DE102011078225B4 - Method of producing texture seeds for a piezoceramic material from Molten Salt Synthesis (MSS) - Google Patents

Method of producing texture seeds for a piezoceramic material from Molten Salt Synthesis (MSS) Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Herstellung von Natrium-Niobat-(NN)Textur-Zielkeimen in einer zweistufigen Molten Salt Synthesis (MSS), wobei in einem ersten Verfahrensschritt aus einer Salzschmelze ein Zwischenprodukt mit einer Schichtstruktur hergestellt wird, bei der eine Anzahl von Lagen an Metall-NaNbO3-Keimvorstufen durch eine Zwischenlage eines anderen Metalloxids getrennt vorliegt, und dann in einem zweiten Verfahrensschritt eine topochemische Konversion (TMC) erfolgt, durch die die NN-Textur-Zielkeime herstellbar sind, wobei zur topochemischen Konversion als Ausgangsmaterial entweder Metall-NN-Keimvorstufen mit variierender Anzahl von Lagen an NaNbO3-Keimvorstufen zwischen den Schichten des anderen Metalloxids, also so genannte nicht-phasenreine Metall-NN-Keimvorstufen, und/oder eine Mischung von phasenreinen Metall-NN-Keimvorstufen eingesetzt werden, die sich nur durch die Anzahl der Perowskitlagen zwischen den Zwischenlagen unterscheidet.Process for the preparation of sodium niobate (NN) texture target germs in a two-stage Molten Salt Synthesis (MSS), wherein in a first process step a molten salt intermediate is made having a layered structure comprising a number of layers of metal NaNbO3 -Keimvorstufen is separated by an interposition of another metal oxide, and then in a second process step, a topochemical conversion (TMC), by which the NN-texture target germs are produced, wherein for topochemical conversion as starting material either metal NN seed precursors with varying Number of layers of NaNbO3 seed precursors between the layers of the other metal oxide, so-called non-phase pure metal NN seed precursors, and / or a mixture of phase-pure metal NN seed precursors are used, only by the number of Perowskitlagen between differentiates between the liners.

Description

Die Erfindung betrifft bleifreie, piezokeramische Textur-Keime und ein Verfahren zum Herstellen dieser Textur-Keime über die Molten Salt Synthesis.The invention relates to lead-free, piezoceramic texture nuclei and to a method for producing these texture nuclei via Molten Salt Synthesis.

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 Tc 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.Piezoceramic materials based on the binary mixed system of lead zirconate and lead titanate, so-called lead zirconate titanate ceramic (Pb (Ti, Zr) O 3 , PZT), are used because of their very good mechanical and piezoelectric properties, for example high Curie temperature T c of over 300 ° C or high d 33 coefficient in the large and small signal range, used in many areas of technology. Piezoelectric components with these materials are, for example, bending transducers, multilayer actuators and ultrasonic transducers. These components are used in actuators, medical technology, ultrasound technology or automotive engineering.

Mit Inkrafttreten der RoHS(Restriction of the use of certain Hazardous Substances)-Richtlinie 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 die oben beschriebenen piezoelektrische Bauteile. Der Einsatz von Bauteilen mit PZT als piezokeramischen Werkstoff ist derzeit nur über eine befristete EU-Ausnahmegenehmigung möglich.With the entry into force of the Restriction of Hazardous Substances (RoHS) directive in 2006, the legally permitted levels of heavy metals in electrical and electronic components within the European Union (EU) were severely restricted. This also applies to the piezoelectric components described above. The use of components with PZT as a piezoceramic material is currently only possible through a temporary EU exemption.

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). Insbesondere texturierte bleifreie KNN-Piezokeramiken weisen mit im Hinblick auf PZT vergleichbare Leistungsdaten auf. Die Texturierung kann durch Einbringen von einkristallinen NN-Keimen in eine polykristalline KNN-Matrix mit anschließender thermischer Prozessierung erreicht werden. Dabei ist die Herstellung hochwertiger NN-Keime eine notwendige Voraussetzung für eine erfolgreiche Texturierung der KNN-Keramik.With regard to an improved environmental performance is for example from the US Pat. No. 7,101,491 B2 a promising lead-free, phase-pure piezoceramic material with good piezoelectric properties known. The material consists of a perovskite phase based on potassium niobate (KNN). In particular, textured lead-free CNN piezoceramics have performance data comparable with respect to PZT. The texturing can be achieved by introducing monocrystalline NN nuclei into a polycrystalline KNN matrix with subsequent thermal processing. The production of high-quality NN seeds is a necessary prerequisite for a successful texturing of the KNN ceramics.

