Пьезоэлектрический керамический материал



Пьезоэлектрический керамический материал
Пьезоэлектрический керамический материал

 


Владельцы патента RU 2440955:

Общество с ограниченной ответственностью "Норма" (ООО "Норма") (RU)

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе титаната свинца и может быть использовано в низкочастотных приемных устройствах - гидрофонах, микрофонах, сейсмоприемниках, а также в приборах медицинской диагностики, Работающих на нагрузку с низкоомным входным сопротивлением. Пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната свинца содержит оксиды свинца, ниобия, бария, магния, никеля, цинка при следующем соотношении компонентов, масс.%: РbO 66,58-66,71; Nb2O5 19,17-19,82; TiO2 7,23-7,86%; BaO 2,41-2,42%; MgO 1,89-1,96%; NiO 1,14-1,18; ZnO 0,83-0,86. Технический результат изобретения - материал обладает высокими значениями пьезомодулей и относительной диэлектрической проницаемости поляризованных образцов при достаточно высоких коэффициентах электромеханической связи планарной моды колебаний, удельной чувствительности, низкой механической добротности и скорости звука. 2 табл.

 

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе титаната свинца и может быть использовано в низкочастотных приемных устройствах - гидрофонах, микрофонах, сейсмоприемниках, а также в приборах медицинской диагностики, работающих на нагрузку с низкоомным входным сопротивлением.

Для указанных применений материал должен иметь высокие значения относительной диэлектрической проницаемости ε33T0 (>5000), пьезомодулей |d31| (>300 пКл/Н) или |d31|обр (>300 пм/В), при достаточно высоких коэффициентах электромеханической связи планарной моды колебаний Кр (≈0,6) и удельной чувствительности пКл/Н или пм/В), низкой механической добротности Qm(<100) и скорости звука .

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната свинца, включающий PbTiO3, PbZrO3, PbSb3/4Li1/4O3, PbW1/2B1/2O3 (В=Mg, Ni, Zn). Материал имеет ε33T0=1510÷3800, Кр=0,59÷0,71, |d31|=(300÷320) пКл/Н, . (Фесенко Е.Г., Данцигер А.Я., Разумовская О.Н. и др. Пьезокерамический материал. // Авторское свидетельство СССР №485996 от 09.06.1975 по заявке №1905692, приоритет от 09.04.1973, по МПК C04B 35/00, H01L 7/02). Для указанных применений материал имеет недостаточно высокие значения ε33T0.

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната свинца, включающий PbTiO3, PbZrО3, PbSb3/4Li1/4O3, PbW1/2Mg1/2O3, SrTiO3. Материал имеет ε33T0=2050÷4970, Кр=0,53÷0,72, |d31|=(156÷356) пКл/Н, , Qm=58÷120. (Авторское свидетельство СССР №812784 от 14.11.1980 по заявке №2770364, приоритет от 24.05.1979, по МПК C04В 35/00).

Для указанных применений материал имеет недостаточно высокие значения ε33T0 и недостаточно низкую Qm.

Недостатком всех указанных аналогов является также спекание их дорогостоящим методом горячего прессования с приложением к заготовке высоких давлений (200÷800) кг/см2. Высокая стоимость технологической оснастки метода и его цикличность значительно удорожают технологический процесс и стоимость материалов. Переход от этой технологии к обычной керамической в подобных материалах приводит к потере ~40% пьезосвойств (Андрюшин К.П., Резниченко Л.А. и др. Фазовый состав и пьезоэлектрические характеристики твердых растворов системы // Сб-к материалов 12-го Международного междисциплинарного симпозиума «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» («ODPO-2009»). Ростов-на-Дону. 2009. T.1. С.33-37).

Наиболее близким к заявляемому материалу по технической сущности и достигаемому результату является пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната свинца, включающий PbTiO3, PbZrO3, PbW1/2Ni1/O3, в котором часть Pb((0,5÷10)ат.%) замещена редкоземельными элементами (РЗЭ) Се или Sm. Состав материала отвечает химической формуле aPb(Nb2/3Mg1/3)O3-bPb(W1/2Ni1/2)O3-cPbTiO3-dPbZrO3, где 10<a+b≤55, 0.5≤b≤10, 30≤c≤50, 2.5≤d≤60, часть Pb замещается Се или Sm ((0.5÷10)ат.%), а+b+c+d=100 (a, b, c, d - мол.%), т.е. включает оксиды PbO, Nb2O5, TiO2, MgO, NiO, СеO2 и(или) Sm2O3.

