Пьезокерамический материал

Авторы патента:

Супрунова Валентина Ивановна (RU)

Добромыслова Евгения Валентиновна (RU)

Хафизов Рустэм Хусаинович (RU)

H01L41/187 - керамические составы

C04B35/491 - на основе цирконатов и титанатов свинца

Владельцы патента RU 2557278:

Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли (RU)

Изобретение относится к области производства пьезокерамических материалов, предназначенных для изготовления излучателей и приемников ультразвука, электромеханических преобразователей. Технический результат изобретения заключается в повышении температурной стабильности пьезокерамики. Пьезокерамический материал содержит следующие компоненты, мас.%: PbO 56,649-60,431; SrO 0,332-2,375; Na₂O 0,376-0,888; Bi₂O₃ 3,557-8,401; ZrO₂ 21,313-22,150; TiO₂ 11,528-12,050. 4 табл.

Стабильность электрофизических свойств пьезокерамического элемента (пьезоэлемента) в течение его срока службы, а также воспроизводимость параметров определяется в первую очередь стехиометрической формулой используемого материала, а также качеством и стабильностью сырьевых материалов, используемых для производства пьезокерамических материалов, режимами основных технологических процессов (синтез материала, спекание заготовок, поляризация).

Известен пьезокерамический материал, включающий оксиды свинца, циркония, титана, стронция, вольфрама, висмута, кадмия и никеля при следующем соотношении компонентов, мас.%:

PbO	64,05-64,52
ZrO₂	19,11-20,30
TiO₂	10,92-11,52
SrO	1,54-2,25
WO₃	0,23-0,62
Bi₂O₃	0,72-1,87
CdO	0,59-1,18
Ni₂O₃	0,59-1,18

(см. описание изобретения к патенту РФ №2288902, МПК C04B 35/491, публикация 10.12.2006).

Недостатком известного материала является низкое значение относительной диэлектрической проницаемости в сравнении с предлагаемым материалом.

Известен пьезокерамический материал, принятый в качестве прототипа, содержащий оксиды свинца, стронция, натрия, висмута, титана и циркония (см. описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1840654, МПК C04B 35/472, публикация 20.05.2008).

Недостатком известного пьезокерамического материала является недостаточная температурная стабильность электрофизических свойств.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является получение пьезокерамического материала, обладающего улучшенной температурной стабильностью.

Техническая задача решается тем, что пьезокерамический материал включает оксиды свинца, стронция, натрия, висмута, циркония и титана при следующем соотношении компонентов, мас.%:

PbO	56,649-60,431
SrO	0,332-2,375
Na₂O	0,376-0,888
Bi₂O₃	3,557-8,401
ZrO₂	21,313-22,150
TiO₂	11,528-12,050

Предлагаемый состав позволяет получить пьезокерамический материал, обладающий улучшенной температурной стабильностью и следующими электрофизическими параметрами:

- относительная диэлектрическая проницаемость ε^т _зз/ε_о: 2250-2800;

- пьезомодуль: d₃₁=(200±35), 10^-12 Кл/Н;

- пьезомодуль: d₃₃=(470±70), 10^-12 Кл/Н;

- тангенс угла диэлектрических потерь: tgδ≤1,9%.

Предлагаемый материал изготавливался по обычной «керамической» технологии.

При отработке технологии изготовления предлагаемого материала были изготовлены четыре партии шихты, содержащие оксиды свинца, висмута, циркония, титана, натрия и стронция в следующих мас.%:

шихта №1: PbO - 58,613; SrO - 1,473; Na₂O - 0,600; Bi₂O₃ - 5,671; ZrO₂ - 22,288; TiO₂ - 11,355;

шихта №2: PbO - 58,704; SrO - 1,475; Na₂O - 0,601; Bi₂O₃ - 5,680; ZrO₂ - 21,883; TiO₂ - 11,657;

шихта №3: PbO - 58,778; SrO - 1,477; Na₂O - 0,601; Bi₂O₃ - 5,687; ZrO₂ - 21,552; TiO₂ - 11,905;

шихта №4: PbO - 58,860; SrO - 1,479; Na₂O - 0,602; Bi₂O3 - 5,695; ZrO₂ - 21,182; TiO₂ - 12,180

Соотношения компонентов в шихте №2 и 3 входят в границы предлагаемого изобретения, а соотношения компонентов в шихте №1 и 4 лежат вне заявленных границ.

