Elektromechanisches Umformungselement Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromechani sches Umformungselement, dessen piezo-keramischer Körper Mischkristalle von Bleizirkonat und Bleititanat in einem Molverhältnis zwischen<B>60:</B> 40 und 45: 55 enthält.
Bekanntlich können auf der Basis von Mischkristal- len von Bleizirkonat und Bleititanat keramische Stoffe erhalten werden, deren elektromechanische Eigen schaften wenig temperaturabhängig sind. Die Misch kristalle mit einem Bleititanatgehalt von 40 bis 50 mol % haben einen hohen Kopplungsfaktor und einen hohen mechanischen Qualitätsfaktor.
Weiter ist es bekannt, dass der Kopplungsfaktor, der mechanische Qualitätsfaktor und die dielektrische Konstante dieser Stoffe dadurch erhöht werden kön nen, dass in den Mischkristallen Blei zum Teil durch Calcium und/oder Strontium ersetzt wird.
Zur Verwendung bei elektromechanischen Filtern, Frequenzregeleinrichtungen oder dergleichen, sind diese keramischen piezo-elektrischen Stoffe aber nicht be sonders geeignet, weil dabei sehr hohe Anforderungen in bezug auf Temperaturabhängigkeit und Veränder lichkeit mit der Zeit (Alterung) der physikalischen Eigenschaften dieser Stoffe, insbesondere der Fre- quenzkonstante und auch z. B. des elektromechani schen Kopplungsfaktors, der mechanischen Q und der dielektrischen Konstante zu stellen sind.
Nach der Erfindung werden die Stoffe in dieser Beziehung durch einen Gehalt an Chrom und/oder Uran in oxydischer Form verbessert.
Das erfindungsgemässe elektromechanische Umfor mungselement ist gekennzeichnet durch einen Gehalt von 0,2 bis 1,5 Gew.% Cr2O3 und/oder U308.
Vorzugsweise wird das Molverhältnis Pb Zr03 Pb Ti03 zwischen 55 : 45 und 50 : 50; gegebenenfalls kann ausserdem noch eine Menge bis zu 10 Atom % Kalzium und/oder Strontium zugesetzt werden.
Es ist vorteilhaft, den Zusatz an Chromoxyd und/ oder Uranoxyd im Ausgangsgemisch ganz oder teil weise durch die Hinzufügung von Bleioxyd, z. B. un ter Bildung von BbCr04, zu kompensieren.
Die keramischen Körper nach der Erfindung kön nen dadurch hergestellt werden, dass die Oxyde, aus denen die Mischkristalle aufgebaut sind, als solche, in Form von Verbindungen, die bei Erhitzung in die Oxyde übergehen, wie z. B. Karbonate und Hydroxyde, oder in Form von Verbindungen dieser Oxyde mit einander, gemischt und nach Formgebung gesintert werden.
Die Körper werden vorzugsweise wie folgt her gestellt: Die Ausgangsstoffe werden, nachdem sie in einer Kugelmühle gemischt worden sind, einige Stunden auf ca. 850 C erhitzt, wobei sie reagieren. Anschlies send wird aufs neue gemahlen. Gegebenenfalls werden diese Bearbeitungen bis zur erfolgten vollständigen Reaktion wiederholt.
Das erhaltene Pulver wird anschliessend unter Verwendung eines verbrennbaren Bindemittels, wie z. B. Paraffin, in die gewünschte Form gebracht und z. B. bei einer Temperatur von etwa 1280 C 45 Mi nuten gesintert, wobei dem Verlust von flüchtigen Bleiverbindungen soviel wie möglich entgegengewirkt oder dieser kompensiert wird.
Auf diese Weise werden z. B. runde Platten mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Stärke von 2,5 mm erhalten. Nachdem sie an den einander gegenüberliegenden Flächen, z. B. durch Aufbrennen einer Silbersuspension, mit Elektroden bestückt wor den sind, können sie bei Zimmertemperatur in einem Gleichspannungsfeld von 6000 bis 7000 Volt je mm eine Stunde polarisiert werden.
Nach der Polarisierung werden die keramischen Elemente vorzugsweise einer Wärmebehandlung unter zogen um thermische Hysterese herabzusetzen. Zu diesem Zweck wird wiederholt in einem Ölbad von ca 250 C auf Zimmertemperatur abgeschreckt.