Материал имеет (для лучших составов) ε33T0=5020÷7020, Кр=0,585÷0,668, |d31|обр=(322,6÷331,1) пм/В, . (Патент JP 4122081 (А). Опубл. 22.04.1992. Авторы: Isaki Noboru, Ariake Vutaka и др. По заявке № JP 19900243393, приоритет от 12.09.1990. H01L 41/18, H01L 41/187, H02N 2/00. Прототип).

Для указанных применений материал имеет недостаточно высокое значение ε33T0. Кроме того, использование в составе материала РЗЭ приводит к удорожанию материала и изделий из него.

Задачей изобретения является повышение ε33T0 и получение значений ε33T0>7000 при сохранении достаточно высоких |d31|, |d31|обр, Кр, и низких Qm, . При этом из состава материала должны быть исключены РЗЭ.

Указанные результаты достигаются тем, что пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната свинца, включающий PbO, Nb2O5, TiO2, MgO, NiO, дополнительно содержит BaO и ZnO при следующем соотношении компонентов, в масс.%:

PbO=66,58÷66.71 MgO=1.89÷1.96
Nb2O5=19.17÷19.82 NiO=1.14÷1.18
TiO2=7.23÷7.86 ZnO=0.83÷0.86
ВаО=2.41÷2.42

Состав материала отвечает формуле:

а(Pb0.95Ba0.05)TiO3+b(Pb0.95Ba0.05)Nb2/3Mg1/3O3+с(Pb0.95Ba0.05)Nb2/3Ni1/3O3+d(Pb0.95Ba0.05)Nb2/3Zn1/3O3, где a=28.750÷31.250 (в мол.%), b=44.545÷46.270 (в мол.%), c=14.560÷14.980 (в мол.%), d=9.645÷10.000 (в мол.%), а+b+с+d=100%.

В качестве исходных реагентов использовались оксиды следующих квалификаций: PbO, TiO2 - «ч»; BaCO3, NiO, MgO, ZnO - «ч.д.а.», Nb2O5 - «Нбо-Пт».

1. Пример изготовления пьезоэлектрического керамического материала

Материал изготавливается по обычной керамической технологии следующим образом. Синтез осуществляется путем двухкратных обжигов смесей, масс %: PbO=66,58, Nb2O5=19,81, TiO2=7,21, BaO=2,42, MgO=1,96, NiO=1,17, ZnO=0,85 с промежуточным помолом синтезированного продукта. Температуры обжигов Тсинт.1=1173 K, Тсинт.2=1223 K, длительности изотермических выдержек τ12=4 ч. Спекание образцов в виде столбиков ⌀12 мм, высотой 15÷18 мм осуществляется при Тсп=1453 К, длительность изотермической выдержки τ=2 ч. Металлизация (нанесение электродов) производится путем нанесения на плоские поверхности предварительно сошлифованных до толщины 1 мм образцов серебросодержащей пасты и последующего ее вжигания при температуре Твжиг=1070 К в течение 0,5 ч. Образцы поляризуют в полиэтиленсилоксановой жидкости при температуре 410 К в течение 40 мин в постоянном электрическом поле напряженностью 3 кВ/см.

2. Пример изготовления пьезоэлектрического керамического материала

Материал изготавливается по обычной керамической технологии следующим образом. Синтез осуществляется путем двухкратных обжигов смесей, масс %: PbO=66,63, Nb2O5=19,49, TiO2=7,54, BaO=2,42, MgO=1,92, NiO=1,16, ZnO=0,87 с промежуточным помолом синтезированного продукта. Температуры обжигов Тсинт.1=1173 К, Тсинт.2=1243 К, длительности изотермических выдержек τ12=4 ч. Спекание образцов в виде столбиков ⌀12 мм, высотой (15÷18) мм осуществляется при Тсп=1463 К, длительность изотермической выдержки τ=2 ч. Металлизация (нанесение электродов) производится путем нанесения на плоские поверхности предварительно сошлифованных до толщины 1 мм образцов серебросодержащей пасты и последующего ее вжигания при температуре Твжиг=1070 К в течение 0,5 ч. Образцы поляризуют в полиэтиленсилоксановой (ПС-5) жидкости при температуре 410 К в течение 40 мин. в постоянном электрическом поле напряженностью 3 кВ/см.

