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 - 8,56÷8,75, K2O 12,75÷13,01, Nb2O5 77,28÷77,35, CuO 1,16 или Na2O 9,22÷9,50, K2O 11,69÷12,09, Nb2O5 77,53÷77,64, CuO 1,16. Технический результат изобретения: материал характеризуется повышенным значением механической добротности (Qm=500), пониженной величиной относительной диэлектрической проницаемости (εT33/ε=345) при сохранении высоких пьезоэлектрических характеристик. Это обусловлено образованием в процессе спекания промежуточных Сu-содержащих соединений с низкой температурой плавления, с которыми связано формирование жидких фаз, уплотняющих структуру, и, как следствие, снижающих сопротивление образца на частоте пьезоэлектрического резонанса. 2 табл.

 

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе ниобата натрия и может быть использовано в ультразвуковых преобразователях, в частности в устройствах медицинской диагностики.

Для указанных применений пьезоэлектрический керамический материал должен иметь достаточно высокие значения механической добротности, Qm (более 400), коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний, Кр (более 0.30), пьезоэлектрического коэффициента d33 (более 90), пьезоэлектрического коэффициента |d31| (более 30) и невысокую относительную диэлектрическую проницаемость, ε33T0 (от 300 до 500).

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната бария, включающий карбонаты Na2CO3, K2CO3, BaCO3, Li2CO3, и оксиды Bi2O3, Nb2O5, Ta2O5, TiO2. Материал имеет для лучших составов Qm=319, d33=97 пКл/Н, Кр=0.21, ε33T0=755 [1].

Для указанных применений материал имеет недостаточно высокие значения Qm и слишком большую величину ε33T0 .

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий карбонаты Na2CO3, K2CO3 и оксиды Nb2O5, In2O3. Материал имеет ε33T0=380, d33=93 пКл/Н, Кр=0.301 [2].

Для указанных применений материал имеет недостаточно высокие значения Кр. Кроме того, указанный материал в своем составе содержит дорогостоящий оксид редкоземельного элемента In2O3.

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий карбонаты Li2CO3, Na2CO3, K2CO3 и оксиды Nb2O5, Ta2O5 с добавками Ni2+. Материал имеет Qm=108-457, |d31|=39.6-50.5 пКл/Н, Кр=0.292-0.356, ε33T0=672-822 [3].

Для указанных применений материал имеет недостаточно высокие значения Qm и слишком большую величину ε33T0.

Наиболее близким к заявляемому материалу по технической сущности и достигаемому результату является пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия (ЕР 1032057 A1, H01L 41/187, дата публикации 30.08.2000) [4], принимаемый за прототип настоящего изобретения, включающий оксиды K2O, Na2O, Nb2O5, CuO. Известный материал имеет ε33T0=237, Кр=0.389, Qm=1408.2.

Для указанных применений материал имеет недостаточно высокие значения ε33T0 и слишком большую величину Qm.

Задачей настоящего изобретения является понижение значений относительной диэлектрической проницаемости до ε33T0=300-500; повышение механической добротности Qm=500 при сохранении высокой пьезоэлектрической активности (Кр>0.3, d33>90, |d31|>30). При этом материал должен быть получен по обычной керамической технологии, допускающей его массовое производство.

Указанный результат достигается тем, что пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий Na2O, K2O, Nb2O5 и Cu-содержащее соединение, отличающийся тем, что в качестве Cu-содержащего соединения используется двойной ниобат меди CuNb2O6 при следующем соотношении исходных компонентов, масс. %:

Na2O - 8,56÷8,75

K2O - 12,75÷13,01

Nb2O5 - 77,28÷77,35

CuO - 1,16÷1,16 г

или

Na2O - 9,22÷9,50

K2O - 11,69÷12,09

Nb2O5 - 77,53÷77,64

CuO - 1,16÷1,16

Состав материала отвечает формуле:

aNaNbO3+bKNbO3+cCuNb2O6,

где a=50.00 (в мол. %), b=45 (в мол. %), с=2.5 (в мол. %), а+b+с=100%.

В рассматриваемом европейском патенте (ЕР 1032057 A1, H01L 41/187, дата публикации 30.08.2000) Cu-содержащее соединение вводится в состав твердого раствора сверх стехиометрии в форме монооксида (CuO), в то время как для изготовления заявленного нами материала мы используем предварительно синтезированный двойной ниобат меди - CuNb2O6, вводимый в соответствии со стехиометрией. Последнее способствует встраиванию катионов Cu2+ в кристаллическую решетку и их равномерному распределению в отличие от сверхстехиометрического введения CuO в противопоставляемом патенте. Кроме того, появление дополнительной концентрации К+ (за счет введения соединения CuNb2O6) способствует компенсации потерь этого легколетучего катиона из-за гидролиза гидрокарбоната калия в ходе синтеза. Введение соединения CuNb2O6 в отличие от модифицирования CuO позволяет также избежать образования низкоплавких эвтектик на стадии синтеза, приводящих к нарушению стехиометрии и, как следствие, появлению примесных фаз [5].

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.», Nb2O3 - «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, масс. %:

Na2O - 8,56÷8,75

K2O - 12,75÷13,01

Nb2O5 - 77,28÷77,35

CuO - 1,16÷1,16

или

Na2O - 9,22÷9,50

K2O - 1,69÷12,09

Nb2O5 - 77,53÷77,64

CuO - 1,16÷1,16

Темпеатура обжига Тсинт=(750-1050)°C при длительности изотермической выдержки 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=1070К 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: относительную диэлектрическую проницаемость поляризованных (ε33T0) 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<ε33T0<500, d33≥90 пКл/Н |d31|≥30 пКл/Н, Кр>0.3, Qm>400). Выход за пределы заявленных концентраций компонентов приводит к значительному снижению целевых параметров, в частности Qm и Кр.

