Пироэлектрический керамический материал

Авторы патента:

C04B35/495 - на основе оксидов ванадия, ниобия, тантала, молибдена или вольфрама или их твердых растворов с другими оксидами, например ванадаты, ниобаты, танталаты, молибдаты или вольфраматы

Владельцы патента RU 2360890:

Общество с ограниченной ответственностью "Вектор 06" (ООО "Вектор 06") (RU)

Изобретение относится к области пироэлектрических керамических материалов и может быть использовано для создания пироэлектрических детекторов для регистрации теплового и светового потоков излучения. Техническим результатом является уменьшение уровня виброшумов за счет увеличения соотношения пирокоэффициента к пьезомодулю. Технический результат достигается тем, что пироэлектрический керамический материал, включающий окислы Na₂O, Li₂O, Nb₂O₅, SrO, согласно изобретению дополнительно содержит Ag₂O или Fe₂O₃ при следующем соотношении компонентов, мол.%: Na₂O 42,5-43,03, Li₂O 6,07-6,15, Nb₂O₅ 48,96-49,57, SrO 0,98-1,0, Ag₂O 0,25-1,49 или Fe₂O₃ 0,25-1,49. 1 табл.

Известны пироэлектрические материалы, используемые в качестве рабочих тел термоэлементов, например монокристаллические пироэлектрики (RU 2079582 С1, МПК⁶ С30В 29/22, дата публикации 20.05.1997) [1], содержащие оксид сурьмы, оксид ниобия и оксид никеля при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

оксид сурьмы	49-53
оксид ниобия	47-49
оксид никеля	0,4-1,8

Указанные составы позволяют увеличить пирокоэффициент γ, а также пироэлектрическую добротность γ/ε, где ε - диэлектрическая проницаемость.

По сравнению с монокристаллами керамические материалы значительно дешевле, проще в изготовлении, поляризуются в любом направлении, из них могут быть приготовлены элементы необходимой формы и размеров.

Известная пьезоэлектрическая пироэлектрическая керамическая композиция (JP 1242464, 7МПК С04В 35/46, H04L 41/18, дата публикации 1989.09.27 [2], состава

(Bi_1/2A_1/2)_1-x (Sr_APb_b·Ca_c)_x TiO₃, где A - Na, К или Li, направленная на уменьшение диэлектрической постоянной и диэлектрических потерь, что приводит к повышению пироэлектрической чувствительности приемников на основе этого материала.

Недостатком известного материала является использование в его основе токсичных химических соединений на основе оксидов висмута, стронция и свинца.

Указанные выше материалы, являясь полярными диэлектриками, обладают пьезоэлектрическим эффектом. Поэтому в пироэлектрических преобразователях борьба с виброшумами пьезоэлектрического происхождения имеет принципиальное значение. Очевидно, что при любых мерах подавления виброшумов (крепление к арматуре, использование дифференциальных схем включения) следует отдавать предпочтение материалам с максимальным значением величины отношения пирокоэффициента γ к величине пьезоэлектрического модуля d₃₃-γ/d₃₃.

Из известных сегнето-пироэлектрических материалов наиболее близким по составу и достигаемому результату к настоящему изобретению является пироэлектрический пьезоэлектрический материал (А.С. SU №694478, кл. С04В 35/00) [3], принимаемый за прототип.

Материал содержит в своем составе NaNbO₃, LiNbO₃, SrO₃ при следующих соотношениях, мол.%:

NaNbO₃	85,53÷87,24
LiNbO₃	12,22÷12,46
SrO₃	0,3÷2,25

Такая система имеет низкие значения диэлектрической проницаемости (ε₃₃ ^T/ε₀=110-130), довольно низкие диэлектрические потери (tgδ=1,69%-2,98% в слабом поле), сравнительно высокие значения коэффициента электромеханической связи (К_Р=0,136÷0,225), пирокоэффициента γ=(1,3÷1,7)·10^-4 Кл·м^-2·К^-1.

