DE102010025670A1

DE102010025670A1 - Bleifreier piezokeramischer Werkstoff mit Perowskit-Phase und Wolframbronze-Phase und Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils mit dem Werkstoff

Info

Publication number: DE102010025670A1
Application number: DE102010025670A
Authority: DE
Inventors: Robert Bathelt; Dr. Benkert Katrin; Dr. Schuh Carsten; Thomas Soller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2012-01-05
Also published as: JP2013534898A; EP2548237A1; WO2012000752A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen bleifreien, mehrphasigen piezokeramischen Werkstoff, aufweisend mindestens eine Perowskit-Phase mit der Perowskit-Phasen-Zusammensetzung (LixK1-x-yNay) (Nb1-t-uTatSbu)O3 und mindestens eine Wolframbronze-Phase mit der Wolframbronze-Phasen-Zusammensetzung (MIII m(LixK1-x-yNay)1-m(Nb1-wTaw)5O15 + VA'2m , wobei MIII mindestens ein dreiwertiges Metall ist, VA' A-Platz-Leerstellen sind und folgende Zusammenhänge gelten: 0 < m ≤ 0,05; 0 ≤ t ≤ 0,15; 0 ≤ u ≤ 0,15; 0 ≤ w ≤ 1; 0 ≤ x ≤ 0,15; 0,25 ≤ y ≤ 0,75. Es wird auch ein Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils mit dem piezokeramischen Werkstoff mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Bereitstellen eines Grünkörpers mit einer piezokeramischen Ausgangszusammensetzung des piezokeramischen Werkstoffs und b) Wärmebehandeln des Grünkörpers, wobei aus der piezokeramischen Ausgangszusammensetzung der piezokeramische Werkstoff des Bauteils entsteht. Das piezokeramische Bauteil ist beispielsweise ein Ultraschallwandler oder ein piezokeramischer Biegewandler. Insbesondere ist das piezokeramische Bauteil ein Vielschicht-Piezoaktor, der zur Ansteuerung einer Kraftstoffventils eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs eingesetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen bleifreien, mehrphasigen piezokeramischen Werkstoff mit mindestens einer Perowskit-Phase und mit mindestens einer Wolframbronze-Phase sowie ein Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils mit dem Werkstoff.
Piezokeramische Werkstoffe auf der Basis des binären Mischsystems von Bleizirkonat und Bleititanat, so genannte Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik (Pb(Ti,Zr)O₃, PZT), werden wegen ihrer sehr guten mechanischen und piezoelektrischen Eigenschaften, beispielsweise hohe Curie-Temperatur T_c von über 300°C oder hoher d₃₃-Koeffizient im Groß- und Kleinsignalbereich, in vielen Bereichen der Technik eingesetzt. Piezoelektrische Bauteile mit diesen Werkstoffen sind beispielsweise Biegewandler, Vielschichtaktoren und Ultraschallwandler. Diese Bauteile werden in der Aktorik, der Medizintechnik, der Ultraschalltechnik oder der Automobiltechnik eingesetzt.
Mit Inkrafttreten der RoHS(Restriction of the use of certain hazardous substances)-Richtline im Jahr 2006 wurde der gesetzlich erlaubte Gehalt an Schwermetallen in elektrischen und elektronischen Bauteilen innerhalb der Europäischen Union (EU) stark beschränkt. Dies betrifft auch oben beschriebene Piezoelektrische Bauteile. Der Einsatz von Bauteilen mit PZT als piezokeramischen Werkstoff ist derzeit nur über eine befristete EU-Ausnahmegenehmigung möglich.
Im Hinblick auf eine verbesserte Umweltverträglichkeit ist beispielsweise aus der US 7,101,491 B2 ein viel versprechender bleifreier, phasenreiner piezokeramischer Werkstoff mit guten piezoelektrischen Eigenschaften bekannt. Der Werkstoff besteht aus einer Perowskit-Phase auf der Basis eines Kalium-Natrium-Niobats (KNN). Zur Verbesserung der piezoelektrischen Eigenschaften des piezokeramischen Werkstoffs kann eine Vielzahl von Dotierungen vorhanden sein. Besonders gute piezoelektrische Eigenschaften werden mit Lithium, Tantal und/oder Antimon als Dotierungen erhalten.