Aus DE 10 2008 042 955 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine geschichtete Verbindung auf Perowskitbasis eine wismutschichtartige Verbindung auf Perowskitbasis einschließt.Out DE 10 2008 042 955 A1 For example, a method is known in which a layered perovskite-based compound includes a bismuth layer type perovskite-based compound.

Hochwertige einkristalline Natriumniobat-Keime werden derzeit über das Molten-Salt-Synthesis-Verfahren hergestellt, wobei normalerweise als Zwischenprodukt die Bildung von möglichst phasenreinen BNN5-Keimvorstufen das Verfahrensziel ist.High-quality monocrystalline sodium niobate nuclei are currently produced by the Molten-Salt Synthesis process, whereby the objective of the process is usually as an intermediate, the formation of as phase-pure BNN5 seed precursors.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein optimiertes Verfahren zur Herstellung von hochwertigen einkristallinen NN-Zielkeimen, die sich insbesondere für die Texturierung von KNN-Piezokeramiken eignen, zu schaffen.The object of the present invention is to provide an optimized process for the production of high-grade monocrystalline NN target germs, which are particularly suitable for the texturing of KNN piezoceramics.

Lösung der Aufgabe und Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung von Natrium-Niobat-(NN)Textur-Zielkeimen in einer zweistufigen Molten Salt Synthesis (MSS), wobei in einem ersten Verfahrensschritt aus einer Salzschmelze ein Zwischenprodukt mit einer Schichtstruktur hergestellt wird, bei der eine Anzahl von Lagen Perowskit durch eine Zwischenlage eines anderen Metalloxids getrennt vorliegt, und dann in einem zweiten Verfahrensschritt eine topochemische Konversion (TMC) erfolgt, durch die die NN-Textur-Zielkeime herstellbar sind, wobei zur topochemischen Konversion als Ausgangsmaterial entweder nicht-phasenreine Metall-NN-Keimvorstufen mit unterschiedlicher Anzahl innerer Perowskitlagen und/oder eine Mischung von phasenreinen Metall-NN-Keimvorstufen eingesetzt wird, die sich nur durch die Anzahl der Perowskitlagen zwischen den Zwischenlagen unterscheidet.A solution to the problem and object of the present invention is therefore a process for the preparation of sodium niobate (NN) texture target germs in a two-stage Molten Salt Synthesis (MSS), wherein in a first process step from an molten salt, an intermediate product having a layer structure is produced in which a number of layers of perovskite are separated by an interlayer of another metal oxide, and then in a second process step a topochemical conversion (TMC) is carried out by which the NN-texture target germs can be produced, with either not being used for topochemical conversion as starting material phase-pure metal NN seed precursors with different numbers of internal perovskite layers and / or a mixture of phase-pure metal NN seed precursors is used, which differs only by the number of Perowskitlagen between the intermediate layers.

Durch das gleichzeitige Vorliegen unterschiedlicher (intragranularer und/oder separater) BNNm-Phasen (mit jeweils inhärent verschiedenen relativen Gehalten an dem jeweils anderen Metalloxid, wie beispielsweise an Bismut) im Ausgangsmaterial kann die Menge an anderem Metalloxid, wie beispielsweise Bismut, in den finalen NN-Textur-Zielkeimen (nach der entsprechenden Umwandlung im Rahmen des zweiten Verfahrensschrittes, des TMC-Prozesses) gezielt manipuliert werden. Eine geeignete Wahl der intragranularen Schichtabfolge (beispielsweise durch Core-Shell-Strukturen) ermöglicht überdies eine Erhöhung der Reaktionsfreudigkeit und -geschwindigkeit sowie die Erleichterung der definierten Abtrennung/Auswaschung des als Nebenprodukt entstehenden Metalloxids wie beispielsweise des Bismutoxids.By the simultaneous presence of different (intragranular and / or separate) BNN m phases (each with inherently different relative contents of the other metal oxide, such as bismuth) in the starting material, the amount of other metal oxide, such as bismuth, in the final NN-texture target germs (after the corresponding transformation in the context of the second process step, the TMC process) can be manipulated in a targeted manner. Moreover, a suitable choice of the intragranular layer sequence (for example by core-shell structures) makes it possible to increase the reactivity and rate as well as to facilitate the defined separation / leaching of the by-produced metal oxide, for example the bismuth oxide.

