Пьезокерамический материал

 

Изобретение относится к области сегнетожестких пьезокерамических материалов. Использование изобретения эффективно при создании ультразвуковых излучателей большой мощности и других изделий пьезотехники, работающих в силовых режимах. Пьезокерамический материал содержит оксиды свинца, циркония, титана, ниобия, цинка и марганца при следующем соотношении компонентов, мас.%: PbO - 68,50-68,70; ZrO2 - 15,70 - 16,70; TiO2 - 10,20 - 10,70; Nb2O5 - 3,50-4,20; ZnO - 0,70-0,90; MnO - 0,30-0,35. Материал получен двухстадийным твердофазным синтезом, причем вторую стадию твердофазного синтеза осуществляют при температуре 1170 К, а спекание осуществляют в атмосфере паров оксида свинца. Материал обладает tg, соответствующим лучшим значениям для этого класса соединений (0,29%); величиной Кр, равной 0,56; высоким значением d31 (12510-12 Кл/Н), QM=1000 и НT330=1300. 2 табл.

Изобретение относится к области сегнетожестких пьезоэлектрических керамических материалов, устойчивых к электрическим и механическим воздействиям и предназначенных для устройств, работающих в силовых режимах, например ультразвуковых излучателей, пьезотрансформаторов, пьезодвигателей, систем зажигания.

Такие материалы должны обладать низкими диэлектрическими (tg) и механическими (1/Qm) потерями как в слабых, так и в сильных электрических полях. Вместе с тем они должны сохранять достаточно высокие пьезоэлектрические параметры. Этим материалам соответствуют максимальные значения параметров и , характеризующих удельную мощность преобразователей и коэффициент полезного действия ультразвуковых излучателей (Фесенко Е.Г., Данцигер А.Я., Разумовская О.Н. Новые пьезокерамические материалы. Ростов-на-Дону. Изд-во Ростовского ун-та, 1983. 160 с.) [1].

В зарубежной литературе не принято специально выделять из группы сегнетожестких материалов материалы с высокой и средней сегнетожесткостью. Общепринятым является подразделение керамики на сегнетомягкую и сегнетотвердую (сегнетожесткую). Вместе с тем крупные зарубежные фирмы, как правило, содержат в своих каталогах два класса сегнетожестких керамик (PZT4 и PZT8 "Morgan Matroc") (Электронный каталог фирмы "Morgan Matroc", США: http://www.morganmatrocecd.com/catalog/propert.htm); BM400 и ВМ800 "Sensor Technology Ltd." (Sensor Technology Limited (BM Hi-tech Division). Piezoelectric ceramics. Product catalogue. Application notes.1995); APC840 и АРС841 "APC International Ltd." (Электронный каталог фирмы "АРС International Ltd.", США: http://www.thomasregister.com/olc/apc/apcpiez.htm)), отличающихся своими характеристиками [2-4]. В отечественной литературе такое подразделение выражено достаточно четко. Основные характеристики отечественных и наиболее известных зарубежных материалов с высокой сегнетожесткостью представлены в табл. 1. Как видно из табл. 1, основная масса материалов данного класса имеет механическую добротность Qm~1000, тангенс угла диэлектрических потерь tg в интервале 0,30-0,40, величину коэффициента электромеханической связи Кр от 0,48 до 0,60 и величину диэлектрической проницаемости Т33 /0 в интервале 1000-1300.

Все представленные в табл. 1 сегнетожесткие пьезокерамические материалы, как отечественные, так и зарубежные, базируются на системе твердых растворов PbTiO3-PbZrO3 (ЦТС), иными словами, основу их химических композиций составляют оксиды свинца, титана и циркония.