In der folgenden Tabelle sind eine Anzahl Bei spiele von Zusammensetzungen nach der Erfindung nebst den dazugehörigen Werten gegeben für: die dielektrische Konstante K bei 1 kHz, den Verlustfaktor D in % bei 1 kHz, die Antiresonanzfrequenz F3 in kHz, die Resonanzfrequenz Fr in kHz, den Kopplungsfaktor kp, und den mechanischen Qualitätsfaktor Qm, sämtli che Werte, sofern nicht anders angedeutet, 24 Stun den nach der Polarisierung gemessen.
EMI0002.0019
TABELLE <SEP> I
<tb> <I>Nr. <SEP> Zusammensetzung <SEP> K <SEP> D <SEP> F" <SEP> FT <SEP> k, <SEP> Qm</I>
<tb> <B>1. <SEP> Pb(Zro_54T10.46)03</B>
<tb> +- <SEP> 1 <SEP> Gew.% <SEP> U30$ <SEP> 574 <SEP> 1.4 <SEP> 145.495+ <SEP> 134.804+ <SEP> 0.42 <SEP> 387+
<tb> 2. <SEP> Pb(Zro.54Tio,46)03
<tb> + <SEP> 0.5 <SEP> Gew.% <SEP> Cr203 <SEP> 882 <SEP> 1.5 <SEP> 155.93<B>1</B> <SEP> 141.527 <SEP> 0.47 <SEP> 338
<tb> 3. <SEP> Pb(Zro,54Tio,46)03
<tb> + <SEP> 1.0 <SEP> Gew.% <SEP> Cr203 <SEP> 580 <SEP> 1.7 <SEP> 151.668*** <SEP> 144.675*** <SEP> 0.40*** <SEP> 463***
<tb> 4. <SEP> Pb(Zro,54Tio.46)03
<tb> -" <SEP> 0.6 <SEP> Gew.% <SEP> Cr203* <SEP> 755 <SEP> 2.11 <SEP> 159.812 <SEP> 147.064 <SEP> 0.44 <SEP> 290
<tb> 5.
<SEP> Pb(Zro,54Tio_46)03
<tb> + <SEP> 0.7 <SEP> Gew.% <SEP> Cr203* <SEP> 757 <SEP> 2.53 <SEP> 159.036 <SEP> 145.848 <SEP> 0.45 <SEP> 247
<tb> 6. <SEP> Pb(Zro.54Tio.46)03
<tb> -" <SEP> 0.75 <SEP> Gew.% <SEP> Cr203** <SEP> 790 <SEP> 1.77 <SEP> 155.090 <SEP> 146.642 <SEP> 0.367 <SEP> 419
<tb> 7. <SEP> Pb(Zro,54Tio.46)03
<tb> + <SEP> 0.8 <SEP> Gew.% <SEP> Cr2O3* <SEP> 796 <SEP> 2.61 <SEP> 159.787 <SEP> 147.410 <SEP> 0.435 <SEP> 251
<tb> B.
<SEP> <B>Pb(Zr0,53Ti0.47)03</B>
<tb> + <SEP> 0.8 <SEP> Gew.% <SEP> Cr203* <SEP> 894 <SEP> 2.20 <SEP> 161.123 <SEP> 147.461 <SEP> 0.455 <SEP> 294
<tb> <B>9.</B> <SEP> Pb(Zro.55T19.45)03
<tb> + <SEP> 0.8 <SEP> Gew.% <SEP> Cr203* <SEP> 621 <SEP> 2.44 <SEP> 160.982 <SEP> 147.850 <SEP> 0.447 <SEP> 255
<tb> <B>10.</B> <SEP> Pb(Zro,54Tio.46)03
<tb> + <SEP> 0.9 <SEP> Gew.% <SEP> Cr2O3* <SEP> 810 <SEP> 2.69 <SEP> 157.782 <SEP> 146.196 <SEP> 0.424 <SEP> 257
<tb> 11- <SEP> Pb(Zr0,54Tio,46)03
<tb> + <SEP> 1.25 <SEP> Gew.% <SEP> Cr2O3** <SEP> 733 <SEP> 2.31 <SEP> 150.165 <SEP> 143.300 <SEP> 0.337 <SEP> 343
<tb> <B>12.</B> <SEP> Pb0.95Sr9:o5(Zro,53T19,47)03
<tb> + <SEP> 0.7 <SEP> Gew.% <SEP> Cr203 <SEP> 812 <SEP> 1.84 <SEP> 169.538 <SEP> 161.026 <SEP> 0.353 <SEP> 395
<tb> 13. <SEP> <B>Pb0.95Sr0.05(Zr0 <SEP> 53T10,47)3</B>
<tb> + <SEP> 0.7 <SEP> Gew:
% <SEP> Cr203* <SEP> <B><I>1</I></B>050 <SEP> 2.08 <SEP> 159.106 <SEP> 146.889 <SEP> 0.434 <SEP> 3<B>1</B>0
<tb> <B>14. <SEP> Pbo_95Sro.o5(Zro,53Tio,47)03</B>
<tb> + <SEP> 1.0 <SEP> Gew.% <SEP> C203 <SEP> 895 <SEP> 2.58 <SEP> 168.792 <SEP> 160.741 <SEP> 0.344 <SEP> 236