Aufgabe der Erfindung ist es, den bekannten piezokeramischen Werkstoff für den Einsatz in piezokeramischen Bauteilen weiterzuentwickeln.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein bleifreier, mehrphasiger piezokeramischer Werkstoff angegeben, aufweisend mindestens eine Perowskit-Phase mit der Perowskit-Phasen-Zusammensetzung (Li_xK_1-x-yNa_y) (Nb_1-t-uTa_tSb_u)O₃ und mindestens eine Wolframbronze-Phase mit der Wolframbronze-Phasen-Zusammensetzung (M^III _m(Li_xK_1-x-yNa_y)_1-m(Nb_1-wTa_w)₅O₁₅ + VA'_2m _, wobei M^III mindestens ein dreiwertiges Metall ist, VA' A-Platz-Leerstellen sind und folgende Zusammenhänge gelten:

– 0 < m ≤ 0,05;
– 0 ≤ t ≤ 0,15;
– 0 ≤ u ≤ 0,15;
– 0 ≤ w ≤ 1;
– 0 ≤ x ≤ 0,15;
– 0,25 ≤ y ≤ 0,75.

Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils mit dem piezokeramischen Werkstoff mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Bereitstellen eines Grünkörpers mit einer piezokeramischen Ausgangszusammensetzung des piezokeramischen Werkstoffs und b) Wärmebehandeln des Grünkörpers, wobei aus der piezokeramischen Ausgangszusammensetzung der piezokeramische Werkstoff des Bauteils entsteht.
Der piezokeramische Werkstoff ist bleifrei. Bleifrei bedeutet dabei, dass sehr geringe, nachweisbare Verunreinigungen an Blei, beispielsweise im ppm-Bereich vorhanden sein können.
Der piezokeramische Werkstoff weist ein bleifreies, zumindest zweiphasiges System auf, das eine Perowskit-Phase auf Basis eines Alkali-Niobats und eine Wolframbronze-Phase auf Basis eines Alkali-Niobats und/oder auf Basis eines Alkali-Tantalats aufweist. Das Alkali-Niobat der Perowskit-Phase ist mit Tantal und/oder mit Antimon dotiert. Vorzugsweise ist zumindest eines dieser Metalle vorhanden sind (u + t ≠ 0). Für die Wolframbronze-Phase sind neben den reinen Alkali-Niobaten bzw. Alkali-Tantalaten insbesondere Mischformen dieser beiden oxidischen Alkali-Verbindungen denkbar. Die Mischform enthält sowohl Niob als auch Tantal (Alkali-Niobat-Tantalat). Darüber hinaus ist die Wolframbronze-Phase auf den A-Plätzen mit dreiwertigem (trivalentem) Metall M^III dotiert. Dabei kommen beliebige dreiwertige Metalle in Frage. Auch können verschiedene Metalle in selben piezokeramischen Werkstoff zu Einsatz kommen. Die Perowskit-Phase ist auf den A-Plätzen mit verschiedenen Metallen dotiert.
Bei der Zusammensetzung handelt es sich um ein mehrphasiges System, das eine hohe Dehnung (z. B. hoher d₃₃-Koeffizient) und eine hohe Curie-Temperatur (T_C) aufweist. Es hat sich gezeigt, dass der piezokeramische Werkstoff dann sehr gute piezoelektrische Eigenschaften zeigt, wenn er, nicht wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, einphasig (phasenrein), sondern zwei- oder mehrphasig ist. Dabei ist neben mindestens einer Perowskit-Phase mindestens eine Wolframbronze-Phase vorhanden. Darüber hinaus können weitere (feste) Phasen vorhanden sein.
