Пьезоэлектрический керамический материал

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе титаната свинца. Технический результат изобретения заключается в повышении значений относительной диэлектрической проницаемости ε 33 T / ε 0 = 13500 16460 при сохранении высоких значений пьезомодуля |d31|=131-156 пКл/Н и коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний Kp=0.19-0.24. Пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната свинца содержит, мас.%: PbO 65.61-65.92, Nb2O5 19.28-20.56, TiO2 6.19-7.46, ВаО 2.37-2.38, MgO 0.61-0.68, NiO 3.46-3.64, ZnO 0.89-0.95. 2 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе титаната свинца и может быть использовано в многорежимных перестраиваемых пьезоэлектрических устройствах, например адаптивных системах фокусировки изображения.

Для указанных применений пьезоэлектрический керамический материал должен иметь высокие значения относительной диэлектрической проницаемости, ε 33 T / ε 0 , более 13000 при достаточно высоких значениях пьезомодуля, |d31|, более 100 пКл/Н и коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний, Kp, более 0.15.

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната свинца, включающий оксиды PbO, ZrO2, TiO2, MgO, Nb2O5, NiO и Ta2O3, состав которого отвечает химической формуле: aPb(Mg1/3Nb2/3)O3-bPb(Ni1/3Ta2/3)O3-cPbTiO3-dPbZrO3, где 10≤a+b≤55, 30≤с≤50, 2.5≤d≤60, 0.01≤b/a≤2.0, a+b+c+d=100. Материал для лучших составов имеет ε 33 T / ε 0 = 6510 , |d31|=277.5 пКл/Н [1].

Для указанных применений материал имеет недостаточно высокие значения относительной диэлектрической проницаемости ε 33 T / ε 0 .

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната свинца, включающий оксиды PbO, TiO2, ZrO2, Nb2O5, MgO, с добавками Sr, Ва, Са, La, Pr, Nd, Zn, Sn и Bi, состав которого отвечает химической формуле: aPb(Mg1/3Nb2/3)O3-bPb(Ni1/3Sb2/3)O3-cPbTiO3-dPbZrO3, где 10<a+b≤55, 0.5≤b≤10, 30≤с≤50, 2.5≤d≤60, a+b+c+d=100. Материал для лучших составов имеет ε 33 T / ε 0 = 8370 , |d31|=229.4 пКл/Н [2].

Для указанных применений материал также имеет недостаточно высокие значения ε 33 T / ε 0 . Кроме того, материал в своем составе содержит дорогостоящие редкоземельные компоненты празеодим Pr и неодим Nd, что значительно увеличивает себестоимость продукции.

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната свинца, включающий оксиды PbO, ZrO2, TiO2, MgO, Nb2O5, NiO и Та2О5, состав которого отвечает химической формуле: aPb(Mg1/3Nb2/3)O3-bPb(Ni1/3Ta2/3)O3-cPbTiO3-dPbZrO3, где 10≤a+b≤55, 30≤с≤50, 2.5≤d≤60, 0.01≤b/a≤2.0, a+b+c+d=100, в котором часть Pb(0-10) ат.%) замещена Sr и/или Са. Материал для лучших составов имеет ε 33 T / ε 0 = 8550 , |d31|=310.2 пКл/Н [3].

Для указанных применений материал также 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, BaO, ZnO, MgO, NiO [4], принимаемый за прототип настоящего изобретения.

Известный состав отвечает химической формуле a(Pb0.95Ba0.05)TiO3+b(Pb0.95Ba0.05)Nb2/3Mg1/3O3+c(Pb0.95Ba0.05)Nb2/3Ni1/3O3+d(Pb0.95B a0.05)Nb2/3Zn1/3O3, где а=28.750-31.250 (в мол.%), b=44.545-46.270 (в мол.%), с=14.560-14.980 (в мол.%), d=9.645-10.000 (в мол.%), a+b+c+d=100%. Материал имеет для лучших составов ε 33 T / ε 0 = 9020 , |d31|=335 пКл/Н, Кр=0.62.