Электрофизические характеристики определяли в соответствии с ОСТ 11.0444-87: измерялись относительные диэлектрические проницаемости поляризованных (ε33T0) и неполяризованных (ε/ε0) образцов, прямые пьезомодули - (|d31|) и (d33), коэффициент электромеханической связи планарной моды колебаний (Кр), механическая добротность (Qm), модуль Юнга скорость звука температура сегнетоэлектрического фазового перехода (температура Кюри) (Tк), тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ), пьезоэлектрический коэффициент (пьезочувствительность) (g31). Обратный статический пьезомодуль (|d31|обр) измерен на установке, включающей прецизионную микрометрическую стойку для закрепления пьезоэлемента и измерительного датчика, стабилизированный источник электрического напряжения с плавной и дискретной регулировкой и цифровой индикацией выходного напряжения (диапазон напряжений 0-1500 В), измерительный индуктивный преобразователь перемещения с цифровой индикацией показаний и возможностью их вывода на самописец и компьютер.

На фиг.1, где изображена табл.1, приведены основные характеристики материала в зависимости от состава, а на фиг.2, где изображена табл.2, приведены основные электрофизические характеристики для оптимальных составов предлагаемого материала. Результаты испытания пьезоэлектрических керамических образцов приведены в акте.

Полученные экспериментальные данные (фиг.1, табл.1, примеры 3-5) свидетельствуют о том, что пьезоэлектрический керамический материал предлагаемого состава обладает оптимальными с точки зрения решаемой технической задачи характеристиками в указанном интервале величин компонентов.

Данные, приведенные на фиг.1, 2 (табл.1, 2), подтверждают преимущества предлагаемого пьезоэлектрического керамического материала по сравнению с материалом-прототипом, а именно повышение ε33T0 до значений ~9000 при сохранении высоких Кр и , низких Qm и .

Эффект повышения ε33T0 достигается, по существу, дополнительным введением в материал, включающий PbO, Nb2O5, TiO2, MgO, NiO, оксидов BaO и ZnO.

Предлагаемый пьезоэлектрический керамический материал получают по обычной керамической технологии без использования дорогостоящего метода горячего прессования (как в аналогах) и редкоземельных элементов (как в прототипе), что значительно упрощает и удешевляет технологический процесс.

Высокая ε33T0 материала определяет основное его назначение - использование в низкочастотных (<100 кГц) преобразователях. Это следует, прежде всего, из соотношения между емкостным сопротивлением R, частотой ω и емкостью С преобразователя: R=1/ωС. Действительно, при пониженных частотах необходимо повышение емкости (за счет ε33T0) для снижения сопротивления преобразователя, что улучшает его согласование с нагрузкой. При повышении емкости с указанной целью путем увеличения поверхности преобразователя повышение ε33T0 оказывается полезным и для снижения габаритов, что важно при разработке гидроакустических устройств. Одной из причин сравнительно больших размеров гидроакустических излучателей (и приемников) являются низкие рабочие частоты, способствующие уменьшению затухания звука в водной среде. Резонансный размер пьезопреобразователя t связан с длиной волны λ и, следовательно, со скоростью звука v и частотой f соотношением: t=λ/2=ν/2 f. Таким образом, для уменьшения размера гидроакустических преобразователей (к чему приводит снижение f) желательно снижение скорости звука в пьезокерамике, что реализуется в нашем случае (фиг.1, 2; табл.1, 2).

Достаточно высокие значения коэффициента электромеханической связи Кр и удельной чувствительности преобразователя определяют высокую эффективность электроакустических преобразователей в режимах приема и излучения.