Наиболее близким к заявляемому материалу по составу и свойствам является принимаемый за прототип пьезокерамический материал

Pb (Zn1/3Nb2/3)A(Mn1/3Nb2/3)BТiCZrDО3,

где 0 < А 0,50, 0 < В 0,50, 0,25 С 0,625, 0,125 D 0,625 и А+В+С+D=1. (Nishida M., Ouchi H. Improvements in and relating to ceramic compositions. GB 1376013. 04.12.1974) /9/, обладающий относительной диэлектрической проницаемостью T 33 / 0 = 920-1140, коэффициентом электромеханической связи Кр = 0.59-0.63 и механической добротностью Qm = 1910-2410. Пьезокерамический материал /9/ получают одностадийным синтезом при температуре 1123 К в течение 7,2103 с с последующим спеканием при температуре 1473-1553 К в течение 2.7103 с в отсутствие атмосферы РbО. Материал-прототип отличается пониженным значением относительной диэлектрической проницаемости . В патенте /9/ отсутствуют значения тангенса угла диэлектрических потерь tg, являющегося согласно ссылке /1/ и (Физическая акустика/под ред. У. Мэзона. Т.1. Методы и приборы ультразвуковых исследований. Ч. А. Москва. Изд-во: "Мир", 1966.) /10/ одним из основных параметров, определяющих возможность использования пьезокерамического материала в силовых акустических излучающих устройствах. В соответствии со ссылкой /10/ внутренние механические потери (1/Qm) в пьезокерамике в ряде случаев (например, в гидроакустических излучателях) не могут существенно снизить коэффициент полезного действия (КПД) излучателя, поскольку механическая добротность акустически нагруженного преобразователя значительно меньше механической добротности пьезокерамики. Поэтому основным фактором, ограничивающим КПД преобразователя, следует считать диэлектрические потери, характеризуемые величиной tg.

Задачей изобретения является получение сегнетожесткого пьезокерамического материала с параметрами, отвечающими мировому уровню, предназначенного для использования в качестве рабочего элемента ультразвукового излучателя высокой мощности.

Техническим результатом изобретения является низкий тангенс угла диэлектрических потерь tg5 (0.27-0.30); повышение относительной диэлектрической проницаемости T 33 / 0 (1300) при сохранении высоких значений пьезоэлектрических параметров.

Указанный технический эффект достигается тем, что известный пьезокерамический материал, включающий оксиды свинца, циркония, титана, марганца, цинка и ниобия, мас.%:

РbО 68,50 - 68,70

ZrO2 15,70 - 16,70

TiO2 10,20 - 10,70

MnO 0,30 - 0,35

ZnO 0,70 - 0,90

Nb2O5 3,50 - 4,20

подвергается двухстадийному твердофазному синтезу, причем вторая стадия твердофазного синтеза осуществляется при температуре 1170 К, а спекание проводится в атмосфере оксида свинца.

Изобретение осуществляется следующим образом.

В качестве исходных материалов предложенного сегнетожесткого пьезоэлектрического керамического материала использовались окислы: РbО, MnO квалификации "ч.д.a.", ZrO2 квалификации "ч.", TiO2 квалификации "конденсаторная", ZnO и Nb205 квалификации "ос.ч.". Материал получен следующим образом. Смешение компонентов осуществлялось в шаровой мельнице в водной среде. После сушки шихту синтезировали в две стадии: при 1120 К в течение 1,8104 с и при 1170 К в течение 7,2103 с. Спекание образцов диаметром 10 мм и высотой 3 мм осуществляли в течение 1,08104 с при температуре 1520-1530 К в засыпке, обеспечивающей атмосферу паров РbО. На сошлифованные до 1 мм диски наносили серебряную пасту, которую вжигали при температуре 970 К. Образцы поляризовали в воздушной среде с переходом через точку Кюри при охлаждении от 670 К в постоянном электрическом поле напряженностью 17 кВ/см. Определение электрофизических характеристик проводилось в соответствии с ГОСТом 12370-72.

В табл. 2 приведены основные электрофизические характеристики предлагаемого материала в зависимости от состава. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что предлагаемый пьезокерамический материал обладает оптимальными, с точки зрения решаемой технической задачи, характеристиками в интервале величин компонентов, указанных в формуле изобретения.

Использование изобретения эффективно при создании ультразвуковых излучателей большой мощности и других изделий пьезотехники, работающих в силовых режимах.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Фесенко Е.Г., Данцигер А.Я., Разумовская О.Н. Новые пьезокерамические материалы. Ростов-на-Дону. Изд-во Ростовского ун-та, 1983. 160 с.

