Пьезоэлектрический керамический материал

 

Изобретение предназначено для изготовления пьезоэлементов для датчиков на объектах ракетно-космической техники. Изобретение позволяет создать пьезоэлектрический материал с повышенными значениями пьезоэлектрических параметров, с расширенным до 400oС интервалом рабочих температур и высокой стабильностью пьезомодуля d33 при воздействии высоких температур и давлений. Материал содержит компоненты при следующем соотношении, мол.%: PbTiO3 76,0-76,5; PbZrO3 19,0-20,0; BiTi3/4О3 1,5-2,0; СаТiO3 0,5-1,0; ВаТiО3 0,5-1,0; SrTiО3 0,5-1,0. 3 табл.

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

Известны следующие пьезокерамические материалы на основе цирконата-титаната свинца, работающие при повышенных температурах: -ЦТС-21 /1/, имеющий параметры: 33/0 = 420-600; tg 0,018; Kp=0,27-0,4; |d31| = (30-60) пКл/H; d33=75-120 пКл/Н; Тк400oС; - пьезокерамический материал /2/, имеющий параметры: T33/0 = 450; tg = 0,01; Кp=0,32; |d31| = 35 пКл/H; d33=75 пКл/Н; Тк=400oС.

Указанные пьезокерамические материалы имеют хорошую пьезоэлектрическую активность, однако их максимальная рабочая температура не превышает 300oС.

Наиболее близким к заявляемому материалу по технической сущности является пьезоэлектрический керамический материал /3/, содержащий ВiTi3/4О3, РbТiO3, PbZrО3, PbW1/2Cd1/2O3, при следующем соотношении компонентов, мол.%: РbТiO3 - 58,25-62,25 PbZrО3 - 19,25-20,75 PbW1/2Cd1/2O3 - 2,0-2,50
ВiTi3/4O3 - 15,0-20,0
имеющий параметры:
T33/0 = 280-320; tg = 0,015; Кp=0,16;
|d31| = 15 пКл/H; d33=35-42 пКл/Н; Тк=442-456oС.

Указанный материал имеет хорошую температурную стабильность пьезоэлектрических характеристик в рабочем диапазоне температур (изменение пьезомодуля d33 составляет 9-17%).

Однако, верхняя граница рабочего диапазона температур не превышает 350oС. Кроме того, материал имеет недостаточно высокую пьезоэлектрическую активность.

Заявляемое изобретение позволяет получить пьезоэлектрический керамический материал с повышенными значениями пьезоэлектрических параметров и расширенным до 400oС диапазоном рабочих температур. Заявляемый материал также имеет хорошую стабильность пьезоэлектрического параметра d33 при воздействии высоких (до 400oС) температур и одноосного сжатия до 150 МПа.

Указанный технический эффект достигается тем, что пьезокерамический материал, включающий в себя титанат висмута ВiТi3/4O3, титанат свинца РbТiO3 и цирконат свинца РbZrO3, дополнительно содержит титанат кальция СаТiO3, титанат бария ВаТiO3 и титанат стронция SrТiO3, при следующем соотношении компонентов, мол.%:
РbТiO3 - 76,0-76,5
PbZrO3 - 19,0-20,0
ВiТi3/4O3 - 1,5-2,0
СаТiO3 - 0,5-1,0
ВаТiO3 - 0,5-1,0
SrТiO3 - 0,5-1,0
Такое соотношение компонентов и наличие титанатов кальция, бария и стронция повышает пьезоэлектрическую активность (Кp=0,2; |d31| = 20 пКл/H; d33= 60 пКл/Н) и повышает температуру точки Кюри, расширяя тем самым диапазон рабочих температур до 400oС. Кроме того, материал работает в условиях одновременного воздействия одноосного сжатия до 150 МПа и высокой температуры (до 400oС).

Изобретение осуществляется следующим образом.