Auch hat die jeweilige Zusammensetzung der Perowskit-Phase und der Wolfram-Bronze-Phase einen großen Einfluss auf die piezoelektrischen Eigenschaften des Werkstoffs. Die beiden Phasen des piezokeramischen Werkstoffs befinden sich nämlich in der Nähe einer Phasen-Umwandlung vom orhto-rhombischen Kristall-System in das tetragonale Kristall-System. In der Nähe einer solchen Phasen-Umwandlung resultieren sehr gute piezoelektrische Eigenschaften eines Materials. Dies betrifft sowohl die Dehnung als auch den Kopplungsfaktor und die dielektrischen Eigenschaften. Dadurch können die für die Aktorik notwendigen hohen Dehnungen erreicht werden.
Vorzugsweise ist das dreiwertige Metall M^III ein Seltenerdmetall RE. Insbesondere ist das Seltenerdmetall RE Neodym (Nd³⁺). Basierend auf der A-Platz-Dotierung mit dreiwertigem Neodym können sehr gute piezoelektrische Eigenschaften erzielt werden. Aufgrund der A-Platz-Dotierung mit einem dreiwertigen Metall kommt es zu einer entsprechenden Anzahl von A-Platz-Leerstellen. Es wird vermutet, dass dies die Ursache für die Reduktion der Phasen-Übergangs-Temperatur von der ortho-rhombischen in die tetragonale Phase der Wolframbronze-Phase ist und in Folge davon die Ursache für die verbesserten elektrischen und piezoelektrischen Eigenschaften des Werkstoffs ist.
Zur Maßschneiderung des piezokeramischen Werkstoffs, beispielsweise der Maßschneiderung der Phasen-Übergangstemperatur der Perowskit-Phase und/oder der Wolframbronze-Phase, können B-Platz-Dotierungen vorhanden sein. Solche B-Platz-Dotierungen sind beispielsweise Ti, Zr, Si, Ge, Y oder/oder Sc. Die B-Plätze der Perowskit-Phase und/oder die B-Platze der Wolframbronze-Phase sind zum Teil von einer Art Metall oder von verschiedenen Arten von Metallen besetzt.
Die Anteile der beiden Phasen am piezokeramischen Werkstoff können sehr unterschiedlich sein. Im Hinblick auf gute piezoelektrische Eigenschaften ist es besonders vorteilhaft, wenn ein Anteil der Wolframbronze-Phase am piezokeramischen Werkstoff aus dem Bereich von einschließlich 0,01 Vol.-% bis einschließlich 25 Vol.-% und insbesondere aus dem Bereich von einschließlich 0,05 Vol.-% bis einschließlich 15 Vol.-% gewählt ist. Vorzugweise ist der Anteil der Wolframbronze-Phase bis einschließlich 10 Vol.-% gewählt. Die Anteile beziehen sich auf den Feststoff des Werkstoffs. Bei einem Werkstoff, der nur aus den beiden angegebenen Phasen besteht, ergibt sich für einen Anteil der Perowskit-Phase am piezokeramischen Werkstoff ein Wert aus dem Bereich von einschließlich 99,99 Vol.-% bis einschließlich 75,0 Vol.-% und insbesondere ein Wert aus dem Bereich von einschließlich 99,95 Vol.-% bis einschließlich 85 Vol.-% bzw. 90 Vol.-%.
Hinsichtlich des Verfahrens zum Herstellen des piezokeramischen Werkstoffs ist Folgendes anzumerken: Der Grünkörper ist ein Formkörper, der beispielsweise aus homogen vermischten, zusammen verpressten Oxiden der angegebenen Metalle besteht. Ebenso kann der Grünkörper ein organisches Additiv aufweisen, das mit den Oxiden der Metalle zu einem Schlicker verarbeitet ist. Das organische Additiv ist beispielsweise ein Binder oder ein Dispergator. Aus dem Schlicker wird in einem Formgebungsprozess ein Grünkörper erzeugt. Der Grünkörper ist beispielsweise eine Grünfolie, die durch den Formgebungsprozess (Folienziehen) hergestellt wird. Der beim Formgebungsprozess hergestellte Grünkörper mit der piezokeramischen Ausgangszusammensetzung wird einer Wärmebehandlung unterzogen. Das Wärmebehandeln des Grünkörpers beinhaltet ein Kalzinieren und/oder ein Sintern. Es kommt zur Bildung und zum Verdichten des sich bildenden piezokeramischen Werkstoffs.
