют следующим образом.

В качестве исходных материалов использованы оксиды и карбонаты следующих квалификаций: Bi₂O₃, Na₂CO₃, Cr₂O₃, H₃BO₃ и TiO₂ "конденсаторная".

Материал изготавливали следующим образом. Перед приготовлением шихты варили стекло состава, мас. 66,4 Bi₂O₃, 13,9 H₃BO₃, 19,7 TiO₂ в платиновом тигле. С этой целью смешивали борную кислоту и B₂O₃ и нагревали до 800^oC. Затем добавляли TiO₂ и поднимали температуру до 1150^oC, при которой выдерживали 1 ч, периодически помешивая. Стекло выливали в металлическую форму и после охлаждения измельчали.

Шихту материала готовили смешением перечисленных выше и предварительно высушенных реактивов и стекла в среде изопропилового спирта. Синтезировали материал при температуре 800^oC в течение 3 ч. Спекание образцов диаметром 11 мм и высотой 3 мм осуществляли в течение 2-х ч при температуре 1140 - 1160^oC. На сошлифованных до 1 мм дисках наносились серебряные электроды. Образцы поляризовались в полиэтилсилоксановой жидкости при температуре 120^oC в течение 30 мин, в постоянном электрическом поле напряженностью 7 кВ/см.

Определение электрофизических параметров проводилось в соответствии с ОСТ 11 0444-87, пьезомодуль d₃₃ определялся квазистатическим методом. Основные электрофизические параметры предлагаемого материала и прототипа приведены в табл. 1.

Плотность предлагаемого материала составляла 6,10 6,15 г/см³.

Данные, приведенные в табл. 1, подтверждают преимущества предлагаемого пьезокерамического материала по сравнению с материалом-прототипом, а именно: снижение значения диэлектрической проницаемости и повышение значения пьезоэлектрического модуля d₃₃. Одновременно предлагаемый материал обладает более низкими диэлектрическими потерями и меньшими необратимыми изменениями пьезомодуля d₃₃ в рабочем диапазоне температур.

В таблице 2 приведены основные характеристики предлагаемого материала в зависимости от состава.

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что пьезокерамический материал предлагаемого состава обладает оптимальными с точки зрения решаемой технической задачи характеристиками в интервале величин, указанных в формуле изобретения (см. табл. 2).

Применение изобретения перспективно при изготовлении пьезоэлементов, используемых в качестве рабочих элементов в акустических приемниках, работающих в условиях высоких температур (до 600^oC).

Формула изобретения

Пьезоэлектрический керамический материал, включающий Bi₂O₃, TiO₂, Na₂O, Cr₂O₃, отличающийся тем, что он дополнительно содержит оксид бора при следующем соотношении компонентов, мас.

Bi₂O₃ 75,50 75,65
TiO₂ 22,75 22,86
Na₂O 1,00 1,13
Cr₂O₃ 0,18 0,30
B₂O₃ 0,3 0,4в

РИСУНКИ

Рисунок 1