В качестве исходных компонентов используются оксиды металлов, которые смешиваются в водной среде в течение 48 часов. После обезвоживания проводится синтез, который осуществляется в две стадии с промежуточным помолом. Температура первого синтеза 840oС, второго 870oС. Общее время выдержки 7 часов. После второго синтеза материал вновь измельчается, а затем формируется в изделие.

Обжиг изделий проводится при температуре 1230-1260oС в течение 2-3 часов в защитной атмосфере РbO (используется свинецсодержащая засыпка). После механической обработки поверхностей образцов на них наносятся электроды.

Поляризация осуществляется в полиэтилсилоксановой жидкости при температуре 170oС в течение 30 минут в поле с напряженностью 4 кВ/мм. Измерение электрофизических параметров производится в соответствии с ОСТ 11 0444-87; пьезомодуль d33 определяется в квазистатическом режиме. Основные электрофизические параметры заявляемого материала и материала-прототипа приведены в таблице 1. Данные, приведенные в таблице 1, подтверждают преимущество предлагаемого пьезокерамического материала по сравнению с материалом-прототипом, а именно - повышение пьезоэлектрической активности (увеличение значений Кp, d31, d33), повышение температуры точки Кюри и, следовательно, расширение диапазона рабочих температур. Кроме того, возможно применение материала в условиях воздействия одноосного сжатия до 150 МПа.

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 характеристиками, с точки зрения решаемой технической задачи, в интервале величин, указанном в формуле изобретения.

В таблице 3 приведены экспериментальные данные, подтверждающие работоспособность материала в условиях воздействия одноосного сжатия до 150 МПа.

Применение изобретения перспективно при изготовлении пьезоэлементов, используемых в качестве рабочих элементов датчиков с повышенными требованиями к стабильности коэффициента преобразования при совместном воздействии высокой температуры и высокого статического давления. В частности, перспективно применение изобретения на объектах ракетно-космической техники.

Источники информации.

1. ОСТ 110444-87. Материалы пьезокерамические. Технические условия.

2. SU, авторское свидетельство 975681, кл. С 04 В 35/46, 1982.

3. SU, авторское свидетельство 1073227, кл. С 04 В 35/46, 1984.


Формула изобретения

Пьезоэлектрический керамический материал, включающий BiTi3/4О3, PbTiO3, PbZrO3, отличающийся тем, что дополнительно содержит СаТiO3, ВаТiО3 и SrTiО3 при следующем соотношении компонентов, мол. %:
PbTiO3 - 76,0-76,5
PbZrO3 - 19,0-20,0
BiTi3/4О3 - 1,5-2,0
СаТiO3 - 0,5-1,0
ВаТiО3 - 0,5-1,0
SrTiО3 - 0,5-1,0

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области пьезоэлектрических керамических материалов, отличающихся повышенной чувствительностью к механическому напряжению

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

Изобретение относится к способам производства пьезокерамических порошкообразных материалов и может быть использовано при изготовлении электромеханических преобразователей и пьезотрансформаторов

Изобретение относится к материалам, применяемым в радиотехнике, в частности в телефонии для изготовления микрофонов и в медицине для изготовления ингаляторов и т

Изобретение относится к способам получения пьезокерамических элементов из материалов, одним из компонентов которых является легко испаряющийся компонент, в частности РЬО

Изобретение относится к области сегнетожестких пьезокерамических материалов

Изобретение относится к области сегнетомягких пьезокерамических материалов, предназначенных для ультразвуковых устройств, работающих в режиме приема, различных пьезодатчиков, а также для устройств монолитного типа, таких как многослойные пьезоэлектрические актюаторы

Изобретение относится к области сегнетожестких пьезокерамических материалов, устойчивых к электрическим и механическим воздействиям, предназначенных для ультразвуковых устройств, в том числе многослойных и работающих при сильных электрических и механических воздействиях
Изобретение относится к химической технологии получения нанопорошков композиционных материалов на основе оксидов свинца, титана и циркония, используемых для получения керамики со специальными свойствами

