CN85100426B - 钛酸铋钠钾系超声用的压电陶瓷材料 - Google Patents
钛酸铋钠钾系超声用的压电陶瓷材料Info
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Abstract
一类不含铅的超声用压电陶瓷材料,其组成为XNa0.5Bi0.5TiO3-(1-X)K0.5Bi0.5TiO3,其中X=0.80~0.99,同时加入少量改性添加物。它们或者分别添加0.1~3%(重量)MnO2、Fe2O3、Pb(BO2)2·H2O或同时添加上述化合物中的任意两种。最佳组分是X=0.85~0.93,同时加入少量改性添加物。该类材料具有高的Kt、Nt和大的Kt/Kp值,较低的Kp和ε33T。特别适合用作超声换能器材料。
Description
目前广泛应用的压电陶瓷材料是以锆钛酸铅(PZT)为基的,它是以PbO为主要成份。尽管采用密封烧结法,但因PbO挥发,所以烧成的产品一致性差、成本高。特别是铅的毒性带来公害和增加防护费用。另外PZT基陶瓷的Kp大于(Kt),较高,作为超声探伤、测厚和医用超声探头容易产生横向振动的干扰使波形或图像不清晰,偏高则增加与整机匹配的困难。
为此,寻找一种不含有铅成份而具有较低的Kp和新压电陶瓷材料显得极为重要。1971年B.Jaffe等和1973年田中哲郎各自发表了Na0.5Bi0.5TiO3(NBT)和K0.5Bi0.5TiO3(KBT)单组元陶瓷的压电铁电数据,以后又有人研究了 NBT-SrTiO3、NBT-CdTiO3系固溶体的晶体结构但未获得有实用价值的压电材料。
本发明提供的新压电陶瓷材料系统组成为:
XNa0.5Bi0.5TiO3-(1-X)K0.5Bi0.5TiO3(简写为XNBT-(1-X)KBT)(其中X=0.80~0.99富钠区)同时加入少量改性添加物,它们或分别添加0.1~3%(重量)的MnO2、Fe2O3、Sb2O2、Pb(BO2)2·H2O等化合物,或同时添加上述化合物中的任意两种。最佳组成是X=0.85~0.93,同时加入少量改性添加剂。
用化学纯或工业用TiO2、Bi2O3、无水Na2CO3、无水K2CO3和化学纯的上述添加物作原料,按配方称料,加无水酒精球磨混和6小时烘干后在900~1100℃保温2~5小时条件下合成,合成后粉料(熟料)用气流粉碎或球磨磨细,加粘结剂干压成型、试样在1100~1200℃大气中敞开烧结,保温2~4小时,然后研磨成φ17×1mm的试样,被银极化,按IRE标准,测定试样的压电性能。表1列出了8个不同X值的配方及其性能。表2列出了典型配方的各种铁电、压电性能。
从表1可以看出,XNBT-(1-X)KBT系富钠区压电陶瓷材料的共同特点是,具有高的厚度振动耦合系数Kt,高的厚度振动频率常数Nt和较高的居里温度Tc,低的径向耦合系数Kp,较低的介电系数和低的体积密度。对该系统的X射线和电物理性能研究发现,NBT-KBT系的三方一四方相界位于NBT含量为0.81克分子处。
从表2可以看出,该压电陶瓷材料具有高的Kt(0.485),低的Kp(0.255),除了PbTiO3和偏铌酸铅外,一般PZT陶瓷和铌酸钾钠、铌酸钠锂都没有这样大的各向异性性质。作为厚度振动振子时,这有利于减少和除去不必要的振动。用它作的单探头与PZT作的同种探头比较,具有波形单纯、清晰,无高次谐波、始波窄和分辨率较高等优点。由于Kt>>Kp,因此横向振动小,用它作的线阵探头,串音明显减少。当探头的某一振元被激励,其相邻的第二个振元的幅度即下降98%,而用铌镁-锆-钛酸铅陶瓷作的同样探头,一直到相邻的第五个振元才下降98%。
用本发明材料制作的2.5MHZ超声诊断仪探头(φ12mm)与用铌镁-锆-钛酸铅陶瓷制作的相同探头相比,其机-电、机-声和电-声效率分别比后者大5%、6.7%和7%。用该材料制作的φ14mm,5MHz超声探伤探头,其灵敏度比PZT作的同类探头高4db以上。
本发明提供的新的压电材料的较低,用它作的探头容易与电路匹配。该材料的体积密度为5.75克/厘米3,比PZT小25%,这有利于声阻抗匹配。此外,该材料的Kt、Nt的温度系数和十倍时间老化率也相当低。所以它的老化性能和温度稳定性均较好。
本发明的另一个优点是工艺重复性好,没有职业中毒的可能性。这是因为Bi2O3和pH=1.5~14范围内均为稳定氧化物,不溶于水和人体体液中,至今未有Bi2O3中毒报导。这给劳动防护、废物处理带来方便。此外,本发明所述的系统的陶瓷烧结温度比PZT低100℃左右,其组分挥发很小,用刚玉坩埚密封烧结和敞开烧结的材料压电性能基本无差别(表3),因而工艺过程简单,性能也易重复。
本发明的实施例是X为0.93配方,Na0.465K0.035Bi0.50TiO3外加0.5%(重量)Sb2O3和0.5%(重量)MnO2,工艺过程如前所述。合成条件为900℃保温1小时,再长温至1050℃保温2小时,自然冷却,烧成条件为1130~1170℃保温4小时,坯样磨成φ17×1mm的圆片、被银、极化测定其性能如表4所示。
表1NBT-KBT系压电陶瓷配方及其主要性能举例
表3装炉方法对压电性能的影响
表4实施例陶瓷的压电性能
表2典型配方的铁电、压电性能
Claims (1)
1.一类不含铅超声用的压电陶瓷材料,含钛酸铋钠和钛酸铋钾,其配比为XNa0.5 Bi0.5TiO3-(1-X)K0.5Bi0.5TiO3,(其中X=0.80~0.99克分子富钠区),同时添加少量改性添加物,其特征在于,它们或者分别添加0.1~3%(重量)的Fe2O3、Sb2O3、Pb2(BO2)2·H2O、MnO2等化合物或者同时添加MnO2、Fe2O3、Sb2O3、Pb2(BO2)2·H2O等化合物中的任意二种。
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