Die zweistufige MSS anisometrischer Partikel stellt ein universelles Verfahren zur Herstellung von tabularen Textur-Keimen dar. Es wird zunächst in einer (Alkali/Erdalkali)-Salzschmelze ein zur gewünschten Zielverbindung verwandtes anisometrisches Zwischenprodukt mit beispielsweise Bismut-Schicht- oder Ruddlesden-Popper-Struktur hergestellt. Beide letztgenannten Verbindungstypen zeichnen sich dadurch aus, dass sie aus mehreren übereinander gestapelten Perowskitlagen bestehen, die durch Zwischenschichten unterschiedlichen Aufbaus voneinander abgegrenzt werden. Aufgrund einer hierin begründeten starken Anisotropie in den Oberflächenenergien kristallisieren diese Materialien bevorzugt in plättchenförmigem Habitus.The two-stage MSS anisometric particles is a universal method for the production of tabular texture germs. An anisometric intermediate with, for example, bismuth layer or Ruddlesden popper structure is first prepared in an alkali / alkaline earth molten salt melt , Both last-mentioned types of connection are distinguished by the fact that they consist of several stacked perovskite layers, which are delimited from one another by intermediate layers of different construction. Due to a strong anisotropy in surface energies established herein, these materials preferentially crystallize in a platelike habit.

Gemäß der Erfindung werden zunächst mehrere Zwischenprodukte hergestellt, die sich nur durch die Anzahl der übereinander gestapelten Perowskitlagen unterscheiden. Die Bildung unterschiedlicher Zwischenprodukte, wie beispielsweise BNN2, BNN4, BNN5 abhängig von der Temperatur und Haltezeit ist, wahrscheinlich beeinflusst auch die bereitgestellte Menge an Bi2O3. According to the invention, first several intermediates are produced, which differ only by the number of stacked Perowskitlagen. The formation of various intermediates, such as BNN 2 , BNN 4 , BNN 5 depending on the temperature and hold time, is likely to affect the amount of Bi 2 O 3 provided .

Im zweiten Schritt des MSS erfolgt dann, wiederum in einer Salzschmelze, die topochemische Konversion (TMC) der tabularen Zwischenprodukte zu den NN-Zielkeimen, wobei unter Morphologiewahrung der Lagenaufbau in ein reines Perowskitgitter umgewandelt wird. Ausgehend von den Schichtverbindungen Sr3Ti2O7, Na0,5Bi4,5Ti4O15 und Ba6Ti17O40 konnten mittels MSS erfolgreich SrTiO3, Bi0,5Na0,5TiO3 und BaTiO3 Template hergestellt und für die Texturierung von Piezokeramiken verwendet werden.In the second step of the MSS, then again in a molten salt, the topochemical conversion (TMC) of the tabular intermediates to the NN target germs, wherein morphology preservation, the layer structure is converted into a pure perovskite lattice. Based on the layer compounds Sr 3 Ti 2 O 7 , Na 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 and Ba 6 Ti 17 O 40 , SrTiO 3 , Bi 0.5 Na 0.5 TiO 3 and BaTiO 3 could be successfully synthesized by MSS Template prepared and used for texturing piezoceramics.

