Способ получения пьезокерамических материалов на основе цирконата-титаната свинца

 

Использование: изобретение относится к технологии производства материалов для радиоэлектронной промышленности, к производству пьезокерамических материалов (ПКМ) на основе цирконата - титаната свинца (ЦТС). Сущность изобретения: способ включает разложение в потоке низкотемпературной воздушной плазмы азотнокислого раствора циркония и модифицирующих добавок, выделение полученного продукта из пылепарогазовой смеси при 470 - 560^oC, охлаждение его до комнатной температуры и смешение с оксидами свинца и титана, прессование полученной смеси в брикеты, спекание при 950 - 1060^oC в течение 40 - 120 мин и измельчение полученного продукта. Технический результат от использования изобретения - обеспечение стабильной воспроизводимости заданных характеристик. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к технологии производства материалов для радиоэлектронной промышленности, а более конкретно к производству пьезокерамических материалов (ПКМ) на основе цирконата-титаната свинца (ЦТС).

Известен способ синтеза пьезокерамических материалов смешиванием оксидов титана, циркония, свинца и модифицирующих элементов в заданном соотношении и спеканием смеси при 1400^oC в течение 24 - 48 ч с последующим размолом и классификацией порошка [1].

Недостатками способа являются высокая температура и продолжительное время синтеза, приводящие к повышенному испарению свинца из получаемого ПКМ, из-за чего невозможно обеспечить постоянство его химического состава и как следствие этого - постоянство электрофизических свойств.

Наиболее близким к изобретению является способ получения пьезокерамических материалов на основе цирконата-титаната свинца [2], в котором водный раствор смеси азотнокислых солей титана, циркония, свинца и модифицирующих добавок подвергают разложению в плазменном теплоносителе, а полученный продукт улавливают из пылепарогазовой смеси.

Задачей изобретения является усовершенствование способа-прототипа с целью обеспечения стабильной воспроизводимости заданных характеристик.

Поставленную задачу решают тем, что в способе получения пьезокерамических материалов на основе цирконата-титаната свинца, включающем разложение азотнокислых растворов ингредиентов в потоке низкотемпературной воздушной плазмы и выделение полученного продукта из пылепарогазовой смеси, разложению в потоке низкотемпературной воздушной плазмы подвергают азотнокислый раствор циркония и модифицирующих добавок, полученный продукт выделяют при 470 - 560^oC и после охлаждения по комнатной температуры смешивают в оксидами титана и свинца, а полученную смесь прессуют в брикеты, спекают и измельчают.

Спекание осуществляют при 950 - 1060^oC в течение 40 - 120 мин.

Генерирование потока низкотемпературной плазмы осуществляют в высокочастотном индукционном электрическом разряде.

Продукт, получаемый разложением азотнокислого раствора циркония с модифицирующими добавками в распыленном виде в потоке горячего воздуха, обладает высокой химической активностью, благодаря чему при его использовании в качестве сырьевого компонента в производстве пьезокерамических материалов синтез твердого раствора ЦТС в процессе спекания происходит с большой скоростью.

Выделение упомянутого продукта из пылепарогазовой смеси при температуре ниже 470^oC приводит к повышенному содержанию в нем воды и оксидов азота; при их испарении в процессе спекания формируется пористая структура спекаемой смеси, ухудшающая качество целевого продукта.

Выделение продукта из пылепарогазовой смеси при температуре выше 560^oC приводит к снижению его химической активности, что вызывает необходимость повышения температуры и увеличения времени спекания (а это связано с повышенным испарением свинца) и также ухудшает качество целевого продукта.

Температура спекания смеси ниже 950^oC и время спекания менее 40 мин приводят к неполноте синтеза твердого раствора цирконата-титаната свинца и ухудшению электрофизических характеристик ПКМ.

Температура выше 1060^oC и время спекания более 120 мин приводят к повышенному испарению из спекаемой смеси свинца и ухудшению качества целевого продукта.

Использование высокочастотного индукционного электрического разряда для генерирования низкотемпературной плазмы исключает поступление продуктов электрической эрозии в горячий воздух, а следовательно, и в целевой продукт.

Способ осуществляют следующим образом.

Получение ПКМ состава, мас. %: Pb 68,26; ZrO₂ 15,82; TiO₂ 14,17; ZnO 0,51; Bi₂O₃ 0,97; MnO₂ 0,27.

Готовят единый водный азотнокислый раствор циркония и модифицирующих добавок: цинка, висмута и марганца в заданном соотношении.

Готовый раствор подвергают обработке на плазмохимической установке, состоящей из высокочастотного индукционного плазматрона, распыляющих форсунок, реакционной камеры, пылеосадителя и бункера-приемника. Высокотемпературным теплоносителем служит воздух.

Поток теплоносителя направляют из плазмотрона в реакционную камеру, где в поток вводят распыленный при помощи форсунок исходный раствор.

В реакционной камере происходит взаимодействие микрокапель раствора с плазменным теплоносителем, в результате чего получают порошок оксида циркония с модифицирующими добавками, который выделяют из образовавшейся пылепарогазовой смеси, выходящей из реакционной камеры, в вихревом пылеосадителе; температуру выделения из пылепарогазовой смеси варьируют при этом от 470 до 560^oC. Полученный продукт собирают в бункере-приемнике, присоединенном к пылеосадителю, а сбросные газы направляют на очистку. Этот продукт охлаждают до комнатной температуры и смешивают с заданными количествами измельченных оксидов свинца и титана и тщательно перемешивают.

Из объединенной смеси порошков прессуют брикеты, спекают их при 950 - 1060^oC и измельчают. Рентгенофазовым способом определяют содержание в целевом продукте твердого раствора перовскитовой структуры, а химическим анализом - содержание свинца, циркония и титана.

Результаты опытов представлены в табл. 1-3.

В табл. 1 приведен состав полученного ПКМ в зависимости от условий проведения опытов - температуры выделения промежуточного продукта из пылепарогазовой смеси, температуры и времени спекания; в табл. 2 - электрофизические характеристики ПКМ, полученного в этих же опытах.

В табл. 3 приведены сравнительные состав и электрофизические характеристики ПКМ, полученного заявляемым способом и способом-прототипом.

Заявляемый способ (опыты 1 - 4) осуществляли при одних и тех же условиях во всех четырех опытах, в том числе при температуре выделения промежуточного продукта из пылепарогазовой смеси 525^oC, температуре спекания 980^oC и времени спекания 60 мин. Способ-прототип (опыты 5 - 8) также осуществляли при одних и тех же условиях во всех 4 опытах, в том числе при температуре выделения целевого продукта из пылепарогазовой смеси 525^oC.

Как видно из табл. 3, заявляемый способ в отличие от прототипа обеспечивает стабильную воспроизводимость заданных характеристик, что является важным условием для создания прецизионной керамики.

Формула изобретения

1. Способ получения пьезокерамических материалов на основе цирконата-титаната свинца, включающий разложение азотнокислых растворов ингредиентов в потоке низкотемпературной воздушной плазмы и выделение полученного продукта из пылегазовой смеси, отличающийся тем, что разложению в потоке низкотемпературной воздушной плазмы подвергают азотнокислые растворы циркония и модифицирующих добавок, полученный продукт выделяют из образовавшейся пылепарогазовой смеси при 470 - 560^oC и после охлаждения до комнатной температуры смешивают с оксидами свинца и титана, полученную смесь прессуют в брикеты, спекают и измельчают.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что спекание осуществляют при температуре 950 - 1060^oC в течение 40 - 120 мин.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что генерирование потока низкотемпературной плазмы осуществляют в высокочастотном индукционном электрическом разряде.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2