Пьезоэлектрический керамический материал



 


Владельцы патента RU 2498958:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южный федеральный университет" (RU)

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам и может быть использовано в низкочастотных приемных устройствах, гидрофонах, сонарах, работающих в гидростатическом режиме, акустических приемниках, датчиках давления. Состав материала, мас.%: PbO 69,39-69,68, Nb2O5 17,98-19,28, TiO2 7,46-8,73, MgO 1,76-1,90, NiO 1,08-1,14 и ZnO 0,77-0,83, что соответствует фазовому составу: aPbTiO3+bPbNb2/3Mg1/3O3+cPbNb2/3Ni1/3O3+dPbNb2/3Zn1/3O3, где а=30.00÷35.00 (в мол.%), b=41.95÷45.41 (в мол.%), c=13.93÷14.77 (в мол.%), d=9.12÷9.82 (в мол.%), a+b+c+d=100%. Гетеровалентное модифицирование материала на основе PbO (Pb2+), Nb2O5 (Nb5+), TiO2 (Ti4+) и ZnO (Zn2+) оксидами двухвалентных металлов MgO (Mg2+) и NiO (Ni2+) приводит к образованию кислородных вакансий в процессе спекания и к формированию сегнетомягкой структуры, повышению мобильности доменных стенок и, как следствие, повышению диэлектрической проницаемости ε 33   T ε 0 , пьезомодуля d33, гидростатического пьезомодуля dh и гидростатической добротности dh·gh и снижению механической добротности Qm за счет усиления внутреннего трения при большой подвижности доменных стенок. 2 табл.

 

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе титаната свинца и может быть использовано в низкочастотных приемных устройствах, например, гидрофонах, сонарах, работающих в гидростатическом режиме, а также в других электромеханических преобразователях - акустических приемниках, датчиках давления.

Для указанных применений пьезоэлектрический керамический материал должен иметь высокие значения гидростатического пьезомодуля, dh, (более 100 пКл/Н), гидростатической добротности (гидростатического параметра приема), dh·gh, (более 300·10-15 м2/Н), относительной диэлектрической проницаемости, ε 33 T ε 0 , (более 3000), при достаточно высоких значениях пьезомодуля d33 (более 400 пКл/Н), коэффициентах удельной чувствительности, d 33 / ε 33 T / ε 0 (более 7,0 пКл/Н) и низкой механической добротности, Qm, (менее 50).

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната свинца, включающий оксиды PbO, TiO2, ZrO2, Nb2O5, MgO, MnO2. Материал имеет d33=311 пКл/Н, dh=91 пКл/Н, ε 33 T ε 0 = 1280 , Qm=3500, (US 005173460, C04B 35/46, дата публикации 22.12.1992) [1].

Для указанных применений материал имеет недостаточно высокие значения d33, dh, ε 33 T ε 0 и слишком высокие значения величины Qm.

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната свинца, включающий оксиды PbO, TiO2, ZrO2, Nb2O5, MgO, в котором часть Pb ((4÷8)ат.%) замещена Ba или Sr. Материал имеет ε 33 T ε 0 = 3200 ÷ 3320 , d33=(467÷504) пКл/Н, Qm=640÷855 (US 2005/0178997 A1, H01L 41/04, дата публикации 18.08.2005) [2].

Для указанных применений материал имеет недостаточно низкую Qm.

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната свинца, включающий оксиды PbO, TiO2, ZrO2, Nb2O5, ZnO, NiO, в котором часть Pb ((0÷5)ат.%) замещена Ba, Sr или Ca. Материал имеет ε 33 T ε 0 = 1260 ÷ 3030 , d33=(450÷870) пКл/Н, d 33 / ε 33 T / ε 0 = ( 7.0 ÷ 12,7 ) пКл/Н (US 2007/0252484 A1, H01L 41/187, дата публикации 01.11.2007) [3].

Для указанных применений материал имеет недостаточно высокие значения ε 33 T ε 0 .