Zum Bereitstellen des Grünkörpers wird gemäß einer besonderen Ausgestaltung ein Mischen pulverförmiger, oxidischer Metallverbindungen der Metalle der Perowskit-Phase und der Wolframbronze-Phase durchgeführt. Dabei können neben Oxiden der Metalle, beispielsweise Antimonoxid (Sb₂O₅), Nioboxid (Nb₂O₅) und Tantaloxid (Ta₂O₅), auch Vorstufen der Oxide der Metalle, beispielsweise Carbonate (Li₂CO₃, K₂CO₃) oder Oxalate eingesetzt werden. Beide Arten von Metallverbindungen, also die Vorstufen der Oxide sowie die Oxide selbst, können als oxidische Metallverbindungen bezeichnet werden.
Die Pulver der oxidischen Metallverbindungen können nach bekannten Verfahren hergestellt werden, beispielsweise nach dem Sol-Gel-, dem Citrat-, dem Hydrothermal- oder dem Oxalatverfahren. Dabei können oxidische Metallverbindungen mit nur einer Art Metall hergestellt werden. Denkbar ist insbesondere auch, dass oxidische Metallverbindungen mit mehren Arten von Metallen eingesetzt werden (Mischoxide). Gemäß einer besonderen Ausgestaltung wird daher eine piezokeramische Ausgangszusammensetzung mit mindestens einer oxidischen Metallverbindung mit mindestens zwei der Metalle verwendet. Beispiele hierfür sind Lithiumniobat (LiNbO₃) oder Lithiumtantalat (LiTaO₃). Die oxidische Metallverbindung mit mindestens zwei der Metalle kann auch die Perowskit-Phase oder die Wolframbronze-Phase selbst sein. Zum Bereitstellen dieser Mischoxide kann auch auf die oben erwähnten Fällungreaktionen zurückgegriffen werden. Denkbar ist auch ein Mixed-Oxide-Verfahren. Dabei werden pulverförmige Oxide der Metalle miteinander vermischt und bei höheren Temperaturen kalziniert. Beim Kalzinieren entstehen die Mischoxide.
Die Aufarbeitung der Metalloxide mit der Überführung in den piezokeramischen Werkstoff kann auf verschiedenen Weisen erfolgen. Denkbar ist beispielsweise, dass zunächst die Pulver der oxidischen Metallverbindungen homogen vermischt werden. Es entsteht die piezokeramische Ausgangszusammensetzung in Form einer homogenen Mischung der Metalloxide. Anschließend wird die piezokeramische Ausgangszusammensetzung durch Wärmebehandeln, z. B. durch Kalzinieren, in den piezokeramischen Werkstoff überführt. Der piezokeramische Werkstoff wird zu feinem Piezokeramikpulver zermalen. Anschließend wird aus dem feinen Piezokeramikpulver im Formgebungsprozess ein keramischer Grünkörper mit einem organischen Binder und weiteren organischen Additiven hergestellt. Dieser keramische Grünkörper wird entbindert und gesintert. Dabei bildet sich das piezokeramische Bauteil mit dem piezokeramische Werkstoff.