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

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение значений относительной диэлектрической проницаемости ε 33 T / ε 0 до 13000-16000 при сохранении достаточно высоких значений пьезомодуля |d31|, более 100 пКл/Н и коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний, Kp, более 0.15.

Указанный технический результат достигается тем, что пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната свинца, содержащий PbO, Nb2O5, TiO2, BaO, ZnO, MgO, и NiO, согласно изобретению он содержит указанные компоненты в следующих соотношениях, (в мас.%):

PbO 65.61-65.92 MgO 0.61-0.68
Nb2O5 19.28-20.56 NiO 3.46-3.64
TiO2 6.19-7.46 ZnO 0.89-0.95
BaO 2.37-2.38

Состав материала отвечает формуле:

a(Pb0.95Ba0.05)TiO3+b(Pb0.95Ba0.05)Nb2/3Mg1/3O3+c(Pb0.95Ba0.05)Nb2/3Ni1/3O3+d(Pb0.95Ba0.05)Nb2/3Zn1/3O3, где a=25.00-30.00 (в мол.%), b=15.14-16.44 (в мол.%), с=44.31-47.26 (в мол.%), d=10.55-11.30 (в мол.%), a+b+c+d=100%.

Выбранное соотношение компонентов материала соответствует твердому раствору с явно выраженными свойствами сегнетоэлектрика-релаксора, у которых при повышении частоты измерительного электрического поля наблюдается смещение и размытие максимума относительной диэлектрической проницаемости в сторону высоких температур. Авторами обнаружено, что структура заявляемого материала имеет кубическую и псевдокубическую со слабыми искажениями кристаллической решетки симметрию в зависимости от состава, что способствует формированию высоких значений ε 33 T / ε 0 . Кроме того, повышению ε 33 T / ε 0 способствует свойственное сегнетоэлектрикам-релаксорам отсутствие классической доменной структуры. Как известно, сегнетоэлектрики-релаксоры характеризуются наличием полярных нанообластей, расположенных в неполярной (кубической) матрице. Наличие полярных нанообластей и их упорядочение объясняет высокие значения диэлектрических и пьезоэлектрических параметров.

На фигуре приведена температурная зависимость относительной диэлектрической проницаемости ε 33 T / ε 0 в диапазоне частот измерительного электрического поля 100 Гц - 1 МГц заявляемого материала, полученная на измерительном стенде Agilent Е4980 (США).

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

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

Пьезоэлектрический керамический материал изготавливается по обычной керамической технологии следующим образом. Синтез осуществляется путем двухкратных обжигов смесей, мас.%: PbO 65.61-65.92, Nb2O5 19.28-20.56, TiO2 6.19-7.46, ВаО 2.37-2.38, MgO 0.61-0.68, NiO 3.46-3.64, ZnO 0.89-0.95 с промежуточным помолом синтезированного продукта. В качестве исходных реагентов использовались оксиды следующих квалификаций: PbO, TiO2 - «ч»; ВаО, NiO, MgO, ZnO - «ч.д.а.», Nb2O5 - «Нбо-Пт». 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 K 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, прямой пьезомодуль (|d31|), коэффициент электромеханической связи планарной моды колебаний (Kp).

Полученные экспериментальные данные (табл. 1, примеры 2-4) свидетельствуют о том, что пьезоэлектрический керамический материал предлагаемого состава обладает совокупностью электрофизических параметров, отвечающих задаче изобретения: повышенным значением относительной диэлектрической проницаемости ( ε 33 T / ε 0 = 13500 16460 ) при сохранении достаточно высоких значений пьезомодуля (|d31|=131-156 пКл/Н) и коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний (Kp=0.19-0.24). Выход за пределы заявленных концентраций компонентов приводит к значительному снижению целевых параметров, в частности относительной диэлектрической проницаемости ε 33 T / ε 0 .

Данные, приведенные в табл. 2, подтверждают преимущества предлагаемого пьезоэлектрического керамического материала по сравнению с материалом-прототипом, а именно повышение ε 33 T / ε 0 до значения ~ 16610, при сохранении достаточно высоких |d31| (135) и Kp (0.19) (в лучшем составе - пример №3 табл. 1).