Im Hinblick auf die Texturierung von KNN-basierten Materialien haben sich insbesondere NaNbO3-Keime als aussichtsreich erwiesen. Auch hier erfolgt die Synthese über das MSS-Verfahren, wobei als Ausgangspunkt beispielsweise die Bismut-Schicht-Verbindungen Bi2O2[Bi0,5Nam-1,5NbmO3m+1] (abgekürzt BNNm) verwendet werden können. Im Konversionsschritt geschieht dann ein Austausch der Bi3+-Ionen gegen Na+-Ionen und ein damit verknüpftes Rearrangement der Bismut-Schicht-Struktur in das NaNbO3-Perowskitgitter.With regard to the texturing of KNN-based materials, NaNbO 3 nuclei in particular have proved to be promising. Here, too, the synthesis takes place via the MSS method, the starting point being, for example, the bismuth layer compounds Bi 2 O 2 [Bi 0.5 Na m-1.5 NbmO 3m + 1 ] (abbreviated to BNN m ). In the conversion step, an exchange of the Bi 3+ ions then takes place against Na + ions and an associated rearrangement of the bismuth layer structure into the NaNbO 3 perovskite lattice.

Dabei gibt m die Anzahl der Perowskitschichten zwischen den angrenzenden oder begrenzenden oder abgrenzenden Lagen des anderen Metalloxids, das beispielsweise Bi2O2 2+ sein kann, an. Erfindungsgemäß ist m bei der Reaktion (hier mit Bi2O2 2+ als „anderem Metalloxid”) 4Bi2O2[Bi0,5Nam-1,5NbmO3m+1] + 3Na2CO3 -> 4mNaNbO3 + 5Bi2O3 + 3CO2 nicht konstant, sondern es werden verschiedene Ausgangsverbindungen 4Bi2O2[Bi0,5Nam-1,5NbmO3m+1], die sich lediglich in dem Wert von m voneinander unterscheiden, gemäß der Erfindung eingesetzt.In this case, m indicates the number of perovskite layers between the adjacent or delimiting or delimiting layers of the other metal oxide, which may be, for example, Bi 2 O 2 2+ . According to the invention, m is in the reaction (here with Bi 2 O 2 2+ as "other metal oxide") 4Bi 2 O 2 [Bi 0.5 Na m-1.5 Nb m O 3m + 1 ] + 3Na 2 CO 3 -> 4mNaNbO 3 + 5Bi 2 O 3 + 3CO 2 not constant, but different starting compounds 4Bi 2 O 2 [Bi 0.5 Na m-1.5 Nb m O 3m + 1 ], which differ only in the value of m from each other, used according to the invention.

„m” kann Werte zwischen 1 und 20 annehmen, wobei Werte zwischen 1 und 7 bevorzugt sind, insbesondere bevorzugt sind Werte zwischen 2 und 5."M" can take values between 1 and 20, values between 1 and 7 being preferred, values between 2 and 5 being particularly preferred.

Nach einer Ausführungsform des Verfahrens wird als Ausgangsmaterial für die topochemische Konversion eine Verbindung Me2O2[Me0,5Nam-1,5NbmO3m+1] eingesetzt, bei der „m” im Bereich von 1 bis 20 variiert und „Me” für Titan, Strontium, Barium, Antimon, Arsen, seltene Erden und/oder Bismut steht.According to one embodiment of the process, a compound Me 2 O 2 [Me 0.5 Na m-1.5 NbmO 3m + 1 ] is used as starting material for the topochemical conversion, in which "m" varies in the range from 1 to 20 and " Me "stands for titanium, strontium, barium, antimony, arsenic, rare earth and / or bismuth.

Als alternative Metalloxide als „angrenzende Lagen” könnten beispielsweise andere 3-wertige Kationen wie Sb, As oder seltene Erden eingesetzt werden. Für Titanate kämen beispielsweise Strontium und Barium als Alternativen in Betracht.As alternative metal oxides as "adjacent layers", for example, other 3-valent cations such as Sb, As or rare earths could be used. For titanates, for example, strontium and barium would be considered as alternatives.

Zur Herstellung der Piezokeramik werden die Textur-Keime in die Ausgangsmaterialien eingebracht und dort ausgerichtet. Durch die Form-Anisotropie ist eine Ausrichtung der Textur-Keime im Grünkörper möglich.To produce the piezoceramic, the texture nuclei are introduced into the starting materials and aligned there. Due to the shape anisotropy, an alignment of the texture nuclei in the green body is possible.