Данные, приведенные в табл. 2, подтверждают преимущества заявляемого пьезоэлектрического керамического материала по сравнению с материалом-прототипом, а именно повышение Qm и понижение ε33T0 до значений ~500 пКл/Н и 345 соответственно при сохранении высоких Кр, d33 и |d31|, 0.32, 90 пКл/Н и 30 пКл/Н, соответственно. Эффект повышения электрофизических параметров достигается по существу введением в материал, включающий Na2O, K2O и Nb2O5, оксида меди CuO.

Высокие значения Qm и Кр материала определяют основное его назначение

- использование в различных ультразвуковых преобразователях, работающих в высокочастотном диапазоне, в частности в устройствах медицинской диагностики. В традиционных медицинских ультразвуковых излучателях используется частота менее 10 МГц, что позволяет несколько повысить глубину проникновения сигнала за счет некоторого снижения итогового разрешения.

При условии согласования преобразователя с нагрузкой (Ri=Rн) (обычно реализуемое в выпускаемой промышленностью радиоэлектронной аппаратуре выходное сопротивление Rн ~50 Ом для высоких частот), используя формулу для емкостного сопротивления преобразователя: Ri=1/ωС, 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, ε33T0=k·С, где k - коэффициент, зависящий от размеров элементов, ε0=8.85·10-12 Ф - диэлектрическая проницаемость вакуума при k=1, ε33T0=С.Таким образом, для работы на частоте 10 МГц необходимы значения ε33T0≈300, что соответствует параметрам заявляемого материала.

Источники информации

1. CN 103172370 А, МПК С04В 35/475, С04В 35/468, С04В 35/622, дата публикации 26.06.2013.

2. ЕР 1876755(А1), МПК С04В 35/00, H01L 41/187, дата публикации 09.01.2008.

3. ЕР 1947071 (А1), МПК С04В 35/495; H01L 41/187, дата публикации 23.07.2008.

4. ЕР 1032057(А1), МПК H01L 41/187, дата публикации 30.08.2000 - прототип.

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
N п/п Состав, масс.% ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
Na2O K2O Nb2O5 CuO ε33T0 Kp Qm d33, пКл/Н |d31|, пКл/Н
1 8.09 13.66 77.1 1.15 240 0.2 215 80 20
2 8.56 13.00 77.28 1.16 308 0.3 472 84 26
3 9.22 12.09 77.46 1.16 345 0.32 500 90 30
4 9.50 11.70 77.64 1.16 334 0.31 454 71 25
5 9.99 11.03 77.82 1.16 355 0.21 220 65 21
Таблица 2
Сравнительные электрофизические параметры прототипа и заявляемого пьезоэлектрического керамического материала
N п/п Материал ε33T0 Kp Qm d33, пКл/Н |d31|, пКл/Н
1 Прототип ЕР 1032057 A1 672-822 0.292-0.356 108-457 96.2 39.6-50.5
2 Состав №3 345 0.32 500 90 30

Пьезоэлектрический керамический материал, включающий Na2O, K2O, Nb2O5 и Cu-содержащее соединение, отличающийся тем, что в качестве Cu-содержащего соединения используется двойной ниобат меди CuNb2O6 при следующем соотношении исходных компонентов, масс. %:
Na2O - 8,56÷8,75
K2O - 12,75÷13,01
Nb2O5 - 77,28÷77,35
CuO - 1,16÷1,16
или
Na2O - 9,22÷9,50
K2O - 11,69÷12,09
Nb2O5 - 77,53÷77,64
CuO - 1,16÷1,16



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области производства пьезокерамических материалов, предназначенных для изготовления излучателей и приемников ультразвука, электромеханических преобразователей.

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

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

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 пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе ниобатов натрия, калия, лития и может быть использовано в ультразвуковых преобразователях, работающих в широком диапазоне температур в режиме приема, в частности в датчиках детонации двигателей внутреннего сгорания. Технический результат - повышение температурной стабильности относительной диэлектрической проницаемости ε33 T/ε0 и коэффициента электромеханической связи Kp материала в диапазоне температур от 293 К до 393 К, и повышение Кр до значений, превышающих 0.40, при сохранении высоких значений ε33 T/ε0 и d31. Пьезоэлектрический керамический материал содержит оксиды натрия, калия, лития, тантала, сурьмы и никеля при следующем соотношении исходных компонентов, мас.%: Na2O 8.25-8.42, K2O 10.68-10.89, Li2O 0.47-0.48, Ta2O5 10.89-11.11, Sb2O5 5.09-5.19, Nb2O5 58.96-60.16, NiO 3.75-5.66. 2 табл., 3 ил.

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 - 8,56÷8,75, K2O 12,75÷13,01, Nb2O5 77,28÷77,35, CuO 1,16 или Na2O 9,22÷9,50, K2O 11,69÷12,09, Nb2O5 77,53÷77,64, CuO 1,16. Технический результат изобретения: материал характеризуется повышенным значением механической добротности, пониженной величиной относительной диэлектрической проницаемости при сохранении высоких пьезоэлектрических характеристик. Это обусловлено образованием в процессе спекания промежуточных Сu-содержащих соединений с низкой температурой плавления, с которыми связано формирование жидких фаз, уплотняющих структуру, и, как следствие, снижающих сопротивление образца на частоте пьезоэлектрического резонанса. 2 табл.

Наверх