Эффект повышения электрофизических параметров достигается соотношением компонентов PbO, Nb2O5, TiO2, ВаО, ZnO, MgO и NiO, позволяющим получить твердый раствор с выраженными свойствами сегнетоэлектрика-релаксора. Как следует из графика (см. чертеж), заявляемый материал характеризуется сдвигом температуры максимума относительной диэлектрической проницаемости в сторону высоких температур при увеличении частоты измерительного электрического поля, что свидетельствует о том, что состав является сегнетоэлектриком-релаксором. Снижение содержания титаната свинца и повышение содержания никель ниобата свинца по сравнению с прототипом приводит к появлению свойств сегнетоэлектрика-релаксора в заявляемом материале.

Высокие значения ε 33 T / ε 0 определяют основное его назначение - использование в многорежимных перестраиваемых устройствах. Кроме того, высокие значения ε 33 T / ε 0 позволяют применять элементы на основе предлагаемого материала в устройствах гидроакустики, работающих на прием слабых сигналов. При этом высокие значения ε 33 T / ε 0 позволяют исключать различного рода предусилители в схеме работы целевого устройства за счет снижения потерь электрического сигнала.

Источники информации

1. JPH 0340964 A, МПК C04B 35/49, 35/00, H01B 3/12, H01L 41/187, дата публикации 21.02.1991.

2. JPH 0350156 A, МПК C04B 35/49, 35/00, H01B 3/12, H01L 41/187, дата публикации 4.03.1991.

3. JPH 03122050 A, МПК C04B 35/49, 35/00, H01L 41/187, дата публикации 24.05.1991.

4. RU 2440955 C2, МПК C04B 35/499, H01L 41/187, дата публикации 27.01.2012 - прототип.

Пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната свинца, включающий PbO, Nb2O5, TiO2, BaO, ZnO, MgO и NiO, отличающийся тем, что он содержит указанные компоненты в следующих количествах, мас.%: PbO 65.61-65.92; Nb2O5 19.28-20.56; TiO2 6.19-7.46; BaO 2.37-2.38; MgO 0.61-0.68; NiO 3.46-3.64; ZnO 0.89-0.95.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к многослойному пьезоэлектрическому элементу, содержащему слои пьезоэлектрического материала и электроды, включая в себя внутренний электрод, при этом слои пьезоэлектрического материала и электроды укладываются поочередно; каждый слой пьезоэлектрического материала содержит в качестве основного компонента оксид металла типа перовскита, представленный с помощью общей формулы (1), и марганец, включенный в состав оксида металла типа перовскита (Ba1-xCax)a(Ti1-yZry)O3, где 1,00≤a≤1,01, 0,02≤x≤0,30, 0,020≤y≤0,095 и y≤x (1); и содержание марганца на металлической основе по отношению к 100 весовым частям оксида металла типа перовскита составляет 0,02 весовые части или более и 0,40 весовых частей или менее.
Изобретение относится к пьезокерамическим материалам и может быть использовано при создании ультразвуковых преобразователей, в частности устройств медицинской диагностики.

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

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 пьезоэлектрическим керамическим материалам. Технический результат изобретения заключается в повышении температурной стабильности относительной диэлектрической проницаемости ε33 T/ε0 и коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний. Пьезоэлектрический керамический материал содержит следующие компоненты, мас.%: Na2O 8.54-8.67, K2O 11.06-11.22, Li2O 0.32, Ta2O5 11.28-11.44, Sb2O5 3.44-3.49, Nb2O5 61.05-61.95, NiO 1.94-2.87, B2O3 0.97-1.11. 2 табл., 3 ил.

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе титаната свинца. Технический результат изобретения заключается в повышении значений относительной диэлектрической проницаемости ε33Tε013500−16460 при сохранении высоких значений пьезомодуля d31131-156 пКлН и коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний Kp0.19-0.24. Пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната свинца содержит, мас.: PbO 65.61-65.92, Nb2O5 19.28-20.56, TiO2 6.19-7.46, ВаО 2.37-2.38, MgO 0.61-0.68, NiO 3.46-3.64, ZnO 0.89-0.95. 2 табл., 1 ил.

Наверх