Однако отношение пирокоэффициента к пьезомодулю γ/d₃₃=(7,9÷9,6)·10⁴ Н·м^-2·К^-1, что приводит к значительным виброшумам пьезоэлектрического происхождения.

Техническим результатом заявляемого изобретения является уменьшение уровня виброшумов за счет увеличения соотношения пирокоэффициента к пьезомодулю.

Технический результат достигается тем, что пироэлектрический керамический материал, включающий окислы Na₂O, Li₂O, Nb₂O₅, SrO, согласно изобретению дополнительно содержат Ag₂O или Fe₂O₃ при следующем соотношении компонентов, мол.%:

Na₂O	42,5÷43,03
Li₂O	6,07÷6,15
Nb₂O₅	48,96÷49,57
SrO	0,98÷1,0
Ag₂O	0,25÷1,49
или Fe₂O₃	0,25÷1,49

Осуществление изобретения

Исходными материалами для синтеза взяты оксиды и карбонаты металлов следующих квалификаций:

- Na₂СО₃ -"ч.д.а",

- Nb₂O₅ - "Нбо-Пт",

- Li₂CO₃ - "хч",

- SrCO₃ - "хч",

- AgO - "ч.д.а",

- Fe₂O₃ - "хч".

Синтез образцов осуществлялся методом твердофазных реакций с двукратным обжигом при 800 и 850°С в течение 5 час каждый; спекание - методом горячего прессования при 1050-1100°С (в зависимости от состава); давление 19,6 МПа подавалось в течение 40 мин в условиях изотермической выдержки при температуре спекания.

Поляризацию образцов проводили в полисилоксановой жидкости при 140°С в течение 45 мин в поле напряженностью 5,5·10⁶ В/м, с последующим охлаждением под полем до 90°С. Определение электрофизических параметров проводилось в соответствии с ОСТ 110444-87 [4]. Рентгеноструктурные исследования полученного материала показали, что при комнатной температуре в нем содержится смесь фаз: моноклинная и ромбоэдрическая.

Параметры моноклинной фазы:

- а=с=3,914 Å,

- в=3,869 Å,

- β=90,73°,

- объем V=59,27 Å³.

Параметры ромбоэдрической фазы:

- а=3,914 Å,

- α=89,27°,

- V=59,98 Å³.

Результаты испытаний электрофизических параметров составов заявляемой системы, полученных при различных концентрациях компонентов и температурах спекания, представлены в таблице.

Самые высокие значения γ/d₃₃=20,8·10⁶ Н·м^-2·К^-1; γ=3,0·10^-4 Кл·м^-2·К^-1; коэффициента электромеханической связи К_Р=0,22 зафиксированы в составах №6, 4, 3 соответственно. Состав 6, кроме того, имеет наиболее низкие значения тангенса диэлектрических потерь tgδ=1,7% и температуры спекания Т_с=1020°С.

Сочетание в заявляемом материале повышенных значений γ/d₃₃ с достаточно высокими значениями γ, К_Р, сравнительно низкими значениями относительной диэлектрической проницаемости ε₃₃ ^T/ε₀, tgδ и удельной плотности ρ является благоприятным для более эффективного его применения в пироэлектрических устройствах, где необходимо исключить влияние шумов пьезоэлектрического происхождения (акустические воздействия; упругие деформации и механические напряжения, возникающие под действием собственных инерционных сил при ускорениях от вибраций и т.п.).

Совокупность электромеханических параметров предлагаемого материала обусловлена его качественным и количественным составом, что подтверждают также примеры 9-10 таблицы, демонстрирующие ухудшение свойств за пределами заявленной области концентраций компонентов. Нарушение заявляемых пределов приводит, как видно из табл.1, к уменьшению γ/d₃₃ повышению tgδ, ε₃₃ ^Т/ε₀.