Alternativ zum beschriebenen Vorgehen können die Pulver der oxidischen Metallverbindungen homogen vermischt und im Formgebungsprozess zum keramischen Grünkörper mit organischem Binder verarbeitet werden. Auch dieser Grünkörper weist die piezokeramische Ausgangszusammensetzung auf. Nachfolgendes Sintern führt zum piezokeramischen Bauteil mit dem piezokeramischen Werkstoff.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung wird ein piezokeramischer Bauteil mit mindestens einem Piezoelement hergestellt, das eine Elektrodenschicht mit Elektrodenmaterial, mindestens eine weitere Elektrodenschicht mit einem weiteren Elektrodenmaterial und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete Piezokeramikschicht mit dem piezokeramischen Werkstoff aufweist. Ein einziges Piezoelement stellt die kleinste Einheit des piezokeramischen Bauteils dar. Zum Herstellen des Piezoelements wird beispielsweise eine keramische Grünfolie mit der piezokeramischen Ausgangszusammensetzung beidseitig mit den Elektrodenmaterialien bedruckt. Die Elektrodenmaterialien können dabei gleich oder unterschiedlich sein. Durch nachfolgendes Entbindern und Sintern resultiert das Piezoelement.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung wird ein Piezoelement verwendet, bei dem das Elektrodenmaterial und/oder das weitere Elektrodenmaterial mindestens ein aus der Gruppe Silber, Kupfer und Palladium ausgewähltes elementares Metall aufweisen. Der piezokeramische Werkstoff bzw. das Piezoelement wird insbesondere durch ein gemeinsames Sintern der piezokeramischen Ausgangszusammensetzung und der Elektrodenmaterials hergestellt (Cofiring). Das Elektrodenmaterial kann dabei aus den reinen Metallen bestehen, beispielsweise nur aus Silber oder nur aus Kupfer. Eine Legierung der genannten Metalle ist ebenfalls möglich, beispielsweise eine Legierung aus Silber und Palladium.
Das Sintern zum piezokeramischen Werkstoff kann sowohl in reduzierender oder oxidierender Sinteratmosphäre durchgeführt werden. In einer reduzierenden Sinteratmosphäre ist nahezu kein Sauerstoff vorhanden. Ein Sauerstoffpartialdruck beträgt weniger als 1·10^–2 mbar und vorzugsweise weniger als 1·10^–3 mbar. Durch Sintern in einer reduzierenden Sinteratmosphäre ist kostengünstiges Kupfer als Elektrodenmaterial möglich.
Prinzipiell kann mit Hilfe der piezokeramischen Ausgangszusammensetzung jedes beliebige piezokeramische Bauteil mit dem piezokeramischen Werkstoff hergestellt werden. Das piezokeramische Bauteil weist vornehmlich mindestens ein oben beschriebenes Piezoelement auf. Vorzugsweise wird das piezokeramische Bauteil mit dem Piezoelement aus der Gruppe piezokeramischer Biegewandler, piezokeramischer Vielschichtaktor, piezokeramischer Transformator, piezokeramischer Motor und piezokeramischer Ultraschallwandler ausgewählt. Das Piezoelement ist beispielsweise Bestandteil eines piezoelektrischen Biegewandlers. Durch Übereinanderstapeln einer Vielzahl von einseitig oder beidseitig mit Elektrodenmaterial bedruckten Grünfolien, nachfolgendes Entbindern und Sintern entsteht ein monolithischer Stapel aus Piezoelementen. Bei geeigneter Dimensionierung und Form resultiert ein monolithischer piezokeramischer Vielschichtaktor. Dieser piezokeramische Vielschichtaktor wird vorzugsweise zur Ansteuerung eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine eingesetzt. Durch die stapelförmige Anordnung der Piezoelemente ist auch, bei geeigneter Dimensionierung und Form, ein piezokeramischer Ultraschallwandler zugänglich. Der Ultraschallwandler wird beispielsweise in der Medizintechnik oder zur Materialprüfung eingesetzt.
Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
1 zeigt ein keramisches Piezoelement in einem seitlichen Querschnitt.
2 zeigt ein piezoelektrisches Bauteil mit einer Vielzahl von Piezoelementen in einem seitlichen Querschnitt.
3 zeigt den d₃₃-Koeffizienten des bei verschiedenen Temperaturen gesinterten piezokeramischen Werkstoffs mit unterschiedlichen Nd-Dotierungen bei einer Feldstärke von 2 kV/mm.
4 zeigt die Permittivitäten der Ausführungsbeispiele.
Gegeben ist ein zweiphasiger, bleifreier piezokeramischer Werkstoff. Der Werkstoff weist eine Perowskit-Phase mit folgender Perowskit-Phasen-Zusammensetzung auf: (Li_xK_1-x-yNa_y) (Nb_1-t-uTa_tSb_u)O₃.
Neben der Perowskit-Phase ist eine Wolframbronze-Phase mit folgender Wolframbronze-Phasen-Zusammensetzung (M^III _m(Li_xK_1-x-yNa_y)_1-m(Nb_1-wTa_w)₅O₁₅ + VA'_2m. Das trivalente Metall M^III ist Neodym (Nd³⁺).