Разработанный пьезоэлектрический керамический материал может быть использован в сейсмоприемниках, предназначенных для геофизической разведки полезных ископаемых. С их помощью регистрируется сейсмические колебания, искусственно вызванные действием взрыва. Основной параметр сейсмоприемника - чувствительность к изменению давления во внешней среде - в значительной степени обеспечивается высоким коэффициентом , а высокая ε33T0 благоприятна и для согласования сейсмоприемника, работающего в низкочастотном диапазоне, с нагрузкой (Данцигер А.Я., Резниченко Л.А. и др. Многокомпонентные системы сегнетоэлектрических сложных оксидов: физика, кристаллохимия, технология. Аспекты дизайна пьезоэлектрических материалов. Ростов-на-Дону. МП «Книга». Т.2. - 365 с).

Кроме работы на низких частотах предлагаемый материал может быть использован в приборах медицинской диагностики, работающих на нагрузку с низкоомным входным сопротивлением, которое обеспечивает согласование с ней преобразователя на высоких частотах. В таких устройствах низкая механическая добротность Qm разработанного материала способствует подавлению ложных колебаний.

Рассматриваемые материалы могут применяться также в преобразователях, использующих обратный пьезоэффект (в отличие от прямого - в приемных устройствах), - в вибровозбудителях перемещения. Это - линейные и шаговые двигатели малой мощности, преобразователи для юстирования зеркал в системах оптической связи, астрономии.

Из вышеуказанного следует, что технический результат изобретения достигается новой совокупностью существенных признаков как вновь введенных, так и известных, следовательно, заявляемый пьезоэлектрический керамический материал соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

Предлагаемый пьезоэлектрический керамический материал обеспечивает технический результат, не вызывает затруднений при изготовлении, предполагает использование основных (доступных и дешевых) материалов (реактивов) и стандартного оборудования, что свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «промышленная применимость».

Пьезоэлектрический керамический материал, включающий РbO, Nb2O5, TiO2, MgO, NiO, отличающийся тем, что дополнительно содержит ВаО и ZnO при следующем соотношении компонентов, мас.%:

РbO 66,58-66,71
Nb2O5 19,17-19,82
TiO2 7,23-7,86
ВаО 2,41-2,42
MgO 1,89-1,96
NiO 1,14-1,18
ZnO 0,83-0,86


 

Похожие патенты:

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе цирконата-титаната свинца и может быть использовано в высоковольтных актюаторах лазерных адаптивных систем, компенсаторов вибрации оборудования, приборов точного позиционирования объектов (микролитография, туннельные растровые микроскопы), а также в топливно-распределительных системах бензиновых и дизельных двигателей.
Изобретение относится к получению материалов для производства сегнетоэлектрической керамики, используемой в электронной технике. .

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 пиро- и пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе комплексных оксидов и может быть использовано для создания рабочих элементов датчиков пироэлектрических приемников теплового излучения в системах пожарной и охранной сигнализации и в пьезоэлектрических изделиях, используемых в качестве преобразователей в ультразвуковых дефектоскопах и толщиномерах.

Изобретение относится к материалам пьезотехники и может быть использовано при изготовлении пьезоэлектрических преобразователей ультразвуковых дефектоскопов , толщинометров, приборов медицинской диагностики.

Изобретение относится к материалам пьезотехники и может быть использовано в пьезоэлектрических преобразователях ультразвуковых приборов неразрушающего контроля (дефектоскопах, толщинометрах).
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.

Изобретение относится к области создания материалов, применяемых в электромеханике, и может быть использовано для создания электромеханических преобразователей (биморфов, актюаторов).

Изобретение относится к материалам электронной техники и радиотехники и может быть использовано в производстве керамических многослойных и монолитных конденсаторов.

Изобретение относится к пьезокерамическим материалам и может быть использовано для создания высокочастотных электромеханических преобразователей, в частности для ультразвуковых линий задержки.

Изобретение относится к пьезокерамическим материалам и может быть использовано при создании пьезопреобразователей для приборов высокотемпературной виброметрии, УЗ-аппаратуры для дефектоскопии и дефектометрии, УЗ-медицинской диагностической аппаратуры, геофизической УЗ-аппаратуры и высокочастотной гидроакустической аппаратуры (звуковидение)
Наверх