DE102011079818A1 - Producing sodium niobate texture target germs in a two stage molten salt synthesis comprises preparing crystalline intermediate product from molten salt, and performing topochemical conversion by adding sodium carbonate to the intermediate - Google Patents
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Abstract
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 Textur↔ germs and a method for producing these texture nuclei on the 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 piezoelektrischen 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
Hochwertige einkristalline Natriumniobat-(NN)-Keime werden derzeit über das Molten-Salt-Synthesis-(MSS)Verfahren hergestellt. High quality monocrystalline sodium niobate (NN) nuclei are currently produced by the Molten Salt Synthesis (MSS) process.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optimiertes Verfahren zur Herstellung von hochwertigen, bevorzugt aber nicht notwendigerweise, einkristallinen NN-Zielkeimen, die sich insbesondere für die Texturierung der KNN-Piezokeramiken eignen, zu schaffen. It is an object of the present invention to provide an optimized process for the production of high-quality, but preferably not necessarily, monocrystalline NN target germs, which are particularly suitable for the texturing of the 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 hergestellt wird, in dem eine Anzahl Lagen Perowskit durch eine Zwischenlage eines anderen Metalloxids getrennt, vorliegt, und dann in einem zweiten Verfahrenschritt eine topochemische Konversion (TMC) erfolgt, bei der zum Zwischenprodukt Natriumcarbonat zugesetzt wird, durch das die Metall-Kationen, die in dem Zwischenprodukt definierte Plätze im Kristallgitter besetzen, von den Natrium-Kationen verdrängt werden, wobei das 1,1 bis 20-fache der stöchiometrisch erforderlichen Menge an Natriumcarbonat zum Zwischenprodukt während der topochemischen Konversion zugesetzt wird. 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 is prepared, in which a number of layers of perovskite separated by an interlayer of another metal oxide, is present, and then in a second process step, a topochemical conversion (TMC) takes place, is added to the intermediate sodium carbonate, through which the metal cations, the defined in the intermediate places in the Occupied by the sodium cations, wherein 1.1 to 20 times the stoichiometrically required amount of sodium carbonate is added to the intermediate during the topochemical conversion.
Die zweistufige MSS anisometrischer Partikel stellt ein universelles Verfahren zur Herstellung von tabularen Textur↔ Keimen dar. Es wird zunächst in einer Alkali- und/oder Erdalkali-Salzschmelze ein zur gewünschten Zielverbindung verwandtes anisometrisches Zwischenprodukt mit 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 process for the production of tabular texture. Germs. An anisometric intermediate with bismuth layer or Ruddlesden-Popper structure is first prepared in an alkali and / or 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.
Im zweiten Verfahrensschritt des MSS erfolgt dann, wiederum in einer Salzschmelze, die topochemische Konversion (TMC) der kristallinen, insbesondere sogar tabularen, also plättchenförmigen Zwischenprodukte zu den NN-Textur-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 process step of the MSS, the topochemical conversion (TMC) of the crystalline, in particular even tabular, ie platelet-shaped intermediates to the NN-texture target germs takes place, again in a molten salt melt, whereby morphology preservation converts the layer structure 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.
Die Reaktionen des zweiten Verfahrensschrittes der MSS↔ Textur-Keim-Herstellungsmethode lassen sich theoretisch durch die folgende einfache Reaktionsgleichung erklären:
Das CO2 dampft ab und damit wird die Gleichgewichtsreaktion wie gewünscht nach rechts verschoben. Gemäß der Erfindung wird Natriumcarbonat (Na2CO3) im starken Überschuss zugegeben, wodurch das Gleichgewicht der Reaktion noch weiter nach rechts verschoben wird, also die Ausbeute an NN-Zielkeimen weiter erhöht wird. The CO 2 evaporates and thus the equilibrium reaction is shifted to the right as desired. According to the invention, sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) is added in strong excess, whereby the balance of the reaction is shifted even further to the right, so the yield of NN target germs is further increased.
Die Durchführung des zweiten Verfahrensschrittes erfolgt bevorzugt in zylindrischen Korundkeramikgefäßen, beispielsweise solchen, die ein Fassungsvermögen von 200–2000ml haben. The second process step is preferably carried out in cylindrical corundum ceramic vessels, for example those having a capacity of 200-2000 ml.