Der Anteil der Wolframbronze-Phase am piezokeramischen Werkstoff beträgt 10 Vol.-%. Der Anteil der Perowskit-Phase beträgt 90 Vol.-%.

Die Ausführungsbeispiele umfassen folgende Effektiv-Zusammensetzungen:

Nd-Dotierung [mol%]	X (Anteil Litium)	y (Anteil Natrium	m (Anteil von Nd³⁺)	a = 2 m (Anteil von A-Platz-Leerstellen VA')	W (Anteil Tantal)
0	0,0300	0,5238	0	0	0,19
0,25	0,0298	0,5199	0,0025	0,0050	0,19
0,5	0,0296	0,5159	0,0050	0,0100	0,19
0,75	0,0294	0,5120	0,0075	0,0150	0,19
1,0	0,0291	0,5081	0,0100	0,0200	0,19

Aufgrund der A-Platz-Dotierung mit Nd³⁺ resultiert jeweils die doppelte Anzahl an Leerstellen auf den A-Plätzen,
Die Nd-Dotierung von 0 mol% ist nicht durch die Erfindung erfasst und fungiert lediglich als Referenz. Gesintert wurde bei einer Temperatur von 1140°C, 1150°C oder von 1160°C. Dabei ergab sich jeweils eine Sinterdichte von ca. 4,95 g/cm³.
Zur Charakterisierung der dielektrischen Eigenschaften der piezokeramischen Werkstoffe wird eine Probe in Form einer Tablette aus dem piezokeramischen Werkstoff hergestellt. Dazu werden pulverförmige, oxidische Ausgangsstoffe miteinander zu einem keramischen Grünkörper in Form einer Tablette verpresst und bei Temperaturen von 1140°C, 1150°C bzw. 1160°C gesintert. Auf die Hauptflächen der jeweils resultierenden Tablette werden Elektrodenschichten aus Silber aufgebracht, über die in die Keramik ein elektrisches Feld eingekoppelt wird. Es entsteht ein Piezoelement mit Elektrodenschichten aus Silber und dazwischen angeordneter Piezokeramikschicht mit dem jeweiligen piezokeramischen Werkstoff.
Bei den Sintertemperaturen von 1140°C, 1150°C und 1160°C sind die d₃₃-Koeffizienten der piezokeramischen Werkstoffe mit Dotierungen von weniger als 1,0 mol.% gegenüber der undotierten Piezokeramik erhöht (3). Dagegen sind die Werte bei einer Nd-Dotierung von 1,0 mol.% erniedrigt.
Im Vergleich zur Permittivität der undotierten Keramik ist die Permittivität der piezokeramischen Werkstoffe mit Nd-Dotierung durchweg erhöht. Allerdings sinkt die Permittivität wieder beim Gang zu höheren Nd-Dotierungen (über 0,75 mol.%). Der elektrische Isolationswiderstand der Ausführungsbeispiele ist gegenüber der undotierten KNN-Keramik erhöht.
In Anlehnung an das beschriebene Verfahren zur Herstellung der Proben wird ein piezoelektrisches Bauteil 1 mit dem piezokeramischen Werkstoff hergestellt. Das piezoelektrische Bauteil 1 ist gemäß einer ersten Ausführungsform ein Piezoaktor 1 in monolithischer Vielschichtbauweise (2). Der Piezoaktor 1 besteht aus einer Vielzahl von übereinander zu einem Stapel angeordneten Piezoelementen 10 (1). Jedes der Piezoelemente 10 weist eine Elektrodenschicht 11, eine weitere Elektrodenschicht 12 und eine zwischen den Elektrodenschichten 11 und 12 angeordnete Piezokeramikschicht 13 auf. Die im Stapel benachbarten Piezoelemente 10 weisen jeweils eine gemeinsame Elektrodenschicht auf. Die Elektrodenschichten 11 und 12 bestehen aus (annähernd) reinem Silber. In einer dazu alternativen Ausführungsform weisen die Elektrodenschichten 11 und 12 ein Elektrodenmaterial aus einer Silber-Palladium-Legierung auf, bei der Palladium zu einem Anteil von 5 Gew.% enthalten ist.