Наиболее близким к заявляемому материалу по технической сущности и достигаемому результату является пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната свинца, включающий оксиды PbO, Nb2O5, TiO2, ZnO, BaO (либо SrO) (US 5527480, C04B 35/46, дата публикации 18.06.1996) [4], принимаемый за прототип. Состав прототипа отвечает химической формуле aPb(Zn1/3Nb2/3)O3-bPbTiO3-cMTiO3 (М-Ва или Sr), где 60≤a≤87,5, 9,5≤b≤20, 1≤с≤20, a+b+с=100 (a, b, с - мол.%). Прототип имеет для лучших составов ε 33 T ε 0 = 2860 , d33=540 пКл/Н, |d31|=228 пКл/Н, dh=84 пКл/Н, dh·gh=279·10-15 м2/Н.

Для указанных применений материал имеет недостаточно высокие значения ε 33 T ε 0 , dh и dh·gh. Кроме того, материал, в основном, получают лабораторным золь-гельным методом.

Задачей изобретения является повышение значений относительной диэлектрической проницаемости до ε 33 T ε 0 = 3000 ÷ 4000 ; гидростатического пьезомодуля до dh>100 пКл/Н и гидростатической добротности до dh·gh>300 10-15 м2/Н при сохранении достаточно высоких значений пьезомодуля d33>400 пКл/Н коэффициента удельной чувствительности d 33 / ε 33 T / ε 0 > 7,0 пКл/Н и низкой механической добротности Qm<50. При этом материал должен быть получен по обычной керамической технологии, допускающей его массовое производство.

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

PbO 69,39-69,68 MgO 1,76-1,90
Nb2O5 17,98-19,28 NiO 1,08-1,14
TiO2 7,46-8,73 ZnO 0,77-0,83

Состав материала отвечает формуле:

aPbTiO3+bPbNb2/3Mg1/3O3+cPbNb2/3Ni1/3O3+dPbNb2/3Zn1/3O3, где a=30.00÷35.00 (в мол.%), b=41.95÷45.41 (в мол.%), с=13.93÷14.77 (в мол.%), d=9.12÷9.82 (в мол.%), a+b+c+d=100%.

Гетеровалентное модифицирование материала на основе PbO (Pb2+), Nb2O5 (Nb5+), TiO2 (Ti4+) и ZnO (Zn2+) оксидами двухвалентных металлов MgO (Mg2+) и NiO (Ni2+) приводит к образованию кислородных вакансий в процессе спекания и к формированию более сегнетомягкой структуры, повышению мобильности доменных стенок и, как следствие, повышению диэлектрической проницаемости, ε 33 T ε 0 , пьезомодуля, d33, гидростатического пьезомодуля, dh и гидростатической добротности, dh·gh, и снижению механической добротности, Qm, за счет усиления внутреннего трения при большой подвижности доменных стенок.

В табл.1 приведены значения электрофизических параметров пьезоэлектрического керамического материала в зависимости от состава.

В табл.2 приведены сравнительные электрофизические параметры прототипа и оптимального состава заявляемого пьезоэлектрического керамического материала.

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

Пьезоэлектрический керамический материал изготавливается по обычной керамической технологии следующим образом. Синтез осуществляется путем двухкратных обжигов смесей, масс %: PbO 69,11-69,97, Nb2O5 16,67-20,57, TiO2 6,19-10,02, MgO 1,64-2,01, NiO 0,99-1,24, ZnO 0,72-0,88 с промежуточным помолом синтезированного продукта. Температуры обжигов Тсинт.1=1173 К, Тсинт.2=1223-1243 К, длительности изотермических выдержек τ12=4 ч. Спекание образцов в виде столбиков ⌀12 мм, высотой 15÷18 мм осуществляется при Тсп.=1473-1493 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.

В соответствии с ОСТ 11.0444-87 определяли электрофизические характеристики: относительные диэлектрические проницаемости поляризованных ( ε 33 T ε 0 ) образцов, прямые пьезомодули - (|d31|) и (d33), механическую добротность (Qm). Значения гидростатического пьезомодуля, dh, определяли по формуле dh=d33+2·d31, а гидростатической чувствительности, gh,: g h = d h / ε 33 T , где ε0=8,85*10-12 Ф/м.

