Состав для получения электрострикционного керамического материала

Изобретение относится к керамическим материалам, в частности к электрострикционным керамическим материалам, и может быть использовано в технических устройствах для получения больших (до нескольких десятков микрометров) управляемых микроперемещений: актьюаторах, устройствах адаптивной оптики, микропозиционерах. Технический результат изобретения - повышение электрострикционного коэффициента по полю и снижение температуры спекания материала. Электрострикционный керамический материал, полученный по обычной керамической технологии, содержит дополнительно оксид сурьмы Sb₂O₃ при следующем соотношении компонентов, мас.%: PbO 68,297÷68,304, MgO 3,597÷3,782, Nb₂O₅ 23,722÷24,945, ZrO₂ 1,599÷2,498, TiO₂ 0,919÷1,436, Sb₂O₃ 0,450÷0,451. 1 табл.

 

Изобретение относится к области материаловедения, в частности к электрострикционным керамическим материалам, и может быть использовано в любой технической области, где требуются большие управляемые микроперемещения порядка десятков микрометров.

Известны электрострикционные керамические материалы: цирконат свинца - титанат калия-висмута [1], твердые растворы магнониобата свинца - титаната свинца [2], а также пьезоэлектрический материал системы твердых растворов магнониобат свинца - цирконат-титанат свинца [3]. К недостаткам этих материалов можно отнести недостаточно высокие значения величины электрострикционных коэффициентов по полю М₁₁.

Наиболее близким к предлагаемому составу и достигаемому результату является пьезоэлектрический керамический состав системы магнониобата свинца - цирконата-титаната свинца, полученный по обычной керамической технологии с температурой синтеза 850°С и последующим обжигом при 1200-1300°С в течение 45 минут в зависимости от состава. Этот материал, содержащий компоненты в следующем соотношении: магнониобат свинца (от 1 до 87,5 мол.%), титанат свинца (от 0 до 81,3 мол.%) и цирконат свинца (от 0 до 95 мол.%), имеет величину электрострикционного коэффициента по полю M₁₁=5.31, 10^-16 м²/В² [3]. К недостаткам материала относятся недостаточно высокое значение электрострикционного коэффициента по полю и высокая температура спекания. Данный материал выбран в качестве прототипа.

Изобретение направлено на повышение величины электрострикционного коэффициента по полю с одновременным улучшением технологических режимов.

Это достигается тем, что в состав шихты электрострикционного материала кроме оксидов свинца, магния, ниобия, титана и циркония дополнительно входит оксид сурьмы в следующих соотношениях (мас.%):

PbO	68,297÷68,304
MgO	3,597÷3,782
Nb2O5	23,722÷24,945
ZrO2	1,599÷2,498
TiO2	0,919÷1,436
Sb2O3	0,450÷0,451

Пример: Для получения 100 г электрострикционного материала состава №4 готовят шихту, состоящую из следующих компонентов, г:

PbO	68,299
MgO	3,659
Nb2O5	24,130
ZrO2	2,198
TiO2	1,264
Sb2O3	0,450

В качестве исходных материалов используют вещества реактивной чистоты, и при расчете шихты вносят поправки на содержание основного вещества. Синтез составов осуществляют по обычной керамической технологии в две стадии. После помола и смешивания исходных веществ полученную шихту в виде порошка подвергают обжигу при температуре 950°С в течение 3 часов. Затем в шихту добавляют в качестве связки 5% водный раствор поливинилового спирта и прессуют изделия заданной формы и размера. Спрессованные изделия помещают в печь и спекают при температуре 1160-1240°С в течение 2 часов. После шлифовки на плоские поверхности изделия наносят электроды путем вжигания серебряной пасты при температуре 750°С в течение 30 мин.

В таблице приведены свойства электрострикционных материалов, изученные на образцах, имеющих форму пластинок с размерами плоской части 6×6 мм² и толщиной 2 мм.

№ состава	Состав мас.%	Свойства при 25°С
PbO	MgO	Nb2O5	ZrO2	TiO2	Sb2О3	М11, 10-16 м2/В2	Q11, 10-2 м4/Кл2
1	68,308	3,885	25,625	1,099	0,632	0,451	1,8	2,0
2	68,305	3,824	25,217	1,399	0,804	0,451	4,1	2,2
3	68,304	3,782	24,945	1,599	0,919	0,451	5,96	2,23
4	68,299	3,659	24,130	2,198	1,264	0,450	12,1	2,7
5	68,297	3,618	23,858	2,398	1,397	0,450	6,11	2,72
6	68,297	3,597	23,722	2,498	1,436	0,450	5,31	2,73
7	68,294	3,535	23,315	2,797	1,609	0,450	4,4	3,1
8	68,283	3,288	21,685	3,996	2,298	0,450	3,1	3,1
9	68,266	2,876	18,970	5,992	3,446	0,450	1,1	3,6

Как видно из таблицы, из всех исследованных материалов составы №3-№6 имеют более высокие значения электрострикционного коэффициента по полю М₁₁=(5,31-12,1)·10^-16 м²/В² по сравнению с прототипом наряду с высоким значением электрострикционного коэффициента по поляризации Q₁₁=(2,23-2,73)·10^-2 м²/Кл² при 25°С. Одновременно предлагаемый материал требует более низкой температуры спекания (1160-1240°С) по сравнению с прототипом (1260-1300°С). Такое сочетание свойств выгодно отличает указанные составы от известных материалов и является благоприятным для применения заявляемого материала в устройствах, создающих большие микроперемещения.

Источники информации:

1. Gridnev S.A., Pavlova N.G., Rogova S.P. Electrostrictive properties of PbZrO₃ - К_0/5В_0/5TiO₃ ceramics. Proceeding of the ISAF′94. Pennsylvania. 1994. P.753-754.

2. Cross L.E., Jang S.J., Newnham R.E., Nomura S. and Uchino K. Large electro-strictive effects in relaxor ferroelectrics // Ferroelectrics. 1980. Vol.23. P.187-192.

3. Заявка на получение патента на пьезоэлектрическую керамику. DE 1646692 А, С 04 В 35/00, 31.05.1972, 8 с.

Состав для получения электрострикционного керамического материала, включающий в себя оксиды свинца, магния, ниобия, титана и циркония, отличающийся тем, что, с целью повышения электрострикционного коэффициента по полю и снижения температуры спекания, он содержит дополнительно оксид сурьмы при следующем соотношении компонентов, мас.%:

PbO	68,297÷68,304
MgO	3,597÷3,782
Nb2O5	23,722÷24,945
ZrO2	1,599÷2,498
TiO2	0,919÷1,436
Sb2O3	0,450÷0,451