<tb> <B>15. <SEP> Pb0.95Sr0.05(Zr0,53T10,47)03</B> <SEP> + <SEP> 1.0 <SEP> Gew.% <SEP> Cr2O3* <SEP> 888 <SEP> 2.43 <SEP> 160.633 <SEP> 152.623 <SEP> 0.352 <SEP> 363
<tb> <B>16. <SEP> Pb0,95Ca0.05(Zr0 <SEP> 53T10,47)03</B>
<tb> + <SEP> 0.7 <SEP> Gew.% <SEP> Cr2O3* <SEP> 942 <SEP> 2.20 <SEP> 160.204 <SEP> 152.474 <SEP> 0.346 <SEP> 438
<tb> teilweise <SEP> mit <SEP> Pb0 <SEP> kompensiert <SEP> *** <SEP> 19 <SEP> Tage <SEP> nach <SEP> Polarisierung
<tb> ** <SEP> vollständig <SEP> mit <SEP> Pb0 <SEP> zu <SEP> PbCr04 <SEP> kompensiert <SEP> + <SEP> nach <SEP> 622 <SEP> Tagen.
Aus dieser Tabelle geht hervor, dass bei sämtli chen Zusammensetzungen der Kopplungsfaktor gün stig ist, und die Werte der dielektrischen Konstante und des mechanischen Qualitätsfaktors verhältnis- mässig hoch sind.
Weiter zeigt es sich, dass ein zunehmender Chrom gehalt, die Eigenschaften des Stoffes nicht stark be- einflusst. Mengen Chromoxyd und Uranoxyd unter halb 0.2 Gew.% führen aber nicht zu einer Verrin gerung der Temperaturabhängigkeit und des Auftre tens von Alterungserscheinungen, während Mengen über 1.5% den Widerstand hinderlich herabsetzen, so dass bei der Polarierung Schwierigkeiten auftreten können.
In bezug auf das ganze oder teilweise Kompen sieren der Beigaben, durch Pb0 sei bemerkt, dass dies namentlich wichtig ist bei Beigaben von 1 Gew.% und mehr, weil hierdurch Rissigkeit des Materials beim Sinteren verhütet wird.
Für den Verlustfaktor D ist der Tabelle der bei 1 kHz gemessene Wert gegeben. Bei höheren Fre quenzen gemessen ist der Verlustfaktor beträchtlich niedriger, z. B. beträgt D, der für die Zusammensetzung von Beispiel 13 bei 1 kHz 2.08% ist, bei 300 kHz nur 0.26%.
In Fig. 1 der beiliegenden Zeichnung ist der Ver lauf der Frequenzkonstante FC und in Fig. 2 des Kopp lungsfaktors kp für die Zusammensetzungen der Bei spiele 6 und 13 über einen weiten Temperaturbereich gegeben. Hieraus geht hervor, dass sich Grössen zwi schen -60 C und 140 C nur sehr wenig ändern.
Schiesslich sind in der Tabelle 2 für die Zusammen setzungen der Beispiele 2, 6 und 13 die prozentualen Änderungen der dielektrischen Konstante K, der An tiresonanzfrequenz F$, der Resonanzfrequenz Fr und des Kopplungsfaktors k, nach Alterung während einer Anzahl Wochen gegeben, wobei die ersten 4 bis 5 Wochen nach der Polarisierung ausser Betracht ge lassen sind. Hieraus geht hervor, dass auch die Än derungen dieser Grössen durch das Altern sehr gering sind.
EMI0003.0031
TABELLE <SEP> II
<tb> <I>Nr. <SEP> Alterungszeit</I> <SEP> AK <SEP> AF. <SEP> <I>AF, <SEP> AkP</I>
<tb> 2 <SEP> 22 <SEP> Wochen <SEP> +0.14 <SEP> -0.023 <SEP> +0.116 <SEP> -0.65
<tb> 6 <SEP> 16 <SEP> Wochen <SEP> -0.2 <SEP> -0.013 <SEP> -I-0.063 <SEP> -0.27
<tb> 13 <SEP> 12 <SEP> Wochen <SEP> +0.25 <SEP> +0.006 <SEP> +0.060 <SEP> -0.29