Der Grünkörper ist ein Formkörper, der neben den Textur-Keimen die Ausgangsmaterialien aufweist. Diese Ausgangsmaterialien sind beispielsweise pulverförmige Oxide der verwendeten Metalle. Die pulverförmigen Oxide und die Textur-Keime werden homogen, also gleichmäßig miteinander vermischt. Anschließend werden die Textur-Keime ausgerichtet. Ein Verpressen der resultierenden Mischung führt zu dem Grünkörper.The green body is a shaped body which has the starting materials in addition to the texture germs. These starting materials are, for example, powdered oxides of the metals used. The powdery oxides and the texture nuclei are homogeneously, ie uniformly mixed. Subsequently, the texture germs are aligned. Pressing the resulting mixture results in the green body.

Denkbar ist auch, dass der Grünkörper mindestens ein organisches Additiv aufweist. Das organische Additiv ist beispielsweise ein Binder oder ein Dispergator. So wird ein solches Additiv mit den Oxiden der Metalle oder Mischoxiden der Metalle zu einem Schlicker verarbeitet. Aus dem Schlicker wird in einem Formgebungsprozess der Grünkörper erzeugt. Dabei werden die Textur-Keime ausgerichtet. Der Grünkörper ist daher vorzugsweise eine Grünfolie. Die Grünfolie wird die durch den Formgebungsprozess „Folienziehen” (Folien-Zieh-Prozess) hergestellt.It is also conceivable that the green body has at least one organic additive. The organic additive is, for example, a binder or a dispersant. Thus, such an additive with the oxides of the metals or mixed oxides of the metals is processed into a slurry. The green body is produced from the slurry in a shaping process. The texture germs are aligned. The green body is therefore preferably a green sheet. The green sheet is made by the forming process "film drawing".

Der beim Formgebungsprozess hergestellte Grünkörper mit den ausgerichteten Textur-Keimen und mit den Ausgangsmaterialien wird einer Wärmebehandlung unterzogen. Das Wärmebehandeln des Grünkörpers beinhaltet gegebenenfalls ein Entbindern sowie ein Kalzinieren und ein Sintern. Es kommt zur Bildung und zum Verdichten des piezokeramischen Werkstoffs. Dabei findet der TGG-Prozess statt. Es findet ein zunächst epitaktisches Wachstum des piezokeramischen Werkstoffs an den Textur-Keimen statt. Es kommt zu einem orientierten Wachstum zumindest einer der Phasen, vorzugsweise der Haupt-Phase. Es resultiert ein mehrphasiger piezokeramischer Werkstoff mit Texturierung.The green body having the aligned texture nuclei and the starting materials prepared in the molding process is subjected to a heat treatment. The heat treatment of the green body optionally includes debinding, calcination and sintering. It comes to the formation and compression of the piezoceramic material. The TGG process takes place here. An initial epitaxial growth of the piezoceramic material takes place on the texture germs. There is an oriented growth of at least one of the phases, preferably the main phase. The result is a multi-phase piezoceramic material with texturing.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung enthalten die Textur-Keime bismuthaltige Einschlüsse.According to a particular embodiment of the invention, the texture germs contain bismuth-containing inclusions.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Einschlüsse intragranular.According to a further embodiment of the invention, the inclusions are intragranular.

Bevorzugt ist der Anteil an Einschlüssen zwischen 3 und 8 Gewichts-Prozent, insbesondere zwischen 4 und 7 Gew% und insbesondere bevorzugt zwischen 4,5 und 6,5 Gew%. The proportion of inclusions is preferably between 3 and 8% by weight, in particular between 4 and 7% by weight and particularly preferably between 4.5 and 6.5% by weight.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist ein Anteil der Textur-Keim-Phase am piezokeramischen Werkstoff aus dem Bereich von 0,01 Vol.-% bis 35 Vol.-% ausgewählt. Der Anteil der Textur-Keime am piezokeramischen Werkstoff kann sehr unterschiedlich gewählt werden. Dabei spielt es beispielsweise eine Rolle, ob die Textur-Keime selbst aus piezokeramischen Material bestehen. Auch eine Effizienz, mit der die Texturierung des piezokeramischen Werkstoffs erreicht werden kann, geht in den Anteil der Textur-Keime am piezokeramischen Werkstoff ein.According to a particular embodiment, a proportion of the texture seed phase on the piezoceramic material is selected from the range of 0.01% by volume to 35% by volume. The proportion of texture nuclei on the piezoceramic material can be chosen very differently. It plays a role, for example, whether the texture germs themselves consist of piezoceramic material. An efficiency with which the texturing of the piezoceramic material can be achieved also enters into the proportion of texture nuclei on the piezoceramic material.

