Пьезоэлектрический керамический материал

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.

 

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе ниобата натрия и может быть использовано в силовых и высокочастотных ультразвуковых устройствах, в частности ультразвуковых пьезодвигателях и промышленных измельчителях.

Для указанных применений пьезоэлектрический керамический материал должен иметь высокие значения механической добротности, Qm, (более 1000), коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний, Kр, (более 0.15), пьезоэлектрического коэффициента d33 (более 50), пьезоэлектрического коэффициента |d31| (более 10), относительной диэлектрической проницаемости, ε 33 T ε 0 , (от 300 до 500).

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната бария, включающий оксиды ВаО, СаО, TiO2, SnO, ZrO. Материал имеет для лучших составов Qm=1126, |d31|=61.1 пКл/Н [1].

Данный материал имеет низкое значение температуры Кюри (ТС=110°C), что делает его малопригодным для указанных применений.

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий карбонаты Na2CO3, K2CO3, Li2CO3 и оксиды Nb2O5, Bi2O3, TiO2. Материал имеет для лучших составов ε 33 T ε 0 = 717 , d33=80 пКл/Н, Kр=0.24,2, Qm=88 [2].

Для указанных применений материал имеет слишком низкие значения Qm.

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий оксиды K2O, Na2O, Nb2O5, CdO. Материал имеет ε 33 T ε 0 = 1360 , Кр=0.12, |d31|=28 пКл/Н, Qm=1000 [3].

Для указанных применений материал имеет недостаточно высокие значения Кр и слишком большую величину ε 33 T ε 0 .

Наиболее близким к заявляемому материалу по технической сущности и достигаемому результату является пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий карбонаты Na2CO3, K2CO3 и оксиды Nb2O5, CuO. Материал имеет Qm=1408.2, |d31|=29.2 пКл/Н, d33=96.2 пКл/Н, Kр=0.389, ε 33 T ε 0 = 237 [4] (прототип).

Для указанных применений материал имеет недостаточно высокие значения ε 33 T ε 0 и слишком большую величину Qm.

Задачей изобретения является повышение значений относительной диэлектрической проницаемости до ε 33 T ε 0 = 300 при сохранении достаточно высоких значений Qm, Kр, d33, |d31|. При этом материал должен быть получен по обычной керамической технологии, допускающей его массовое производство.

Указанные результаты достигаются тем, что пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий Na2O, K2O, Nb2O5, CuO при следующем соотношении компонентов, в масс.%:

Na2O 13.87-14.87

K2O 4.24-5.62

Nb2O5 79.32-79.70

CuO 1.19-1.19.

Состав материала отвечает формуле:

aNaNbO3+bKNbO3+cCuNb2O6, где а=75.00-80.00 (в мол. %), b=15.00-20.00 (в мол. %), с=2.5 (в мол. %), а+b+с=100%.

Введение в материал на основе Na2O, K2O и Nb2O5 оксида меди CuO приводит к образованию в процессе спекания промежуточных Cu-содержащих соединений, в частности, K4CuNb8O23 с низкой температурой плавления (1050°C [5]), с которыми связано формирование жидких фаз, способствующих образованию более совершенной микрокристаллической (зеренной) структуры. При возрастании средних размеров кристаллитов (при формировании более совершенной микрокристаллической структуры) уменьшается площадь межзеренных границ, являющихся центрами пининга доменных стенок. Это способствует росту значения ε 33 T ε 0 .

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: K2O - «ч», Na2O - «ч.д.а.», Nb2O5 - «Нбо-Пт», CuO - «хч».

Пьезоэлектрический керамический материал изготавливается по обычной керамической технологии следующим образом. Синтез осуществляется путем однократного обжига смесей, предварительно полученных ниобатов NaNbO3 и KNbO3 и колумбита CuNb2O6. В качестве исходных реагентов выступали оксиды, мас.%: Na2O 13.87-14.87, K2O 4.24-5.62, Nb2O5 79.32-79.70, CuO 1.19-1.19. Температура обжига Тсинт.=(750-1050)°C, при длительности изотермической выдержке τ=5 ч. Спекание образцов в виде столбиков ⌀12 мм, высотой 15÷18 мм осуществляется при Тсп.=(1050-1130)°C, 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 K в течение 0.5 ч. Образцы поляризуют в полиэтиленсилоксановой жидкости при температуре 410 K в течение 40 мин в постоянном электрическом поле напряженностью 3 кВ/см.

В соответствии с ОСТ 11.0444-87 определяли электрофизические характеристики: относительную диэлектрическую проницаемость поляризованных ( ε 33 T ε 0 ) образцов, пьезомодули - (|d31|) и (d33), коэффициент электромеханической связи планарной моды колебаний (Кр), механическую добротность (Qm).

Полученные экспериментальные данные (табл.1, примеры 2-4) свидетельствуют о том, что пьезоэлектрический керамический материал предлагаемого состава обладает совокупностью электрофизических параметров, отвечающих задаче изобретения ( 300 < ε 33 T ε 0 , d33≥50 пКл/Н, |d31|≥10 пКл/Н, Kр>0.15, Qm>1000). Выход за пределы заявленных концентраций компонентов приводит к значительному снижению целевых параметров, в частности, Qm, ε 33 T ε 0 и Kр.

