Пьезоэлектрический керамический материал

 

Использование: для датчикопреобразующей аппаратуры с повышенными требованиями к стабильности электрофизических параметров в условиях совместного воздействия высоких температур и давлений. Технический результат изобретения: получение материала с повышенной стабильностью значений тангенса угла диэлектрических потерь tgδ и удельного объемного сопротивления ρ_v во времени, повышенным значением пьезомодуля d₃₃, стабильным к одновременному воздействию высоких (до 500°С) температур и одноосного механического сжатия (до 1500 кг/см²). Пьезоэлектрический материал содержит титанат натрия висмута, оксиды хрома, бора и кальция при следующем содержании компонентов, мас.%: Bi₂O₃ 75,3 - 75,51; TiO₂ 22,94 - 23,01; Nа₂O 1,05 - 1,09; Сr₂O₃ 0,21 - 0,22; B₂O₃ 0,16 - 0,45; CaO 0,01 - 0,04. 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 титаната натрия-висмута [1], содержащий, в маc.%: Bi₂O₃ - 75,40-75,63 TiO₂ - 22,99 - 23,05 Na₂О - 1,11 - 1.12 Cr₂O₃ - 0,2 - 0,5, имеющий следующие параметры ε^т₃₃/ε_o = 110-140; d₃₃ = 17-23·10^-12Кл/Н, tg δ = 0,52 - 1,2%, ρ_v = 1·10¹¹ Ом·м.

Наиболее близким к заявляемому материалу по технической сущности является пьезокерамический материал на основе титаната натрия-висмута [2], содержащий, 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,
имеющий следующие параметры: ε^т₃₃/ε_o = 106 - 110; D₃₃ = 28 - 29 · 10^-12 Кл/Н; tg δ = 0,3 - 0,5%, ρ_v = 2 · 10¹¹ Ом · м.

Указанный материал имеет относительно высокое значение величины пьезомодуля d₃₃ при пониженном значении диэлектрической проницаемости, что делает его перспективным при изготовлении пьезоэлементов, используемых в акустических приемниках, работающих в условиях высоких температур. Однако при одновременном воздействии высоких температур (до 500^oC) и одноосного механического сжатия (до 1500 кг/см² ) пьезоэлектрический модуль d₃₃ сильно меняет свое значение (до 50%), при этом необратимые изменения достигают 30%, обратимые - 20%. Кроме того, материал является гигроскопичным, т.е. способен впитывать влагу из воздуха. Это отражается на таких характеристиках, как тангенс угла диэлектрических потерь tg δ и удельное объемное сопротивление ρ_v. Через десять суток после поляризации значения tg δ при комнатной температуре возрастают в 25-30 раз (достигая tg δ 20%), а удельное объемное сопротивление уменьшается на два порядка ( ρ_v при 25±10^oC= 1·10⁹ Ом·м). Описанные недостатки сильно ограничивают применение материала в качестве преобразователя, особенно в условиях повышенной влажности. Для нормальной работы преобразователя тангенс угла диэлектрических потерь tg δ и удельное объемное сопротивление не должны менять свое значение с течением времени.

Заявляемое изобретение позволяет получать пьезоэлектрический керамический материал с повышенной стабильностью значений тангенса угла диэлектрических потерь tg δ и удельного объемного сопротивления ρ_v с течением времени при сохранении высоких значений пьезомодуля d₃₃ и незначительных его изменениях (не более 10%) при одновременном воздействии высоких (до 500^oC) температур и одноосного механического сжатия (до 1500 кг/см²).

Указанный технический эффект достигается тем, что пьезокерамический материал, включающий титанат натрия-висмута, оксид хрома, оксид бора, содержит оксид кальция при следующем соотношении компонентов, в мас.%:
Bi₂O₃ - 75,31 - 75,51
TiO₂ - 22,94 - 23,01
Na₂O - 1,05 - 1,09
Cr₂О₃ - 0,21 - 0,22
B₂O₃ - 0,16 - 0,45
CaO - 0,01 - 0,04
Наличие в материале оксида кальция в указанной концентрации приводит прежде всего к повышению плотности керамики и уменьшению ее пористости, что сказывается на ее характеристиках, а именно: уменьшает зависимость пьезомодуля d₃₃ от давления при воздействии одноосных механических нагрузок при высоких температурах, а также снижает гигроскопичность материала, это приводит к стабилизации тангенса угла диэлектрических потерь и удельного объемного сопротивления с течением времени.

Изобретение осуществляется следующим образом.

В качестве исходных компонентов использованы оксиды и карбонаты следующих квалификаций: "чда"; "конденсаторная".

Материал изготавливали следующим образом.

Шихту материала готовили смешением перечисленных выше компонентов, исключая B₂O₃ в среде изопропилового спирта. После испарения спирта материал брикетировали и синтезировали дважды. Первый раз - при температуре 740^oC в течение 3 часов, второй раз - при температуре 850^oC в течение 4-х часов. После дробления и измельчения в материал вводили плавень со стеклообразующей добавкой следующего состава:
Bi₂O₃ - 66,4 мас. %
TiO₂ - 19,7 мас. %
B₂O₃ - 13,9 мас. %
Полученный после синтеза порошок смешивали с плавнем, пластифицировали и прессовали образцы диаметром 11 мм и высотой 3 мм. Обжиг производили при температуре 1160^oC в течение 2-х часов. На сошлифованные до 1 мм образцы наносили серебряные электроды. Образцы поляризовали в полиэтилсилоксановой жидкости в течение 50 минут при температуре 170^oC и напряженности поляризующего поля 5-6 кВ/мм.

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

Данные, приведенные в табл.1, подтверждают преимущество предлагаемого пьезокерамического материала по сравнению с материалом-прототипом, а именно: стабильность значений tg δ и удельного объемного сопротивления в течение длительного времени при сохранении высокого значения пьезомодудя, а также незначительные (не более 15%) изменения пьезомодуля d₃₃ при одновременном воздействии высоких температур и одноосного механического давления.

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

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что пьезокерамический материал предлагаемого состава обладает оптимальными характеристиками с точки зрения решаемой технической задачи, в интервале величин, указанном в формуле изобретения. Одновременно материал предлагаемого состава имеет максимальное значение пьезоэлектрического модуля d₃₃ (см.табл. 2).

Применение изобретения перспективно при изготовлении пьезоэлементов, используемых в качестве рабочих элементов датчикопреобразующей, аппаратуры с повышенными требованиями к стабильности коэффициента преобразования при совместном воздействии температуры 500^oC и статического давления 1500 кГс/см², применяемой, в частности, на объектах ракетно-космической техники.

Источники информации
1. SU, авторское свидетельство N 1390223, кл. CO 4 В 35/46, 1986.

2. RU, заявка N 93030132 от 10.06.92 г. "Пьезоэлектрический керамический материал"/Панич А.Е., Минчина М.Г., Смотраков В.Г., Файнридер Д.Э., Полонская А.М - Решение о выдаче патента РФ на изобретение от 11.08.95 г.

Формула изобретения

Пьезоэлектрический керамический материал, включающий Bi₂O₃, TiO₂, Na₂O, Cr₂O₃, B₂O₃, отличающийся тем, что дополнительно содержит оксид кальция при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Bi₂O₃ - 75,31 - 75,51
TiO₂ - 22,94 - 23,01
Na₂O - 1,05 - 1,09
Cr₂O₃ - 0,21 - 0,22
B₂O₃ - 0,16 - 0,45
CaO - 0,01 - 0,04

РИСУНКИ

Рисунок 1