Смешение компонентов производилось в вибромельнице в течение 50 минут. После чего шихта подвергалась синтезу (температурной обработке) при температуре T=870°C и выдержке при максимальной температуре 2,8 часа. Затем синтезированный материал подвергался помолу в вибромельнице в течение 20 минут до дисперсности S_уд=5500 см²/г. При изготовлении опытной партии производились физико-химические исследования материала в соответствии с действующим технологическим процессом (определение свободной окиси свинца, удельного веса материала). Проведен рентгенофазовый анализ (РФА) опытных партий синтезированного материала.

Прессование заготовок ⌀26×4,5 производилось при Р_уд=750-1500 кг/см². Процесс спекания заготовок происходил при Τ=1180°С, с выдержкой при максимальной температуре 3 часа, с применением засыпки, обеспечивающей атмосферу паров PbO.

Механическая обработка проводилась методом шлифования алмазными кругами в размер ⌀20×1.

Металлизация заготовок проводилась нанесением серебросодержащей пасты методом шелкографии с последующим вжиганием пасты при температуре T=(800±10)°C в электрической туннельной печи.

Поляризация осуществлялась в установках камерного типа в воздушной среде по следующему режиму:

температура нагрева: T=210°C;

напряженность: E=0,8 кВ/1 мм;

охлаждение до 50°C.

Определение электрофизических параметров производилось в соответствии с ОСТ 11 0444-87 «Материалы пьезокерамические» после 5 суток старения.

В таблице 1 приведены электрофизические параметры пьезокерамических материалов, изготовленных из шихты при различных соотношениях компонентов.

В таблице 2 приведены для сравнения электрофизические параметры предлагаемого пьезокерамического материала, изготовленного из шихты №2, и серийно изготавливаемые зарубежные и отечественные пьезокерамические материалы, а также прототипа (см. Электронный каталог фирмы «MORGAN ADVANCED MATERIALS», США: http://http://www.morganelectroceramics.com/materials/soft-pzt/; Электронный каталог фирмы «APC International Ltd.», США: https://www.americanpiezo.corn/apc-materials/piezoelectric-properties.html; Электронный каталог фирмы «Ferroperm Piezoceramics», США: http://www.ferroperm-piezo.coni/; ОСТ 11 0444-87 «Материалы пьезокерамические»).

В таблице 3 приведены температурные зависимости электрофизических параметров пьезоэлементов, изготовленных из шихты №2 предлагаемого пьезокерамического материала в интервале температур от минус 60°C до плюс 85°C, проводимые по методу 205-2 согласно ГОСТ 20.57.406-81 «Комплексная система контроля качества. Изделия электронной техники, квантовой электроники и электротехнические. Методы испытаний».

Параллельно проведены аналогичные испытания по определению температурной зависимости электрофизических параметров пьезоэлементов, изготовленных из пьезокерамического материала, изготавливаемого из шихты №1, результаты которых представлены в таблице 4.

Из анализа таблицы 1 видно, что пьезокерамический материал, изготавливаемый из шихты №1, обладает лучшими электрофизическими параметрами по сравнению с предлагаемым пьезокерамическим материалом из шихты №2 и №3. Однако температурные уходы предлагаемого пьезокерамического материала значительно меньше температурных уходов пьезокерамического материала, изготавливаемого из шихты №1, о чем свидетельствует сравнение значений таблиц 3 и 4. Электрофизические параметры материала (см. таблицу 1), изготавливаемого из шихты №4, не удовлетворяют заявленным значениям.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет улучшить температурную стабильность пьезокерамического материала, обладающего заявленными электрофизическими параметрами.

Пьезокерамический материал, включающий оксиды свинца, стронция, натрия, висмута, циркония и титана, отличающийся тем, что он содержит следующее соотношение компонентов, мас.%:

PbO	56,649-60,431
SrO	0,332-2,375
Na₂O	0,376-0,888
Bi₂O₃	3,557-8,401
ZrO₂	21,313-22,150
TiO₂	11,528-12,050

Изобретение относится к пьезокерамическим материалам и может быть использовано при создании ультразвуковых преобразователей, в частности устройств медицинской диагностики.