Sowohl im Hinblick auf eine Verarbeitung, beispielsweise im Rahmen eines Folien-Zieh-Prozesses, als auch im Hinblick auf die piezoelektrischen Eigenschaften des resultierenden piezokeramischen Werkstoffs ist es besonders vorteilhaft, wenn die Textur-Keime eine plättchenförmige Morphologie mit einer Kantenlänge aus dem Bereich von 1 μm bis 50 μm und einer Höhe von 0,1 μm bis 5 μm aufweisen. Beispielsweise haben die Textur-Keime eine mittlere Kantenlänge von etwa 20 μm und eine mittlere Höhe von etwa 2 μm. Mit derart kleinen Abmessungen wird dafür gesorgt, dass sich die Textur-Keime durch eine relativ große „reaktive” Oberfläche auszeichnen, an der epitaktisches Wachstum der Haupt- oder Neben-Phase stattfinden kann. Mit den kleinen Abmessungen lassen sich darüber hinaus auch relativ dünne Grünfolien herstellen. Derart kleine Textur-Keime beinhalten zudem den Vorteil, dass ein Volumenanteil der Textur-Keime klein gehalten werden kann.Both with regard to a processing, for example as part of a film-drawing process, as well as with regard to the piezoelectric properties of the resulting piezoceramic material, it is particularly advantageous if the texture nuclei a platelet-shaped morphology with an edge length in the range of 1 microns to 50 microns and a height of 0.1 microns to 5 microns. For example, the texture nuclei have a mean edge length of about 20 microns and an average height of about 2 microns. With such small dimensions, it is ensured that the texture nuclei are characterized by a relatively large "reactive" surface on which epitaxial growth of the major or minor phase can occur. In addition, the small dimensions make it possible to produce relatively thin green sheets. Such small texture germs also have the advantage that a volume fraction of the texture germs can be kept small.

Für die Herstellung des piezokeramischen Werkstoffs können beliebige Ausgangsmaterialien eingesetzt werden. Vorteilhaft wird zum Bereitstellen und zum Zusammenbringen der Ausgangsmaterialien ein Mischen pulverförmiger, oxidischer Metallverbindungen der benötigten Metalle der Haupt- und der Neben-Phase durchgeführt. Dabei können neben Oxiden der Metalle, wie Natriumoxid (Na2O), Kaliumoxid (K2O) oder Niobpentoxid (Nb2O5) auch Vorstufen der Oxide der Metalle, beispielsweise Carbonate oder Oxalate eingesetzt werden. Beide Arten von Metallverbindungen, also die Vorstufen der Oxide sowie die Oxide selbst, können als oxidische Metallverbindungen bezeichnet werden.Any starting materials can be used for the production of the piezoceramic material. Advantageously, for the preparation and bringing together of the starting materials, a mixing of pulverulent, oxidic metal compounds of the required metals of the main and secondary phase is carried out. Besides oxides of the metals, such as sodium oxide (Na 2 O), potassium oxide (K 2 O) or niobium pentoxide (Nb 2 O 5 ), it is also possible to use precursors of the oxides of the metals, for example carbonates or oxalates. Both types of metal compounds, ie the precursors of the oxides and the oxides themselves, can be referred to as oxidic metal compounds.

Die Pulver der oxidischen Metallverbindungen können nach bekannten Verfahren hergestellt werden, beispielsweise nach dem Sol-Gel-, dem Citrat-, dem Hydrothermal- oder dem Oxalat-Verfahren. Dabei können oxidische Metallverbindungen mit nur einer Art Metall hergestellt werden. Denkbar ist insbesondere auch, dass oxidische Metallverbindungen mit mehreren Arten von Metallen eingesetzt werden (Mischoxide). 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.The powders of the oxidic metal compounds can be prepared by known processes, for example by the sol-gel, citrate, hydrothermal or oxalate process. In this case, oxidic metal compounds can be produced with only one kind of metal. It is also conceivable, in particular, that oxidic metal compounds with several types of metals are used (mixed oxides). To provide these mixed oxides can also be resorted to the above-mentioned precipitation reactions. Also conceivable is a mixed-oxide process. In this case, powdery oxides of the metals are mixed together and calcined at higher temperatures. Calcination results in mixed oxides.