2. Электронный каталог фирмы "Morgan Matroc", США:

http://www.morganmatroc-ecd.com/catalog/propert.htm

3. Sensor Technology Limited (BM Hi-tech Division). Piezoelectric ceramics. Product catalogue. Application notes.1995.

4. Электронный каталог фирмы "АРС International Ltd.", США:

http://www.thomasregister.com/olc/apc/apcpiez.htm

5. Фесенко Е.Г., Данцигер А.Я., Разумовская О.Н. и др. Высокоэффективные пьезокерамические материалы. Сб. Пьезоактивные материалы. Физика. Технология. Применение в приборах. Ростов-на-Дону. Изд-во Ростовского университета, 1991. С. 5-15.

6. Материалы пьезокерамические. Технические условия. Отраслевой стандарт ОСТ 11 0444-87, М., 1987, с. 141.

7. Смотраков В.Г., Полонская А.М., Вусевкер Ю.А., Панич А.Е., Еремкин В.В., Кудинов А.П., Гориш А.В., Гришин В.М. Шихта для получения пьезокерамического материала. Патент RU 2067567 С1, МКИ С 04 В 35/00, 35/472, опубл. 10.10.1996, Бюл. № 28.

8. Электронный каталог фирмы "Stettner GmbH & Co.", Германия: http://www.stcostettner.com/englisch/pkg.htm

9. Nishida M., Ouchi H. Improvements in and relating to ceramic compositions. GB 1376013. 04.12.1974 (ПРОТОТИП).

10. Физическая акустика. /Под ред. У.Мэзона. Т. 1. Методы и приборы ультразвуковых исследований. Ч. А. Москва. Изд-во: "Мир", 1966.

Формула изобретения

Пьезокерамический материал, включающий оксиды свинца, циркония, титана, марганца, цинка и ниобия, мас.%:

РbО 68,50 - 68,70

ZrO2 15,70 - 16,70

TiО2 10,20 - 10,70

MnO 0,30 - 0,35

ZnO 0,70 - 0,90

Nb2O5 3,50 - 4,20

подвергающийся твердофазному синтезу и последующему спеканию, отличающийся тем, что твердофазный синтез проводят в две стадии, причем вторую стадию твердофазного синтеза осуществляют при 1170 К, а спекание осуществляют в атмосфере паров оксида свинца.



 

Похожие патенты:

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

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 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.

Изобретение относится к области производства пьезокерамических материалов, предназначенных для изготовления излучателей и приемников ультразвука, электромеханических преобразователей. Технический результат изобретения заключается в повышении температурной стабильности пьезокерамики. Пьезокерамический материал содержит следующие компоненты, мас.%: PbO 56,649-60,431; SrO 0,332-2,375; Na2O 0,376-0,888; Bi2O3 3,557-8,401; ZrO2 21,313-22,150; TiO2 11,528-12,050. 4 табл.

Изобретение относится к способу изготовления керамических пьезоматериалов из нано- и ультрадисперсных порошков фаз кислородно-октаэдрического типа, содержащих в позиции (В) ионы титана (IV), ниобия (V), циркония (IV), вольфрама (VI). цинка (II), никеля (II) и железа (III), кобальта (III) и других p- или d-элементов. Технический результат изобретения - повышение относительной диэлектрической проницаемости и пьезомодулей при сохранении у пьезоматериалов коэффициентов электромеханической связи. Способ получения керамических пьезоматериалов из нано- и/или ультрадисперсных порошков фаз кислородно-октаэдрического типа характеризуется тем, что нано- и/или ультрадисперсные порошки фаз кислородно-октаэдрического типа перед операцией формования и спекания обрабатывают спиртовым или водно-спиртовым раствором 1-8 мас. % гликолята аммония (NH4HC2O3), или формиата аммония (NH4COOH), или их смесей, после чего жидкую фазу удаляют, а полученный порошок высушивают. Пресс-заготовку, изготовленную из обработанного таким образом порошка, спекают 1,5-3 часа при температуре от 900 до 1250°С. 5 з.п. ф-лы, 30 пр., 2 табл.
Наверх