Изобретение относится к области химического синтеза металлосодержащих растворов сложного состава, включающих как алкоксидные, так и карбоксилатные производные металлов, применяемых для получения оксидных твердых растворов с использованием золь-гель технологии, а именно к способам приготовления безводных пленкообразующих растворов для формирования сегнетоэлектрических пленок цирконата-титаната свинца, и может быть использовано в технологии микроэлектроники и, в частности, для производства энергонезависимых сегнетоэлектрических запоминающих устройств
Изобретение относится к керамическому материалу, содержащему цирконат-титанат свинца и дополнительно включающему Nd и Ni, и может быть использовано для изготовления пьезоэлектрических возбудителей

Изобретение относится к области химического синтеза металлосодержащих растворов сложного состава, включающих как алкоксидные, так и карбоксилатные производные металлов, применяемых для получения оксидных твердых растворов с использованием золь-гель технологии, а именно к способам приготовления безводных пленкообразующих растворов для формирования сегнетоэлектрических пленок цирконата-титаната свинца с низкой температурой кристаллизации и может быть использовано в технологии микроэлектроники и, в частности, для производства энергонезависимых радиационно-стойких сегнетоэлектрических запоминающих устройств

Изобретение относится к области сегнетомягких пьезокерамических материалов широкого применения, предназначенных для изготовления ультразвуковых устройств, работающих в режиме приема, пьезодатчиков различного назначения, а также для изготовления многослойных пьезокерамических элементов: актюаторов, биморфов и др., которые находят применение для контроля и точного позиционирования технологического оборудования в микроэлектронном производстве, для стыковки и подстройки оптических волокон, при автоюстировке и подстройке лазерных зеркал интерферометров, для управления лазерным лучом в различных системах. Пьезокерамический материал содержит следующие компоненты, мас.%: PbO 62,90-64,08; ZrO2 18,96-20,10; TiO2 10,85-11,63; SrO 1,53-2,64; WO3 0,34-0,62; Bi2O3 1,01-1,86; Ni2O3 0,08-0,23; CdO 0,59-1,18; GeO2 0,2-1,0. Технический результат изобретения заключается в снижении температуры спекания пьезокерамического материала (Тсп≤940°С) ниже температуры плавления серебра (Тпл=960,8°С), что обеспечивает возможности использования серебра для межслойных электродов, а также более высокие электрофизические параметры по сравнению с известными аналогами материалов этого класса. 1 пр., 1 табл.
Изобретение относится к области пьезокерамических материалов, предназначенных для изготовления многослойных ультразвуковых устройств в виде слоистых гетероструктур, являющихся основой различных пьезодатчиков (давления, медицинской диагностики, эмиссионного контроля гидроакустической аппаратуры и т.д.), работающих в режиме приема. Указанные материалы также могут быть использованы для изготовления многослойных пьезоэлектрических актюаторов, пьезоклапанов, низкочастотных пьезовибраторов и других типов пьезопреобразователей. Предлагаемый пьезокерамический материал по своему составу относится к твердым растворам системы PbTiO3-PbZrO3-PbNi1/3Nb2/3O3-PbZn1/3Nb2/3O3, содержащих в качестве легирующих добавок SrO, WO3, Bi2O3 и CdO, при следующем соотношении компонентов, мас.%: PbO 66,94-67,42, ZrO2 11,42-11,96, TiO2 9,02-9,43, SrO 0,35-0,40, WO3 0,16-0,27, Bi2O3 0,49-0,65, CdO 0,12-0,21, Nb2O5 8,18-8,39, ZnO 0,78-0,84, NiO 1,58-1,75. Технический результат изобретения заключается в создании пьезокерамического материала с более высокими значениями (по сравнению с прототипом) диэлектрических и пьезоэлектрических параметров при сохранении температуры его спекания на уровне 950°C. 3 табл.
Наверх