CS243895B1 - Způsob výroby piezokeramických materiálů dotovaných oxidy manganu - Google Patents

Abstract

Řešení se týká výroby slinutého keramického materiálu na bázi PZT dotovaných oxidy manganu. Lisovaný materiál je nejdříve slinován při teplotě 1 200 až 1 320 °C v atmosféře čistého kyslíku po dobu 1 až 3 hodin. Po snížení teploty na 1 000 až 1 100 °C je do slinovacího prostoru připuštěna směs inertního plynu a kyslíku, v níž je parciální tlak kyslíku v rozmezí 0,001 až 0,021 MPa. Slinutý materiál je pak temperován 1 až 3 hodiny. Vyznačuje se potom nejenom vysokými elektrickými parametry (mech. jakost, činitel elektromechanické vazby), ale i vysokou objemovou hmotností. Tento způsob výroby je vhodný především pro piezokeramické substráty pracující jako filtry založené na povrchových akustických vlnách nebo rezonátory elektromechanických filtrů.

Description

Vynález se týká způsobu výroby piezokeramických materiálů dotovaných oxidy manganu, jež jsou v praxi používány především jako rezonátory frekvenčních filtrů.

Pro tuto aplikaci se s výhodou využívá skutečnost, že přídavky oxidů manganu k pevným roztokům PbTij__xZr_xO₃ zvyšuji hodnoty činitele mechanické jakosti a zlepšují teplotní a časovou stabilitu rezonančního kmitočtu piezokeramických rezonátorů. Pro novější oblasti použití především pro filtry založené na povrchových akustických vlnách je však nutno připravit piezokeramické substráty nejen s vyhovujícími hodnotami činitele elektromechanické vazby K, mechanické jakosti Qm, teplotního koeficientu rezonančního kmitočtu Tk^^, ale i s minimální porozitou neboli s objemovou hmotností blízkou teoretické hodnotě.

K dosažení nízké porozity piezoelektrické keramiky je obvykle používáno slinování výlisků v atmosféře čistého kyslíku, nebot je známo, že kyslík uzavřený v pórech piezokeramiky může difundovat přes poruchy krystalové mříže jednotlivých zrn slinujíciho materiálu. Difúze dusí- . ku, jako inertního plynu, prakticky neprobíhá. Při běžně prováděném slinování na vzduchu zůstává tedy v pórech dusík, a brání tak dalšímu zhutnění. Rezonátory slinované v kyslíku se tedy oproti rezonátorům slinovaným na vzduchu vyznačují vyšší objemovou hmotností. Zvýšení objemové hmotnosti se obvykle projeví i zlepšením fyzikálních parametrů, např. činitele mechanické jakosti nebo činitele elektromechanické vazby.

U piezokeramiky dotované oxidy manganu slinování zvyšuje objemovou hmotnost rezonátorů, zároveň však dochází ke zvýšení dielektrických ztrát tg delta. Ze zvýšení hodnot dielektrických ztrát usuzovat na zvýšení elektrické vodivosti. Při vyšší elektrické vodivosti nelze piezokeramioké rezonátory v dostatečné míře spolarizovat. Důsledkem jsou nízké hodnoty elektromechanické vazby a mechanické jakosti.

Příčinou tohoto jevu je skutečnost, že se dotující oxidy manganu poměrně málo rozpouštějí v pevných roztocích PbTi₁__xZr_xO₃. Koncentrují se proto v elektricky vodivé intergranulární fázi na hranicích zrn převládajícího pevného roztoku. Takovou strukturu keramiky lze popsat náhradním schématem Maxwell-Wagnerova kondenzátoru, z něhož vyplývají hodnoty dielektrických ztrát keramického vzorku. Lze předpokládat, že v této intergranulární fázi jsou elektricky vodivé sloučeniny se systémem PbO-Mn₂O₃-O₂ především sloučenina Pb₃Mn_gO₁₃- Jeji obsah se podle rovnice 1. zvyšuje

Pb₃Mn_gO₁₃ ---» 3 PbO + 2 Mn₃O₄ + 0₂ (1) s rostoucím parciálním tlakem kyslíku při slinování keramiky. Zvýšení parciálního tlaku kyslíku se tedy projevuje zvýšením elektrické vodivosti a zvýšením dielektrických ztrát piezokeramického rezonátoru. Ďůsledkem jsou tedy nižší hodnoty ^K31 ^{3 Q}m·

Nevýhodou současného stavu řeší způsob výroby slinutého keramického materiálu na bázi pevných roztoků PbTij.jjZ^Oj dotovaných oxidy manganu, vyznačený tím, že lisovaný materiál je slinován při teplotě 1 200 až 1 320 °C v atmosféře čistého kyslíku po dobu 1 až 3 hodin a po snížení teploty na 1 000 až 1 100 °C je do slinovaoího prostoru připuštěna směs inertního plynu a kyslíku, v níž je parciální tlak kyslíku v rozmezí 0,001 až 0,021 MPa a materiál se temperuje po dobu 1 až 3 hodin.