Источники информации

1. RU 2079582 С1, МПК⁶ С30В 29/22, дата публикации 20.05.1997.

2. JP 1242464, 7МРК С04В 35/46, H04L 41/18, дата публикации 1989.09.27.

3. А.С. SU №694478, кл. С04В 35/00.

4. Материалы пьезокерамические. Технические условия. Отраслевой стандарт ОСТ 110444-87, М., 1998, с.18.

Таблица
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ состав системы NaNbO₃-Li₂O-Nb₂O₅-SrO-Ag₂O(Fe₂O₃)
№ пп	Na₂O	Li₂O	Nb₂O₅	SrO	Ag₂O	Fe₂O₃	ε₃₃ ^Т/ε₀	tgδ, % в слабом поле	К_Р	γ·10⁴, Кл·м^-2·К^-1	γ/d₃₃·10⁶, Н·м^-2 К^-1	ρ·10³, кг·м^-3	T спекания, °С
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
1	43,03	6,15	49,57	1,0	0,25	-	185	2,24	0,158	2,2	13,7	4,53	1050
2	42,92	6,13	49,45	1,0	0,50	-	150	1,75	0,203	2,5	14,7	4,55	1160
3	42,81	6,12	49,32	1,0	0,75	-	145	2,7	0,22	2,4	12,9	4,31	1100
4	42,50	6,07	48,96	0,98	1,49	-	150	2,55	0,187	3,0	14,9	4,5	1100
5	43,03	6,15	48,57	1,0	-	0,25	175	2,12	0,184	2,2	11,1	4,48	1080
6	42,92	6,13	48,45	1,0	-	0,50	158	1,7.	0,176	2,6	20,8	4,5	1020
7	42,81	6,12	48,32	1,0	-	0,75	162	1,7	0,185	2,6	12,8	4,51	1070
8	42,50	6,07	48,96	0,98	-	1,49	146	2,15	0,176	2,5	12,5	4,5	1040
9	43,09	6,16	49,65	1	0,1		250	1,69	0,207	2,5	12,0	4,54	1045
10	43,09	6,16	49,65	1		0,1	180	3,39	0,162	2,1	10,2	4,5	1090

Пироэлектрический керамический материал, содержащий оксиды Na₂O, Li₂O, Nb₂O₅, SrO, отличающийся тем, что он дополнительно содержит Ag₂O или Fe₂O₃ при следующем соотношении компонентов, мол.%:

Na₂O	42,5÷43,03
Li₂O	6,07÷6,15
Nb₂O₅	48,96÷49,57
SrO	0,98÷1,0
Ag₂O	0,25÷1,49

или

Fe₂O₃

0,25÷1,49

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе метаниобата лития и может быть использовано в устройствах дефектоскопического контроля оборудования атомных реакторов, работающих при высоких температурах.

Способ получения керамических образцов твердых растворов полуторных оксидов ванадия и хрома // 2206539

Изобретение относится к способу получения керамических образцов на основе оксида ванадия V2О3 , легированного оксидом хрома Cr2О3. .

Высокочастотный керамический материал (варианты) // 2170219

Изобретение относится к керамическим материалам на основе окислов титана и может быть использовано в производстве многослойных высокочастотных термостабильных керамических конденсаторов с электродами на основе сплава, содержащего Ag и Pd, а также в производстве микроволновых фильтров.

Керамический материал на основе цинкзамещенного ниобата висмута // 2167842

Изобретение относится к керамическим материалам на основе цинкзамещенного ниобата висмута и может быть использовано в производстве многослойных высокочастотных термостабильных керамических конденсаторов с электродами на основе сплава, содержащего Ag и Pd, а также в производстве многослойных микроволновых фильтров.

Способ получения титанатов, цирконатов, ниобатов щелочных и щелочноземельных металлов // 2079469

Изобретение относится к области цветной металлургии и может быть использовано в производстве синтетических материалов для керамических диэлектриков. .