Данные, приведенные в табл.2, подтверждают преимущества предлагаемого пьезоэлектрического керамического материала по сравнению с материалом - прототипом, а именно повышение ε 33 T ε 0 m , при сохранении высоких значений Qm, Kр, d33 и |d31|, 1050, 0.17, 50 пКл/Н и 15 пКл/Н, соответственно.

Эффект повышения электрофизических параметров достигается по существу введением в материал, включающий Na2O, K2O и Nb2O5 большего количества оксида меди CuO.

Высокие значения ε 33 T ε 0 , Qm и Kр материала определяют основное его назначение - использование в силовых и высокочастотных ультразвуковых устройствах, в частности в ультразвуковых пьезодвигателях и промышленных измельчителях.

При условии согласования преобразователя с нагрузкой (Ri=RH) (обычно реализуемое в выпускаемой промышленностью радиоэлектронной аппаратуре выходное сопротивление RH ~ 50 Ом для высоких частот), используя формулу для емкостного сопротивления преобразователя: Ri=1/ωC, где Ri - емкостное сопротивление преобразователя, Ом; ω - круговая частота, Гц; С - емкость, Ф; можно приблизительно оценить интервалы значений емкости С=1/2πfRi для указанных диапазонов частот, а, следовательно, и относительной диэлектрической проницаемости поляризованных элементов, ε 33 T ε m = k C , где k - коэффициент, зависящий от размеров элементов, ε0=8.85·10-12 Ф - диэлектрическая проницаемость вакуума; при k=1, ε 33 T ε 0 = С . Таким образом, повышение значения ε 33 T ε 0 позволяет понизить рабочую частоту целевых ультразвуковых устройств для более эффективного их использования.

Источники информации

1. US 2013/0278681 А1, МПК G02B 27/00, H01l 41/43, H01l 41/047, дата публикации 24.10.2013.

2. CN 102180670 (А), МПК С04В 35/495, С04В 35/622, дата публикации 14.09.2011.

3. RU 2498960, МПК С04В 35/49, дата публикации 20.11.2013.

4. ЕР 1032057(А1), МПК H01L 41/187, дата публикации 23.02.2000.

5. Matsubara М., Yamaguchi Т., Sakamoto W., Kikuta К., Yogo Т., Hirano S.-I. Processing and Piezoelectric Properties of Lead-Free (K, Na) (Nb, Ta) О3 Ceramics // J. Am. Ceram. Soc. 2005. V.88. №5. P.1190-1196.

Таблица 1
Зависимость электрофизических параметров заявляемого пьезоэлектрического керамического материала от концентрации компонентов
№ п/п Состав, масс.% Электрофизические параметры
Na2O K2O Nb2O5 CuO ε 33 T / ε 0 Kp Qm d33, пКл/Н |d31|, пКл/Н
1 13.38 6.31 79.13 1.18 260 0.14 875 45 12
2 13.87 5.62 79.32 1.19 300 0.17 1050 50 13
3 14.37 4.93 79.51 1.19 305 0.17 1045 53 14
4 14.87 4.24 79.7 1.19 300 0.16 1030 50 13
5 15.37 3.53 79.9 1.2 280 0.15 90 35 10

Таблица 2

Пьезоэлектрический керамический материал, включающий Na2O, K2O, Nb2O5, отличающийся тем, что содержит дополнительно CuO при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Na2O 13,87-14,07
K2O 5,34-5,62
Nb2O5 79,32-79,40
CuO 1,19
или
Na2O 14,47-14,87
K2O 4,24-4,79
Nb2O5 79,55-79,70
CuO 1,19.



 

Похожие патенты:
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.

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам. Технический результат изобретения заключается в повышении коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний, снижении относительной диэлектрической проницаемости.

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.

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам. Технический результат изобретения заключается в снижении относительной диэлектрической проницаемости и температуры спекания материала.

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам и может быть использовано в низкочастотных приемных устройствах, гидрофонах, сонарах, работающих в гидростатическом режиме, акустических приемниках, датчиках давления.
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 пьезоэлектрическим керамическим материалам и может быть использовано при создании высокочастотных акустоэлектрических преобразователей.
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.

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам. Технический результат изобретения заключается в повышении коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний, снижении относительной диэлектрической проницаемости.

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.

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.

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.

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.
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.
Изобретение относится к области пироэлектрических керамических материалов и может быть использовано для создания пироэлектрических детекторов для регистрации теплового и светового потоков излучения.

Изобретение относится к технологии получения пьезоэлектрических керамических материалов на основе твердых растворов ниобатов калия-натрия (КНН), предназначенных для использования в электромеханических преобразователях, работающих в режиме приема, в частности, в гидроакустических приемных устройствах. Техническим результатом является улучшение спекаемости, повышение плотности пьезокерамических материалов, способность выдерживать жесткие условия поляризации для более полной переориентации сегнетоэлектрических доменов, снижение расхода сырья при производстве готовых изделий за счет исключения образования устойчивых промежуточных фаз, приводящих к нарушению стехиометрии материала, и за счет уменьшения летучести Na2O в процессе спекания. Для этого предварительно методом твердофазной реакции синтезируют соединения KNbO3 и NaNbO3, которые вводят в шихту, затем активируют шихту путем помола в планетарной мельнице с использованием мелющих тел с высокой удельной поверхностью, а спекание заготовок проводят в замкнутом объеме в присутствии засыпки порошка NaNbO3. 5 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр.

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 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 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 структуры. 2 табл.

Наверх