Полученные экспериментальные данные (табл.1, примеры 3-5) свидетельствуют о том, что пьезоэлектрический керамический материал предлагаемого состава обладает совокупностью электрофизических параметров, отвечающих задаче изобретения ( ε 33 T ε 0 > 3000 , dh>100 пКл/Н, dh·gh>300·10-15 м2/Н, d33>400 пКл/Н, d 33 / ε 33 T / ε 0 > 7,0 пКл/Н, Qm<50). Выход за пределы заявленных концентраций компонентов приводит к значительному снижению целевых параметров, в частности, dh и dh·gh.

Данные, приведенные в табл.2, подтверждают преимущества предлагаемого пьезоэлектрического керамического материала по сравнению с материалом - прототипом, а именно, повышение dh, dh·gh и ε 33 T ε 0 до значений ~110 пКл/Н, 333-10-15 м2/Н и 4100 (в лучшем составе - пример №4 табл.1), соответвественно, при сохранении высоких d33 и d 33 / ε 33 T / ε 0 , низких Qm.

Эффект повышения электрофизических параметров достигается по существу дополнительным введением в материал, включающий PbO, Nb2O5, TiO2, оксидов MgO, NiO, ZnO.

Высокие значения ε 33 T ε 0 , dh и dh·gh материала определяют основное его назначение - использование в различных низко- и среднечастотных (<1 МГц) преобразователях (в том числе, и в сонарах). Высокие значения гидростатического параметра приема dgh необходимы для повышения чувствительности гидрофонов и сонаров на основе разработанного материала. Кроме того, высокие значения вышеуказанных параметров, а также удельной чувствительности d 33 / ε 33 T / ε 0 делают возможным эффективное использование керамического материала в системах пассивной гидролокации.

Высокая ε 33 T ε 0 материала способствуют снижению сопротивления преобразователя (R=1/ωС), что улучшает его согласование с нагрузкой. При повышении емкости с указанной целью путем увеличения поверхности преобразователя повышение ε 33 T ε 0 оказывается полезным и для снижения габаритов, что важно при разработке гидроакустических устройств. Кроме того, достаточно высокие значения ε 33 T ε 0 материала позволяют не использовать различного рода предусилители в схеме работы целевого устройства, за счет снижения потерь электрического сигнала. Низкая механическая добротность Qm разработанного материала способствует подавлению ложных колебаний, что необходимо при использовании материала в устройствах работающих в режиме приема (например, в гидрофонах).

Кроме того, за счет высоких значений пьезоэлектрических коэффициентов керамики на основе разработанного материала могут быть использованы в устройствах низкочастотной пьезоэлектрической виброметрии. В частности, высокоэффективные пьезоэлектрические виброметры на основе разработанного материала могут применятся при испытаниях аэрокосмических конструкций на флаттер (сочетание самовозбуждающихся незатухающих изгибающих и крутящих колебаний элементов конструкции самолета, либо несущего винта вертолета, возникающих при достижении некоторой скорости, зависящей от характеристик данного летательного аппарата) и бафтинг (вынужденные колебания всей конструкции или ее частей, вызванные периодическим срывом турбулентных вихрей с расположенных впереди конструктивных элементов при их обтекании). Точное определение указанных характеристик необходимо для создания безопасных и надежных конструкций планеров и отдельных частей летательных аппаратов. Кроме того, повышение требований к конструкциям современных планеров ведет за собой и необходимость более детальной их проверки. Так, одним из требований, выдвигаемым к истребителю пятого поколения является сверхманевренность (способность некоторых самолетов сохранять устойчивость и управляемость на закритических углах атаки с высокими перегрузками). Достижение последней возможно при повышенных нагрузках на элементы силовой конструкции самолета, что, в свою очередь, делает необходимым более тщательные их испытания, в том числе, с помощью пьезоэлектрической виброметрии. Кроме того, необходимость фиксирования малых колебаний, делает возможным применение высокоэффективных пьезоэлектрических устройств при оценке работы авиационных двигателей различных конструкций.

Керамики на основе разработанного материала могут также использоваться в качестве возбудителей волн Лэмба при лазерной диагностике (дефектоскопии) материалов для аэрокосмической техники. Высокие пьезосвойства разработанного материала позволяют создавать устройства демпфирования малых паразитных колебаний в элементах аэрокосмических конструкций.