Терморезистивный материал // 1608165

Изобретение относится к электронной технике, может быть использовано при изготовлении линейных датчиков температуры - терморезисторов с отрицательным коэффициентом электросопротивления, применяемых в системах аварийной сигнализации.

Керамический материал для термокомпенсирующих конденсаторов // 1595817

Изобретение относится к материалам электронной техники и может быть использовано для изготовления термокомпенсирующих высокочастотных конденсаторов. .

Пьезоэлектрический керамический материал // 1565825

Изобретение относится к материалам пьезотехники и может быть использовано в качестве пьезопреобразователя для датчиков, работающих в широком диапазоне температур и давлений.

Пьезоэлектрический керамический материал // 1444321

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материа лам и может быть использовано для создания высокочастотных электромеханических преобразователей, в частности в ультразвуковых линиях задержки , моночастотных резонаторах, работающих на толпцшньпс колебаниях, акселерометров , работающих в широком диапазоне температур.

Пьезоэлектрический керамический материал // 1428744

Изобретение относится к области пьезотехники и может быть использовано для создания высокочастотных электромеханических преобразователей, основанных на явлении пьезоэлектричества , в частности в ультразвуковых линиях задержки, моночастотных резонаторах li.

Тело, полученное спеканием, и его применение // 2378226

Изобретение относится к химически устойчивым материалам, в частности, применяемым для облицовки реакционных сосудов, реакторов, мельниц, пресс-форм и т.п., которые используют при производстве анодов для электролитических конденсаторов с твердым электролитом

Порошок moo2, способы изготовления пластины из порошка moo2 (их варианты), элемент и способ изготовления тонкой пленки из нее, способ распыления с применением указанной пластины // 2396210

Пьезоэлектрический керамический материал // 2498959

Изобретение относится к производству пьезоэлектрических керамических материалов и может быть использовано для создания высокочастотных электромеханических преобразователей, применяемых, в частности, в ультразвуковых линиях задержки (эксплуатируемых в частотном диапазоне (20÷30) мГц), высокочувствительных моночастотных резонаторах, работающих на толщинных колебаниях; в устройствах, где весовые характеристики являются решающими. Пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия содержит оксиды натрия, ниобия, лития, стронция, алюминия и марганца при следующем соотношении компонентов, масс.%: Na2O 16.28÷16.50, Nb2O5 http://79.61-e-80.71÷, Li2O 1.12÷1.14, SrO 0.63÷0.64, Al2O3 0.31÷0.32, MnO2 0.69÷2.05. Материал изготавливают по обычной керамической технологии. Температура обжига при синтезе 1133 К. Технический результат изобретения - материал обладает низким значением относительной диэлектрической проницаемости поляризованных образцов, высокой пьезочувствительностью на толщинной моде колебаний, достаточно высоким значением механической добротности, а также высокой скоростью звука, низкой плотностью, высокой пьезоанизотропией. 3 пр., 5 табл., 5 ил.

Пьезоэлектрический керамический материал // 2498960

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе ниобата натрия и может быть использовано для создания низкочастотных приемных устройств - гидрофонов, микрофонов, гидроприемников, а также для создания низкочастотных электромеханических преобразователей, возбуждающих металлические резонаторы с высокой скоростью звука. Пьезоэлектрический керамический материал содержит оксиды натрия, калия, кадмия и ниобия при следующем соотношении компонентов, мас.%: Na2O 8,75÷9,72, K2O 5,31÷5,38, CdO 9,15÷10,88, Nb2O5 75,05÷75,77. Материал изготавливается по обычной керамической технологии. Технический результат изобретения - материал обладает высокими значениями относительной диэлектрической проницаемости поляризованных образцов, скорости звука, механической добротности. 3 пр., 5 ил.