Das Sintern kann sowohl in reduzierender als auch in oxidierender Sinter-Atmosphäre durchgeführt werden. In einer reduzierenden Sinter-Atmosphäre ist nahezu kein Sauerstoff vorhanden. Ein Sauerstoff-Partialdruck beträgt weniger als 1·10–2 mbar und vorzugsweise weniger als 1·10–3 mbar. Durch Sintern in einer reduzierenden Sinter-Atmosphäre kann kostengünstiges Kupfer als Elektroden-Material eingesetzt werden.The sintering can be carried out both in reducing and in oxidizing sintering atmosphere. There is almost no oxygen in a reducing sintering atmosphere. An oxygen partial pressure is less than 1 × 10 -2 mbar, and preferably less than 1 × 10 -3 mbar. By sintering in a reducing sintering atmosphere, inexpensive copper can be used as the electrode material.

Prinzipiell kann jedes beliebige piezokeramische Bauteil mit dem piezokeramischen Werkstoff ausgestattet sein. 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 Elektroden-Material 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 beispielsweise zur Ansteuerung eines Kraftstoffeinspritzventils eines Verbrennungsmotors 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.In principle, any piezoceramic component can be equipped with the piezoceramic material. Preferably, the piezoceramic component is selected with the piezoelectric element from the group piezoceramic bending transducer, piezoceramic multilayer actuator, piezoceramic transformer, piezoceramic motor and piezoceramic ultrasonic transducer. The piezoelectric element is for example part of a piezoelectric bending transducer. Stacking a large number of green films printed on one or both sides with electrode material, subsequent debinding and sintering results in a monolithic stack of piezo elements. With suitable dimensioning and shape results in a monolithic piezoceramic multilayer actuator. This piezoceramic multilayer actuator is used for example for controlling a fuel injection valve of an internal combustion engine. Due to the stacked arrangement of the piezoelectric elements, a piezoceramic ultrasonic transducer is also accessible, with suitable dimensioning and shape. The ultrasonic transducer is used for example in medical technology or for material testing.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform liegen mehrere Sorten von anisometrischen Textur-Keimen vor, wobei neben Textur-Keimen mit Einschlüssen auch phasenreine Textur-Keime vorkommen können.According to a further advantageous embodiment, there are several varieties of anisometric texture germs, wherein in addition to texture germs with inclusions and phase-pure texture germs can occur.

Bevorzugt sind die Textur-Keime kristallin, insbesondere bevorzugt einkristallin.Preferably, the texture nuclei are crystalline, particularly preferably monocrystalline.

Der piezokeramische Werkstoff ist bleifrei. Bleifrei bedeutet dabei, dass sehr geringe, nachweisbare Verunreinigungen an Blei, beispielsweise im ppm-Bereich vorhanden sein können.The piezoceramic material is lead-free. Lead-free means that very small, detectable impurities can be present on lead, for example in the ppm range.

Indem nun durch Einbringung einer Textur die Mikrostrukturentwicklung (d. h. insbesondere die kristallographische Orientierung der Körner) konventionell aufbereiteter Piezokeramiken gezielt beeinflusst wird, kann eine Nutzbarmachung des Einkristall-Leistungspotenzials bei gleichzeitiger Beibehaltung der etablierten und kostenoptimierten Prozesstechnik realisiert werden.By influencing the microstructure development (that is to say, in particular the crystallographic orientation of the grains) of conventionally prepared piezoceramics by introducing a texture, utilization of the single-crystal power potential can be achieved while maintaining the established and cost-optimized process technology.

Im Übrigen wird auf die grundlegende Patentanmeldung zu dem Thema, die DE 10 2010 009 461 A1 verwiesen, deren Inhalt hiermit auch zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung hinzuzuzählen ist.Incidentally, based on the basic patent application on the subject DE 10 2010 009 461 A1 the content of which is hereby also to be added to the disclosure content of the present application.