Источники информации:

1. US 5173460, НКИ 501/134; 501/135; 501/136, МПК C04B 35/495, 35/499, 035/46, H01L 41/187, 41/18, дата публикации 22.12.1992;

2. US 2005/0178997 A1 НКИ 252/62.9PZ, 310/311, 501/134, 501/136, 252/062.9PZ, 501/134, 501/136, 310/311, МПК H01L 041/04, C04B 035/46, C04B 035/48, C04B 035/49, дата публикации 18.08.2005.

3. US 2007/0252484 A1, НКИ 310/358, МПК H01L 41/187 20060101 H01L 041/187; C04B 35/00 20060101 C04B 035/00, дата публикации 01.11.2007.

4. US 5527480, НКИ 252/62.9PZ, 264/614, 264/621, 501/136, МПК C04B 35/495, C04B 35/497, H01L 41/187, H01L 41/18, C04B 035/46, C04B 035/64, дата публикации 18.06.1996 - прототип.

Таблица 1
Зависимость электрофизических параметров заявляемого пьезоэлектрического керамического материала от концентрации компонентов
N п/п Состав, масс.% Электрофизические параметры
PbO Nb2O5 TiO2 MgO NiO ZnO ε 33 T / ε 0 d33, пКл/Н |d31|, пКл/Н dh, пКл/Н gh 10-3, Вм/Н dh·gh, 10-15, м2 d 33 / ε 33 T / ε 0 , пКл/Н QM
1 69,11 20,57 6,19 2,01 1,24 0,88 5500 280 130 20 0,41 8 3,78 28
2 69,26 19,93 6,82 1,96 1,17 0,86 4700 370 170 30 0,72 22 5,44 32
3 69,39 19,28 7,46 1,90 1,14 0,83 4400 490 186 118 3,03 357 7,38 37
4 69,54 18,63 8,09 1,83 1,11 0,80 4100 530 210 110 3,03 333 8,28 42
5 69,68 17,98 8,73 1,76 1,08 0,77 3300 410 154 102 3,49 356 9,22 49
6 69,82 17,32 9,38 1,69 1,05 0,74 2800 310 120 70 2,8 196 5,85 70
7 69,97 16,66 10,02 1,64 0,99 0,72 2200 250 110 40 2,0 80 5,33 105
Таблица 2
Сравнительные электрофизические параметры прототипа и заявляемого пьезоэлектрического керамического материала
N п/п Материал ε 33 T / ε 0 d33, пКл/Н |d31|, пКл/Н dh, пКл/Н gh 10-3, Вм/Н dh·gh, 10-15, м2 d 33 / ε 33 T / ε 0 , пКл/Н QM
1 Прототип US 5527480 2860 540 228 84 3,30 279 10,09 -
2 Состав №4 4100 530 210 110 3,03 333 8,28 42

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

PbO 69,39-69,68
Nb2O5 17,98-19,28
TiO2 7,46-8,73
MgO 1,76-1,90
NiO 1,08-1,14
ZnO 0,77-0,83



 

Похожие патенты:
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 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).

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.

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 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).

Изобретение относится к области получения сложных оксидных материалов, в частности к получению титанатов щелочноземельных металлов или свинца, частично замещенных железом, и может быть использовано для производства материалов газовых сенсоров, работающих при высоких (выше 1000°C) температурах, а также материалов, обладающих важными для практического использования электрическими, магнитными, оптическими и магнитооптическими характеристиками.
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 области получения полимерных композитов, в частности композиционных полимерных материалов с пьезоэлектрическими свойствами, используемых в качестве датчиков контроля состояния элементов конструкций в процессе воздействия различных видов нагружения.

Изобретение относится к составам легкоплавких стеклокристаллических композиционных материалов, предназначенных для спаивания стеклопластин при изготовлении газоразрядных индикаторных панелей и стеклопакетов, а также для спаивания кремниевых пластин, при изготовлении структур кремний-на-изоляторе и интегральных сенсоров, для защиты и герметизации электронных компонентов и интегральных схем.

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 пьезотехнике, например, для изготовления излучателей и приемников ультразвука, пьезодатчиков давления. .

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

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.
Наверх