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 // 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 // 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 // 2542004

Пьезоэлектрический керамический материал // 2498958

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

Керамический материал, способ его изготовления и электрокерамический структурный элемент, содержащий электрокерамический материал // 2469988

Изобретение относится к керамическому материалу, содержащему цирконат-титанат свинца и дополнительно включающему Nd и Ni, и может быть использовано для изготовления пьезоэлектрических возбудителей.

Пьезокерамический материал // 2453518

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).

Пьезоэлектрический керамический материал // 2440955

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 // 2440954

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.

Пьезокерамический материал для изготовления слоистых гетероструктур // 2552509

Изобретение относится к области пьезокерамических материалов, предназначенных для изготовления многослойных ультразвуковых устройств в виде слоистых гетероструктур, являющихся основой различных пьезодатчиков (давления, медицинской диагностики, эмиссионного контроля гидроакустической аппаратуры и т.д.), работающих в режиме приема.

Пьезокерамический материал // 2514353

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.

Способ приготовления безводных пленкообразующих растворов для формирования сегнетоэлектрических пленок цирконата-титаната свинца с низкой температурой кристаллизации // 2470866

Изобретение относится к области химического синтеза металлосодержащих растворов сложного состава, включающих как алкоксидные, так и карбоксилатные производные металлов, применяемых для получения оксидных твердых растворов с использованием золь-гель технологии, а именно к способам приготовления безводных пленкообразующих растворов для формирования сегнетоэлектрических пленок цирконата-титаната свинца с низкой температурой кристаллизации и может быть использовано в технологии микроэлектроники и, в частности, для производства энергонезависимых радиационно-стойких сегнетоэлектрических запоминающих устройств.

Способ приготовления безводных пленкообразующих растворов для формирования сегнетоэлектрических пленок цирконата-титаната свинца // 2465969

Изобретение относится к области химического синтеза металлосодержащих растворов сложного состава, включающих как алкоксидные, так и карбоксилатные производные металлов, применяемых для получения оксидных твердых растворов с использованием золь-гель технологии, а именно к способам приготовления безводных пленкообразующих растворов для формирования сегнетоэлектрических пленок цирконата-титаната свинца, и может быть использовано в технологии микроэлектроники и, в частности, для производства энергонезависимых сегнетоэлектрических запоминающих устройств.

Способ получения нанопорошков соединений на основе оксидов титана, свинца и циркония // 2379259

Изобретение относится к химической технологии получения нанопорошков композиционных материалов на основе оксидов свинца, титана и циркония, используемых для получения керамики со специальными свойствами.

Пьезокерамический материал // 2357942

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.

Пьезокерамический материал // 2288902

Изобретение относится к области сегнетомягких пьезокерамических материалов, предназначенных для ультразвуковых устройств, работающих в режиме приема, различных пьезодатчиков, а также для устройств монолитного типа, таких как многослойные пьезоэлектрические актюаторы.

Пьезокерамический материал // 2219143

Изобретение относится к области сегнетожестких пьезокерамических материалов. .

Пьезокерамический материал // 2186748

Способ изготовления керамических пьезоматериалов из нано- или ультрадисперсных порошков фаз кислородно-октаэдрического типа // 2612174

Изобретение относится к способу изготовления керамических пьезоматериалов из нано- и ультрадисперсных порошков фаз кислородно-октаэдрического типа, содержащих в позиции (В) ионы титана (IV), ниобия (V), циркония (IV), вольфрама (VI). цинка (II), никеля (II) и железа (III), кобальта (III) и других p- или d-элементов. Технический результат изобретения - повышение относительной диэлектрической проницаемости и пьезомодулей при сохранении у пьезоматериалов коэффициентов электромеханической связи. Способ получения керамических пьезоматериалов из нано- и/или ультрадисперсных порошков фаз кислородно-октаэдрического типа характеризуется тем, что нано- и/или ультрадисперсные порошки фаз кислородно-октаэдрического типа перед операцией формования и спекания обрабатывают спиртовым или водно-спиртовым раствором 1-8 мас. % гликолята аммония (NH4HC2O3), или формиата аммония (NH4COOH), или их смесей, после чего жидкую фазу удаляют, а полученный порошок высушивают. Пресс-заготовку, изготовленную из обработанного таким образом порошка, спекают 1,5-3 часа при температуре от 900 до 1250°С. 5 з.п. ф-лы, 30 пр., 2 табл.