Die vorliegende Erfindung optimiert das Herstellungsverfahren für Textur-Keime für die Texturierung bleifreier piezokeramischer Werkstoffe. Dabei werden in dem zweistufigen MSS-Prozess als Ausgangsmaterialien für den zweiten Verfahrensschritt nicht einfach die Zwischenprodukte des ersten Verfahrensschrittes eingesetzt, sondern genau ausgewählte Keim-Vorstufen, die eine bestimmte Anzahl an Perowskit-Zwischenlagen zwischen anderen Metalloxid-Lagen haben.The present invention optimizes the texture seed preparation process for texturing lead-free piezoceramic materials. In this case, in the two-stage MSS process as starting materials for the second process step, not just the intermediates of the first process step are used, but precisely selected seed precursors having a certain number of perovskite interlayers between other metal oxide layers.

Claims (3)

Verfahren zur Herstellung von Natrium-Niobat-(NN)Textur-Zielkeimen in einer zweistufigen Molten Salt Synthesis (MSS), wobei in einem ersten Verfahrensschritt aus einer Salzschmelze ein Zwischenprodukt mit einer Schichtstruktur hergestellt wird, bei der eine Anzahl von Lagen an Metall-NaNbO3-Keimvorstufen durch eine Zwischenlage eines anderen Metalloxids getrennt vorliegt, und dann in einem zweiten Verfahrensschritt eine topochemische Konversion (TMC) erfolgt, durch die die NN-Textur-Zielkeime herstellbar sind, wobei zur topochemischen Konversion als Ausgangsmaterial entweder Metall-NN-Keimvorstufen mit variierender Anzahl von Lagen an NaNbO3-Keimvorstufen zwischen den Schichten des anderen Metalloxids, also so genannte nicht-phasenreine Metall-NN-Keimvorstufen, und/oder eine Mischung von phasenreinen Metall-NN-Keimvorstufen eingesetzt werden, die sich nur durch die Anzahl der Perowskitlagen zwischen den Zwischenlagen unterscheidet.Process for the preparation of sodium niobate (NN) texture target germs in a two-stage Molten Salt Synthesis (MSS), wherein in a first process step a molten salt intermediate is produced having a layered structure comprising a number of layers of metal NaNbO 3 -Keimvorstufen by an intermediate layer of another metal oxide is present separately, and then in a second process step, a topochemical conversion (TMC), by which the NN-texture target germs can be produced, wherein for topochemical conversion as starting material either metal NN seed precursors varying number of layers of NaNbO 3 -Keimvorstufen between the layers of the other metal oxide, so-called non-phase-pure metal NN seed precursors, and / or a mixture of phase-pure metal NN seed precursors are used, which only by the number Perowskitlagen distinguishes between the liners. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Ausgangsmaterial für die topochemische Konversion nicht phasenreine Bismut-Schicht-Verbindungen Bi2O2[Bi0,5Nam-1,5NbmO3m+1] (abgekürzt BNNm)-Keimvorstufen eingesetzt werden, die eine Abweichung in der Anzahl von an Metall-NaNbO3-Keimvorstufen-Zwischenlagen, ausgedrückt durch den Index „m”, von 1 bis 20 haben.The process according to claim 1, wherein non-phase-pure bismuth layer compounds Bi 2 O 2 [Bi 0.5 Na m-1.5 Nb m O 3m + 1 ] (abbreviated to BNN m ) seed precursors are used as starting material for the topochemical conversion which have a variation in the number of metal-NaNbO 3 seed precursor liners expressed by the index "m" of 1 to 20. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Verbindung Me2O2[Me0,5Nam-1,5NbmO3m+1] als Ausgangsmaterial für die topochemische Konversion eingesetzt wird, bei der m im Bereich von 1 bis 20 variiert und „Me” für Antimon, Arsen, seltene Erden, Strontium, Barium und/oder Bismut, jeweils unter Angleichung der in der Summenformel enthaltenen Oxide, steht.The process of claim 1, wherein a compound Me 2 O 2 [Me 0.5 Na m-1.5 Nb m O 3m + 1 ] is used as a starting material for the topochemical conversion in which m varies in the range of 1 to 20 and "Me" for antimony, arsenic, rare earths, strontium, barium and / or bismuth, in each case by approximation of the oxides contained in the empirical formula.
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