Die Grünfolien werden getrocknet, mit einer Paste mit dem Elektrodenmaterial bedruckt, übereinander gestapelt, laminiert, entbindert und zum Piezoaktor 1 unter oxidierender Sinteratmosphäre (Silber oder Silber-Palladium-Legierung als Elektrodenmaterial) gesintert.
Der resultierende monolithische piezokeramische Vielschichtaktor wird zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzventils eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs eingesetzt.
Weitere, nicht dargestellte Ausführungsformen wie piezokeramischer Biegewandler, piezokeramischer Transformator oder piezokeramischer Ultraschallwandler mit dem neuen piezokeramischen Werkstoff sind ebenfalls zugänglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7101491 B2 [0004]

Claims

Bleifreier, mehrphasiger piezokeramischer Werkstoff, aufweisend – mindestens eine Perowskit-Phase mit der Perowskit-Phasen-Zusammensetzung (Li_xK_1-x-yNa_y) (Nb_1-t-uTa_tSb_u)O₃ und – mindestens eine Wolframbronze-Phase mit der Wolframbronze-Phasen-Zusammensetzung (M^III _m(Li_xK_1-x-yNa_y)_1-m(Nb_1-wTa_w)₅O₁₅ + VA'_2m, wobei – M^III mindestens ein dreiwertiges Metall ist, VA' A-Platz-Leerstellen sind und folgende Zusammenhänge gelten: – 0 < m ≤ 0,05; – 0 ≤ t ≤ 0,15; – 0 ≤ u ≤ 0,15; – 0 ≤ w ≤ 1; – 0 ≤ x ≤ 0,15; – 0,25 ≤ y ≤ 0,75.
Werkstoff nach Anspruch 1, wobei das das dreiwertige Metall M^III ein Seltenerdmetall RE ist
Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Seltenerdmetall RE Neodym ist.
Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Anteil der Wolframbronze-Phase am piezokeramischen Werkstoff aus dem Bereich von einschließlich 0,01 Vol.-% bis einschließlich 25 Vol.-% und insbesondere aus dem Bereich von einschließlich 0,05 Vol.-% bis einschließlich 15 Vol.-% gewählt ist.
Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils (1) mit einem piezokeramischen Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit folgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstellen eines Grünkörpers mit einer piezokeramischen Ausgangszusammensetzung des piezokeramischen Werkstoffs und b) Wärmebehandeln des Grünkörpers, wobei aus der piezokeramischen Ausgangszusammensetzung der piezokeramische Werkstoff des Bauteils (1) entsteht.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei zum Bereitstellen des Grünkörpers ein Mischen pulverförmiger, oxidischer Metallverbindungen der Metalle der Perowskit-Phase und der Wolframbronze-Phase durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine piezokeramische Ausgangszusammensetzung mit mindestens einem Mischoxid mit mindestens zwei der Metalle verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei ein piezokeramisches Bauteil (1) mit mindestens einem Piezoelement (10) hergestellt wird, das eine Elektrodenschicht (11) mit Elektrodenmaterial, mindestens eine weitere Elektrodenschicht (12) mit einem weiteren Elektrodenmaterial und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten (11, 12) angeordnete Piezokeramikschicht (13) mit dem piezokeramischen Werkstoff aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8, wobei ein Piezoelement (10) verwendet wird, bei dem das Elektrodenmaterial und/oder das weitere Elektrodenmaterial mindestens ein aus der Gruppe Silber, Kupfer und Palladium ausgewähltes elementares Metall aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei das piezokeramische Bauteil (1) mit dem Piezoelement (10) aus der Gruppe piezokeramischer Biegewandler, piezokeramischer Vielschichtaktor, piezokeramischer Transformator, piezokeramischer Motor und piezokeramischer Ultraschallwandler ausgewählt wird.
Verwendung eines nach dem Verfahren nach Anspruch 10 hergestellten piezokeramischen Vielschichtaktors zur Ansteuerung eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine.