Высокочастотный пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия



Высокочастотный пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия

Владельцы патента RU 2751324:

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Южный федеральный университет» (RU)

Изобретение предназначено для создания устройств пьезотехники, работающих в высокочастотном диапазоне в интервале рабочих частот 4,0÷7,0 МГц. Пьезоэлектрический керамический материал содержит, мас.%: Na2O 7,05-7,99. K2O 13,49-14,73, CdO 1,83-1,84, Nb2O5 75,56-76,15, SiO2 0,53-0,83. Материал изготавливают твердофазным синтезом с последующим спеканием по обычной керамической технологии. Технический результат изобретения заключается в повышении относительной диэлектрической проницаемости поляризованных образцов, механической добротности и удельной мощности при сохранении высоких значений коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний, пьезомодуля, пьезочувствительности, пьезодобротности, скорости звука и низкого удельного веса керамики. 5 пр., 4 табл., 1 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе ниобата натрия и может быть использовано для создания приёмников высокочувствительных приёмников УЗ - колебаний, сенсоров, актюаторов, линий задержки, приборов медицинской диагностики и неразрушающего дефектоскопического контроля, работающих в высокочастотном диапазоне рабочих частот 4,0÷7,0 МГц.

Уровень техники

Для указанных применений материал должен обладать средними значениями относительной диэлектрической проницаемости поляризованных образцов, , (600÷700) и механической добротности, Qm, (145÷160); низким удельным весом, dэксп, (~4,5 г/см3); высокими пьезомодулем, d33, (120÷130 пКл/Н), пьезочувствительностью, g33, (25÷35 мВ·м/Н), скоростью звука, , (выше 4,5 км/с), коэффициентом электромеханической связи планарной моды колебаний, Kр, (~0,3), пьезодобротностью (показателем качества), , (14,0÷18,0) и удельной мощностью, , (10000÷12000).

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий Na2O, K2O, Nb2O5, Ta2O5, Li2O. Состав материала отвечает химической формуле ((Na0.5K0.5)0.9Li0.1)Nb0.8Ta0.2O3. Материал имеет для лучших составов ≈624, d33=104 пКл/Н, Kр=0,307, g33≈11,9мВ·м/Н, Qm=273 [1]. Для указанных применений материал имеет высокое значение Qm и низкие -Kр и g33.

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий Na2O, K2O, Li2O, Ta2O5, Nb2O5. Состав материала отвечает химической формуле [Li0.055(K0.5Na0.5)0.945](Nb0.99Ta0.01)O3. Материал имеет для лучших составов≈700, d33=150 пКл/Н, g33=24мВ·м/Н, Kр=0,35, Qm=80 [2]. Для указанных применений материал имеет недостаточно низкую и недостаточно высокие значения Kр и g33.

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий Na2O, K2O, Nb2O5, CdO [3]. Материал имеет для лучших составов=507÷610, Kр=0,27÷0,34, g33=(14,5÷17,1) мВ·м/Н (значение получено пересчётом g33=2,2·g31), =(5,36÷6,00) км/с. Для указанных применений материал имеет недостаточно высокие и g33. Кроме того, он изготовлен дорогостоящим непромышленным методом горячего прессования.

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий Na2O, K2O, Li2O, Nb2O5, Ta2O5, Sb2O5, CeO2 и MnO2. Состав материала отвечает химической формуле (Na0.475K0.475Li0.05)(Nb0.92Ta0.05Sb0.03)O3+0.4%CeO2+0.4%MnO2. Материал имеет для лучших составов≈1150, d33=200 пКл/Н, Kр=0,43, g33≈19мВ·м/Н [4]. Для указанных применений материал имеет завышенное значение и недостаточно высокий g33. Кроме того, сложный состав материала (восемь разновалентных элементов) делает его практически неприменимым в промышленном производстве.

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий Na2O, K2O, CdO, Nb2O5. Состав материала отвечает химической формуле (Na0,52K0.44Cd0,04)NbO3. Материал имеет для лучших составов ≈1360, Qm=1000, =4.27км/с [5]. Для указанных применений материал имеет завышенные значения и Qm.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по составу химической композиции и достигаемому результату является пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий Na2O, K2O, CdO, Nb2O5. Состав материала отвечает химической формуле (NaaKвCdc)NbO3, где a= 0.4475-0.4525 мол %; в=0,5225-0,5275 мол %; с=0,020-0,030 мол % (или в масс. %: Na2O 9,41-9,51; K2O 12,25-12,42; CdО 0,75-1,12; Nb2O5 77,22-77,32). Материал имеет для лучшего состава =430, Kр=0,37, d33=125 пКл/Н, g33=32,8 мВ·м/Н, Qm=125, =4,91 км/с, показатель качества=17,11; =7358 [6], принимаемый за прототип настоящего изобретения.

Для указанных применений материал имеет недостаточно высокие значения , Qm и .

Раскрытие изобретения.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение относительной диэлектрической проницаемости поляризованных образцов, до значений 600÷700, механической добротности, Qm до значений 145÷160 и удельной мощности, до значений 10000÷12000 при сохранении высоких значений Kр~0,3, d33 (120÷130 пКл/Н), пьезочувствительности g33 (выше 25 мВ·м/Н), показателя качества14,0÷18,0, скорости звука (выше 4,5 км/с) и низкого удельного веса керамики dэксп~4,5 г/см3.

Необходимость реализации указанных параметров связана с нижеследующим. В области высоких частот для снижения сопротивления преобразователя и улучшения его согласования с нагрузкой необходимы значения =600÷700.

Кроме того, из условия согласования преобразователя с нагрузкой (Ri=Rн), что обычно реализуется в выпускаемой промышленностью радиоэлектронной аппаратуре, выходное сопротивление нагрузки Rн~50 Ом для высоких частот, используя формулу для емкостного сопротивления преобразователя: Ri=1/ωC, где Ri - емкостное сопротивление преобразователя, Ом; ω - круговая частота, Гц; C - емкость, Ф; - можно приблизительно оценить интервалы значений емкости C=1/2πfRi для указанных диапазонов частот, а, следовательно, и относительной диэлектрической проницаемости поляризованных элементов, , равной k·C, где k - коэффициент, зависящий от размеров элементов, ε0=8.85·10-12 Ф/м - диэлектрическая проницаемость вакуума; при k=1, =C.

Относительно низкие значения Qm способствуют повышению отношения сигнал/шум и подавлению паразитных резонансов (ложных колебаний), искажающих форму рабочего сигнала и ухудшающих характеристики изготовленных из этого пьезокерамического материала высокочувствительных приёмников УЗ - колебаний, являющихся как самостоятельными устройствами, так и компонентами более сложных устройств. Но снижение Qm ниже указанных значений нежелательно ввиду усиления механических потерь (1/Qm), затрудняющих получение коротких импульсов и равномерных амплитудно-частотных характеристик.

Высокая скорость звука определяет высокочастотный (ВЧ) диапазон эксплуатации преобразователя, а также позволяет получать заданную частоту на менее тонких пластинах, что упрощает технологию изготовления ВЧ - устройств за счёт возможности увеличения их резонансных размеров, что, в свою очередь, выгодно и с точки зрения уменьшения ёмкости преобразователя. Низкий удельный вес керамики, dэксп, приводит, с одной стороны, к значительному снижению веса изделий, что немаловажно в таких областях, где весовые характеристики являются решающими, с другой, – к уменьшению акустического импеданса z=, что необходимо для согласования с акустической нагрузкой. Достаточно высокие значения Kpи g33 определяют эффективность работы преобразователя.

Указанный технический результат достигается тем, что пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия содержит оксиды Na2O, K2O, CdO, Nb2O5, SiO2 при следующем соотношении исходных компонентов, в мас.%:

Na2O 7,05 - 7,99

K2O 13,49 - 14,73

CdO 1,83 - 1,84

Nb2O5 75,56 - 76,15

SiO2 0,53 - 0,83

Видно, что по сравнению с прототипом изменяется качественно-количественный состав материала: содержание в шихте CdO увеличилось вдвое; появляется новый компонент SiO2. При этом содержание оксидов щелочных металлов (Na2O+K2O) и ниобия (Nb2O5) практически не изменилось: в прототипе: Na2O+K2O – 21,80 масс. %; Nb2O5 77,27 масс. %; в заявке Na2O+K2O – 21,63масс.%; Nb2O5 75,86 масс.%. (Взяты средние значения концентраций исходных компонентов из вышеуказанных интервалов).

Таким образом, очевидно, что решающую роль в формировании свойств заявляемого материала играют CdO и SiO2. Ввиду низких температур плавления CdO (~900 оС) и смесей Na2O+SiO2 и K2O+SiO2 (ниже 800 оС) при твердофазном синтезе и спекании шихты и синтезированного продукта заявляемого материала могут образовываться жидкие фазы (ЖФ). Их воздействие на ниобиевые среды неоднозначно. ЖФ в ниобатах могут формировать двойные межкристаллитные границы, разупрочняющие и дестабилизирующие структуру керамики. Следствием этого является снижение Qm и . С другой стороны, ЖФ могут оказывать цементирующее действие на кристаллическую и зёренную структуру материала, приводя к обратному эффекту – повышению Qm и .

Достижение нового технического результата подтверждается таблицами и графиком, где:

Таблица 1. Расчетные значения относительной диэлектрической проницаемости поляризованного объёмного образца в диапазоне частот 4,5 – 60 МГц.

Таблица 2. Электрофизические характеристики заявляемого материала в зависимости от состава.

Таблица 3. Качественно-количественные составы материала-прототипа и заявляемого материала.

Таблица 4. Сравнение электрофизических характеристик оптимального состава заявляемого материала и материала-прототипа.

Фиг.1 - частотная зависимость относительной диэлектрической проницаемости поляризованного объёмного образца в переменном электрическом поле.

Осуществление изобретения

Пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия

изготавливался методом твердофазного синтеза с последующим спеканием по обычной керамической технологии следующим образом. В качестве исходных реагентов использовались гидрокарбонаты, карбонаты и оксиды следующих квалификаций: NaHCO3 – «чда», KHCO3 – «ч», Nb2O5 – «NbO-PT», СdO – «хч», SiO2 – «чда». Синтез осуществлялся путем двукратного обжига смесей сырьевых компонентов: NaHCO3, KHCO3, Nb2O5, СdO, взятых в количествах, масс.%, в случае NaHCO3, KHCO3 в пересчете на соответствующие оксиды: Na2O7,05 - 7,99; K2O 13,49 - 14,73; CdO 1,83 – 1,84; Nb2O5 75,56 - 76,15; SiO2 0,53 - 0,83, с промежуточным помолом синтезированного продукта.

Температуры обжига при синтезе Тсинт.1=1220K, Тсинт.2=1240K, длительность изотермических выдержек τсинт.1= 5 ч, τсинт.2=10 ч. Спекание образцов в виде столбиков Ø12 мм, высотой 15÷18 мм осуществлялось при Тсп.=1420K, длительность изотермической выдержки τсп.=1,5 ч. После их резки на диски толщиной (1÷2)мм производилась металлизация (нанесение электродов) путем нанесения на плоские поверхности предварительно сошлифованных до толщины 1мм образцов серебросодержащей пасты и последующего ее вжигания при температуре Твжиг.=1070K в течение 0,5 ч. Образцы поляризовали в полиэтиленсилоксановой жидкости при температуре 430K в течение 15 мин в постоянном электрическом поле напряженностью 3,3÷3.4 кВ/см. Электрофизические характеристики определяли в соответствии с ОСТ 11.0444-87 «Материалы пьезокерамические. Технические условия». Введ. 01.01.88, с помощью прецизионного LRC-метра Aglent E4980A. При этом оценивались относительная диэлектрическая проницаемость поляризованных образцов (ε0 -8,85⋅10–12Ф/м), коэффициент электромеханической связи планарной моды колебаний Kр, механическая добротность Qm, скорость звука . Пьезомодуль d33 определяли квазистатическим методом с помощью широкополосного тестера d33АРС (WideRiderd33Tester). Измерение удельного веса образцов dэксп, осуществляли методом гидростатического взвешивания в октане. Пьезочувствительность g33 рассчитывали по формуле g33=d33/.

По описанной выше технологии были выполнены образцы из семи следующих составов пьезоэлектрического керамического материала на основе ниобата натрия (примеры 1-5):

Пример 1.

Na2O 8,47; K2O12,87; CdO 1,85; Nb2O5 76,46; SiO20,35

Пример 2.

Na2O 7,99; K2O13,49; CdO1,84; Nb2O5 76,15; SiO2 0,53

Пример 3.

Na2O 7,52; K2O 14,11; CdO 1,83; Nb2O5 75,84; SiO2 0,70

Пример 4.

Na2O 7,05; K2O 14,73; CdO 1,83; Nb2O575,56; SiO2 0,83

Пример 5.

Na2O 6,58; K2O 15,33; CdO 1,82; Nb2O5 75,25; SiO2 1,02

В примерах 2, 3, 4 таблицы 2 приведены химические составы в пределах заявленных процентных соотношений и соответствующие им электрофизические свойства, полученные в результате испытаний по стандартным методикам.

Как следует из таблицы 2, примеры № 2-4, и таблицы 3, пример № 3, заявляемый пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия характеризуется по сравнению с материалом-прототипом повышением на 40÷60 % относительной диэлектрической проницаемости поляризованных образцов, ,до значений 600÷700, механической добротности, Qm, до значений 145÷160, удельной мощности, , до значений 10080÷12583 при сохранении высоких значений коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний, Kр, (0,32÷0,35), пьезомодуля, d33, (120÷129 пКл/Н), пьезочувствительности, g33, (25,18÷25,53 мВ·м/Н), пьезодобротности (показателя качества), , (14,85÷19,6), скорости звука, (4,77÷4,97 км/с) и низкого удельного веса керамики, dэксп, (~4,5г/см3). Наблюдаемые эффекты достигаются, по существу, качественно - количественным составом предлагаемого пьезоэлектрического керамического материала. Средние значения и Qm при высоких , Kр, d33, g33, , и низком dэксп предлагаемого пьезоэлектрического керамического материала определяют основное его назначение - использование в высокочувствительных устройствах, работающих в ВЧ- диапазоне в интервале рабочих частот (4,0÷7,0)МГц, обеспечивающих стабилизацию колебательного элемента в различного рода микрокомпьютерах (четырёх,- восьми,- шестнадцатибитных). Это следует, прежде всего, из того, что твердые растворы на основе ниобатов щелочных металлов могут использоваться в качестве резонансных элементов пьезоэлектрических преобразователей в высокочастотных (3,0÷30,0) МГц и (30,0÷300,0) МГц диапазонах.

Таким образом, по сравнению с прототипом (табл. 4) иной качественно-количественный состав обеспечивает целевой результат, не вызывает затруднений при изготовлении, предполагает использование основных доступных и дешёвых материалов и стандартного оборудования, соответствующего промышленному методу обычной керамической технологии.

Источники информации:

1. EP 1032057 A1, C04B 35/00, H01L 41/187, дата публикации 30.08.2000.

2. Seock N.S., Jeong H.C., Byung J.K., Eung S.K. Relationships between crystal Structure and electrical properties of Li0.055[Agx(K0.5-Na0.5)1-x]0.945(Nb1-yTay)O3 //Ceramics International. 2012. № 38. P. 327-330.

3. SU 1096251, МПК С04В 35/00, дата публикации 07.06.1984.

4. Lee Tact, Kwok K.W., Li H.L., Chan H.L.W. Lead - free alkaline niobate - based transducer for ultrasonic Wirebonding applications // Sensor and Actuators A. 2009. № 150. P. 268.

5. RU 2498960, МПК C04B 35/495, дата публикации 20.11.2013.

6. RU 2542012, МПК C04B3 5/495, H01L 41/187, дата публикации 20.02.2015. - прототип.

Таблица 1. Расчетные значения относительной диэлектрической проницаемости поляризованного объёмного образца в диапазоне частот f, 4,5 - 60 МГц.

f, МГц 4,5 5,0 10,0 15,0 20,0 30,0 40,0 60,0
707 637 314 212 159 106 80 53

Таблица 2. Электрофизические характеристики заявляемого материала в зависимости от состава.

№ п/п* Состав (масс. %) Электрофизические характеристики
Na2O K2O CdO Nb2O5 SiO2 Kp d33, пКл/Н g33, мВ·м/Н Qm , км/c
1 8,95 12,24 1,85 76,78 0,17 248 0,17 44 20,05 114 5,34 3,30 817
2 8,47 12,87 1,85 76,46 0,35 298 0,17 41 15,55 119 5,19 3,44 1025
3 7,99 13,49 1,84 76,15 0,53 609 0,33 120 22,26 152 4,85 16,55 10080
4 7,52 14,11 1,83 75,84 0,70 642 0,35 121 25,23 160 4,77 19,6 12583
5 7,05 14,73 1,83 75,56 0,83 710 0,32 129 25,53 145 4,97 14,85 10542
6 6,58 15,33 1,82 75,25 1,02 487 0,18 44 10,21 115 5,02 3,73 1815
7 6,12 15,94 1,81 74,95 1,19 545 0,18 59 12,23 118 4,85 3,82 2084

* - № п/п соответствуют примерам выполнения 1-7 описания заявки.

Таблица 3. Качественно-количественные составы материала-прототипа и заявляемого материала.

Масс. % Материал-прототип Заявляемый материал
Na2O 9,41-9,51 7,05-7,99
K2O 12,25-12,42 13,49-14,73
CdO 0,75-1,12 1,83-1,84
Nb2O5 77,22-77,32 75,56-76,15
SiO2 0 0,53-0,83

Таблица 4. Сравнение электрофизических характеристик оптимального состава заявляемого материала и материала-прототипа.

Материал Электрофизические характеристики
Kp d33, пКл/Н g33,мВ·м/Н Qm , км/c
Прототип 430 0,37 125 32,8 125 4,91 17,11 7358
Заявляемый (пример №4 из табл.2). 642 0,35 121 25,2 160 4,77 19,6 12583

Высокочастотный пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, содержащий оксиды Na2O, K2O, CdO, Nb2O5, SiO2 при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Na2O 7,05-7,99
K2O 13,49-14,73
CdO 1,83-1,84
Nb2O5 75,56-76,15
SiO2 0,53–0,83



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к приводам на основе электроактивного полимера, а именно к их возбуждению. Сущность: подают сигнал возбуждения на структуру на основе электроактивного полимера для переключения ее из первого состояния активации во второе состояние активации.

Устройство привода для преобразования электрического ввода в механический вывод содержит электроактивный полимерный привод и управляющую схему для управления электроактивным полимерным приводом, причем управляющая схема содержит схему повышения напряжения, которая содержит по меньшей мере конденсатор, устройство привода содержит электроактивный полимерный слой, имеющий активную область для деформации как функции поданного сигнала активации и механически пассивную область, причем активная область формирует по меньшей мере часть электроактивного полимерного привода, и механически пассивная область формирует по меньшей мере часть диэлектрика конденсатора.

Устройство пьезоэлектрического электроактивного полимерного привода содержит электроактивный полимерный привод и пьезоэлектрический трансформатор, имеющий первичную сторону и вторичную сторону , причем устройство пьезоэлектрического электроактивного полимерного привода содержит пьезоэлектрический электроактивный полимерный слой, содержащий первую часть и вторую часть, причем первая часть электроактивного полимерного слоя формирует часть вторичной стороны пьезоэлектрического трансформатора и вторая часть электроактивного полимерного слоя формирует часть электроактивного полимерного привода, причем устройство пьезоэлектрического электроактивного полимерного привода дополнительно содержит диодную структуру, электрически соединенную между вторичной стороной пьезоэлектрического трансформатора и электроактивным полимерным приводом.

Использование: для разработки таких устройств, как высокочувствительные датчики постоянного магнитного поля, переменного магнитного поля, постоянного тока, переменного тока, преобразователи, источники возобновляемой энергии и других устройств. Сущность изобретения заключается в том, что в магнитоэлектрическом композитном материале, представляющем собой гибкую двуслойную структуру, один слой которой является подложкой и выполнен из пьезоэлектрического материала с токопроводящими обкладками, а второй слой структуры неразъемно соединен с подложкой и выполнен из материала, в котором наблюдается магнитодеформационный эффект.

Изобретение относится к акустическим волновым сенсорам, в частности к гравиметрическим сенсорам, и является основой для создания высокочувствительных датчиков параметров вещества, осаждаемого на поверхность. Техническим результатом является создание высокочувствительного сенсора массы, толщины и других физико-механических параметров пленок вещества.

Изобретения относятся к способам управления устройствами, содержащими электроактивные материалы, для регулировки трения, а также к устройствам, содержащим электроактивные материалы, которые пригодны для использования при регулировке трения. Способ управления устройством, имеющим элемент активации, содержащий электроактивный материал, выполненный с возможностью деформации при приведении в действие, при этом упомянутый способ содержит этапы генерации сигнала активации для того, чтобы вызывать активацию элемента активации, причем активация имеет максимальную первую частоту активации, генерации сигнала вибраций для того, чтобы вызывать вибрацию элемента активации для уменьшения трения, причем вибрация имеет частоту, большую, чем первая частота активации, и подачи сигнала активации на по меньшей мере часть электроактивного материала и подачи сигнала вибраций на по меньшей мере часть электроактивного материала.

Изобретение относится к керамической технологии, а именно к способам получения и обработки пористой пьезокерамики и керамоматричных пьезокомпозитов, и может быть использовано в широкополосных ультразвуковых преобразователях для неразрушающего контроля и диагностики, медицинской диагностической и терапевтической аппаратуры, работающих в частотном диапазоне от 5 до 20 МГц.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для привода в движение различных устройств в прецизионном приборостроении, в акустике и гидроакустике, в системах нанотехнологий, в устройствах для создания вибраций. Техническим результатом является повышение надежности, увеличение времени бесперебойной работы и экономия электроэнергии.

Изобретение относится к области создания электромеханических изделий и ультразвуковых излучателей. Предложен материал для электростриктора на основе твердых растворов, включающий PbO, MgO, Nb2O5 и TiO2 и дополнительно содержащий оксиды Bi2O3 и Sc2O3, при этом указанный материал имеет состав (1-2x)BiScO3⋅xPbTiO3⋅xPb(Nb2/3Mg1/3)O3 при x = 0,42.

Изобретение обеспечивает оборудование для изготовления вала датчика крутящего момента путем формирования магнитострикционной области, включающей в себя покрытие на основе металлического стекла с заданным рисунком на боковой поверхности валообразной заготовки. Валообразная заготовка прикреплена с возможностью вращения на транспортировочном приспособлении.

Изобретение относится к керамической технологии, а именно к способам получения и обработки пористой пьезокерамики и керамоматричных пьезокомпозитов, и может быть использовано в широкополосных ультразвуковых преобразователях для неразрушающего контроля и диагностики, медицинской диагностической и терапевтической аппаратуры, работающих в частотном диапазоне от 5 до 20 МГц.
© Патентный поиск, поиск патентов на изобретения - FindPatent.RU 2012-2024
Политика конфиденциальности 2020-10-21 2021-07-15T02:41:02
Наверх