Parciální tlak kyslíku ve směsi s dusíkem je volen tak, aby byl nižší než ve vzduchu, ale dostatečně vysoký pro to, aby nedošlo k vyredukování elementárního olova. Temperaci slinutého vzorku při teplotě 1 000 °C až 1 100 °C při nízkém parciálním tlaku kyslíku zjevně dochází podle rovnice (1) k částečnému rozkladu elektricky vodivé fáze tvořené Pb₃Mn_g °13' což se projeví snížením dielektrických ztrát a zvýšením hodnot K₃₃ a Q_m při zachováni vysoké .objemové hmotnosti rezonátorů.

Výhodou uvedeného způsobu výroby piezokeramiky dotované oxidy manganu je příprava piezokeramických rezonátorů s vyhovujícími hodnotami činitele elektromechanické vazby, mechanické jakosti, ale i s minimální porožitou. Tyto vlastnosti piezokeramických rezonátorů jsou nutné pro jejich využiti jako filtrů na principu povrchových akustických vln.

Vynález bude blíže vysvětlen a popsán na příkladu možného provedení.

Příklad

Obdélníkové výlisky rezonátorů 15x5x2 mm o složení PbTÍQ,gZrQ, ^0 + 0,7% MnO₂ byly slinovány při teplotě 1 280 °C v atmosféře čistého kyslíku o tlaku 0,102 MPa po dobu jedné hodiny. Po skončené výdrži a poklesu teploty na 1 100 °C byla do slinovacího prostoru napuštěna směs dusíku a kyslíku, v níž byl parciální tlak kyslíku PO₂ 0,001 MPa, a slinuté vzorky byly temperovány při této teplotě a složení atmosféry po dobu jedné hodiny. U takto připravených vzorků byla zjištěna objemová hmotnost ý. Po pokovení a polarizaci stejnosměrným elektrickým polem intenzity 3 kV/mm byly zjištěny hodnoty dielektrických ztrát tg S, činitele elektromechanické vazby K₃₁, a mechanické jakosti Q_m· Příslušná měření byla provedena za 24 hodin po polarizaci.

Tabulka 1 ukazuje naměřené hodnoty.

Tabulka 1 slinování temperace

t	pO2	t	P°2 ?	tg S x	io-4 K31	Qm
°c	MPa	°c	MPa g/cm3
1 280	0,102	1 100	0,001 8,00	130	0,227	680
Pro slinovány provedeno	srovnání jsou uvedeny tabulky ve vzduchu, resp. v atmosféře jako v předchozím případě.	2 a 3, kde výlisky čistého kyslíku»	stejných Pokovení,	rozměrů a složení byly polarizace a měření bylo
			Tabulka 2
t	doba výdrže	po2	P	tg & x	10 4 K31	Qm
°c	hod.	MPa	g/mm3
1 280	1	0,021	7,84	136	0,219	690

Tabulka 3

t	doba výdrže	p02	P	tg <5 χ IO'4	K31
°C	hod.	MPa	g/mm3
1 280	1 .	0,101	8,00	295	0,196	510
Vynález	může být	s výhodou využit	ve všech	oborech elektrotechnické	keramiky.	kde se

používá piezokeramických materiálů. Jedná se především tedy o oblast piezokeramických rezonátorů a monolytických filtrů.

Claims (1)

1. Způsob výroby slinutého keramického materiálu na bázi pevných roztoků PbTi₃__xZr_xC>₃ dotovaných oxidy manganu, vyznačený tím, že lisovaný materiál se slinuje při teplotě 1 200 až 1 320 °C v atmosféře kyslíku po dobu 1 až 3 hodin a po snížení teploty na 1 000 až 1 100 °C se do slinovacího prostoru připustí směs inertního plynu a kyslíku, v níž je parciální tlak kyslíku v rozmezí 0,001 až 0,021 MPa a materiál se temperuje po dobu 1 až 3 hodin.