Der Überschuss an Natriumcarbonat beträgt beispielsweise das zweifache der stöchiometrischen Menge, also 6 Mol Na2CO3 auf 4 Mol Zwischenprodukt aus dem ersten Verfahrensschritt der MSS, der Überschuss kann aber in Grenzen vom 1,1 oder 1,5-fachen des stöchiometrischen Wertes bis hin zum 10-fachen oder 20-fachen des stöchiometrischen Wertes liegen. Bevorzugt wird der Überschuss zwischen dem 2 bis 6-fachen des stöchiometrischen Wertes liegen, insbesondere bevorzugt zwischen dem 3- bis 4-fachen. The excess of sodium carbonate is for example twice the stoichiometric amount, ie 6 moles of Na 2 CO 3 per 4 moles of intermediate from the first step of the MSS, but the excess can be within limits of 1.1 or 1.5 times the stoichiometric value to 10 times or 20 times the stoichiometric value. Preferably, the excess will be between 2 to 6 times the stoichiometric value, more preferably between 3 to 4 times.
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, dem zweiten Verfahrensschritt, 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 via the MSS↔ method being used as the starting point, for example, the layer Bismut↔ compounds Bi 2 O 2 [Bi 0.5 Na 1.5 Nb m-m O 3m + 1] (abbreviated BNN m) can. In the conversion step, the second process 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.
Durch die erfindungsgemäße Zugabe von Natriumcarbonat im starken Überschuss, z.B. Faktor 2 bis 20 wird beispielsweise die Umwandlung zum Zielprodukt begünstigt. Darüber hinaus ist es möglich, die korrosive Nebenreaktion des freiwerdenden Metalloxids, wie beispielsweise des Bismutoxids mit keramischen Tiegelmaterialien, beispielsweise Al2O3 (Korund) und/oder MgO (Magensiumoxid), so weit herabzusetzen, dass nur noch eine sehr geringe bzw. keine Alterung/Degradation der Tiegel mehr erkennbar ist. Somit können die wegen der oben genannten korrosiven Nebenwirkung eingesetzten Platin-Tiegel bei der Herstellung gespart werden und durch die kostengünstigen keramischen Tiegelmaterialien Korund und Magnesiumoxid ersetzt werden. Dies steigert die Wirtschaftlichkeit des NN↔ Textur-Keim-Herstellungsverfahrens drastisch. By the addition according to the invention of sodium carbonate in the strong excess, for example factor 2 to 20, for example, the conversion to the target product is favored. Moreover, it is possible to reduce the corrosive side reaction of the liberated metal oxide, such as bismuth oxide with ceramic crucible materials, for example Al 2 O 3 (corundum) and / or MgO (magnesium oxide) so far that only a very small or none Aging / Degradation of the crucible is more recognizable. Thus, the platinum crucibles used because of the above-mentioned corrosive side effect can be saved in the production and replaced by the inexpensive ceramic crucible materials corundum and magnesium oxide. This dramatically increases the economics of the NN® texture seed production process.
Abgesehen davon werden die Standzeiten der Tiegel erhöht und/oder es können die im Verlauf des zweiten Verfahrensschrittes stattfindenden Reaktionen besser kontrolliert werden, weil die Konkurrenzreaktionen mit dem Tiegelmaterial entfallen. Apart from that, the service lives of the crucibles are increased and / or the reactions taking place in the course of the second process step can be better controlled because the competition reactions with the crucible material are eliminated.
Hier 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“) Here, m indicates the number of perovskite layers between the adjacent or confining 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")
Als alternative Metalloxide die die Funktionalität der „angrenzende Lagen“ übernehmen könnten sind beispielsweise Strontium und/oder Barium im Gespräch.
„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.
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, alignment of the texture is possible in the green body.
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. 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, to prepare and bring together the starting materials, a mixing of powdered, oxidic metal compounds of the required metals of the main and the Neben↔ phase is performed. 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. 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. By stacking a plurality of green films printed on one or both sides with electrodes, subsequent debinding and sintering, a monolithic stack of piezo elements is produced. 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, which can occur in addition to texture germs with inclusions and phase-pure texture↔ germs.
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
Die vorliegende Erfindung optimiert das Herstellungsverfahren für NN-Textur-Keime für die Texturierung bleifreier piezokeramischer Werkstoffe. Dabei wird in dem zweistufigen MSS-Prozess als Ausgangsmaterialien für den zweiten Verfahrensschritt nicht das Zwischenprodukte des ersten Verfahrensschrittes stöchiometrisch mit Natriumcarbonat umgesetzt, sondern Natriumcarbonat im Überschuss zugesetzt. The present invention optimizes the NN texture seed production process for texturing lead-free piezoceramic materials. In this case, in the two-stage MSS process as starting materials for the second process step, the intermediate products of the first process step are not reacted stoichiometrically with sodium carbonate, but sodium carbonate is added in excess.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 7101491 B2 [0004] US 7101491 B2 [0004]
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