Пьезоэлектрический керамический материал // 2498961

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе ниобатов натрия-калия и может быть использовано в среднечастотных радиоэлектронных устройствах, работающих в режиме приема, в том числе в трансдукторах ультразвуковых передатчиков. Техническим результатом изобретения является снижение механической добротности, повышение значений пьезомодуля, пьезочувствительности, удельной чувствительности и коэффициента электромеханической связи. Пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобатов натрия-калия включает Na2O, K2O, Nb2O5, Li2O, Ta2O5, Sb2O5 и NiO при следующем соотношении компонентов, в мас.%: Na2O - 8,49-8,67; K2O - 11,00-11,25; Nb2O5 - 60,68-61,98; Li2O - 0,49-0,65; Ta2O5 - 11,20-11,44; Sb2O5 - 5,33-7,15; NiO - 0,82-0,83. 3 пр., 5 ил., 2 табл.

Пьезоэлектрический керамический материал // 2542008

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам. Технический результат изобретения заключается в снижении механической добротности, относительной диэлектрической проницаемости поляризованных образцов, в повышении пьезомодуля, пьезочувствительности, удельной чувствительности, коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний. Пьезоэлектрический керамический материал содержит следующие элементы, мас.%: Na2O 8,77-8,84; K2O 11,36-11,44; Li2O 0,32-0,33; Ta2O5 11,58-11,67; Sb2O5 3,53-3,56; Nb2O5 62,71-63,17; NiO 0,99-1,73. 3 табл., 3 пр.

Пьезоэлектрический керамический материал // 2542009

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам. Технический результат изобретения заключается в повышении коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний, снижении относительной диэлектрической проницаемости. Пьезоэлектрический керамический материал содержит следующие компоненты, мас.%: Na2O 8,61-8,70; К2O 11,15-11,26; Li2O 0,49-0,50; Та2O5 11,37-11,49; Nb2O3 61,59-62,19; Bi2O3 0,37-1,10; Fe2O3 0,13-0,38; Sb2O5 5,31-5,37. 3 пр., 3 табл.

Пьезоэлектрический керамический материал // 2542012

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам. Технический результат изобретения заключается в снижении относительной диэлектрической проницаемости и механической добротности, в повышении пьезочувствительности, коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний, скорости звука. Пьезоэлектрический керамический материал содержит следующие компоненты, мас.%: Na2O 9,41-9,51; K2O 12,25-12,42; CdO 0,75-1,12; Nb2O5 77,22-77,32. 3 пр., 3 табл.

Пьезоэлектрический керамический материал // 2548278

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам и может быть использовано при создании высокочастотных акустоэлектрических преобразователей. Пьезоэлектрический керамический материал содержит оксиды натрия, ниобия, стронция, лития, алюминия, висмута и железа при следующем соотношении компонентов, мас.%: Na2O 16.32-16.40, Nb2O5 79.81-80.20, SrO 0.63, Li2O 1.12-1.13, Al2O3 0.40, Bi2O3 0.92-1.28, Fe2O3 0.32-0.44. Технический результат изобретения - снижение значения относительной диэлектрической проницаемости и повышение значения коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний при сохранении достаточно высоких значений механической добротности. 2 табл.

Пьезоэлектрический керамический материал // 2551156

Изобретение относится к пьезокерамическим материалам и может быть использовано при создании ультразвуковых преобразователей, в частности устройств медицинской диагностики. Пьезокерамический материал на основе системы твердых растворов aNaNbO3+bKNbO3+cCuNb2O6 (а+b+с=100%) содержит оксиды натрия, калия, ниобия и меди при следующем соотношении компонентов, мас.%: Na2O 13,87-14,87; K2O 4,24-5,62; Nb2O5 79,32-79,70; CuO 1,19. Технический результат изобретения: материал характеризуется повышенным значением относительной диэлектрической проницаемости , при сохранении достаточно высоких значений механической добротности (Qm=1050) и пьезоэлектрических характеристик. Это обусловлено образованием в процессе спекания промежуточных Cu-содержащих соединений с низкой температурой плавления, с которыми связано формирование жидких фаз, способствующих образованию более совершенной микрокристаллической (зеренной) структуры. 2 табл.