DE1063655B

DE1063655B - Verfahren zur Herstellung eines Elementes zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie oder umgekehrt

Info

Publication number: DE1063655B
Application number: DEN13293A
Authority: DE
Inventors: Charles K Gravley
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1956-02-15
Filing date: 1957-02-09
Publication date: 1959-08-20
Also published as: BE554978A; NL105920C; CH346377A; US2972176A; FR1184540A

Description

DEUTSCHES

Es ist bekannt, daß gewisse polykristallinische, keramische Materialien, wie z. B. Bariumtitanat, nach Polarisieren durch Anlegung einer Gleichspannung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie oder umgekehrt verwendet werden können.

Umwandlungselemente aus solchen Materialien können bekanntlich dadurch hergestellt werden, daß ein Gemisch aus den betreffenden Bestandteilen oder das Material selbst zu einem feinen Pulver verarbeitet, das Pulver darauf z. B. durch Pressen, Gießen oder Spritzen in die gewünschte Form gebracht und das erhaltene Formstück gesintert wird.

Bei gewissen Anwendungen, z. B. bei Schneidfcöpfen und Rillenabtastern für Schallplatten, müssen die Elemente derart bemessen sein, daß die Steifheit nicht zu groß ist, damit die Belastung der Schallplatte niedrig gehalten werden kann. Dies kann dadurch erzielt werden, daß die Stärke der Elemente klein gewählt wird, was jedoch durch die Festigkeit des Materials und insbesondere durch die Biegefestigkeit begrenzt ist. Es können auch Fälle vorkommen, in denen eine bestimmte Bemessung des Elementes zwangläufig erfolgen muß, so daß die zulässige Belastung des Elementes infolge der mechanischen Eigenschaften des Materials beschränkt ist.

Die Erfindung bezweckt, diese Nachteile durch Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Biegefestigkeit der betreffenden keramischen Materialien, zu verringern.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines polykristallinischen, vorzugsweise aus Bariumtitanat bestehenden, keramischen Elementes zur Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie oder umgekehrt, bei dem das Element eine glasartige Phase aufweist und in bekannter Weise geformt und gesintert wird.

Es sind bereits piezoelektrische Elemente bekannt, die aus Titanaten mit Perowskitstruktur in Mischung mit 5 bis 60% eines glasartigen Bindemittels zusammengesetzt sind. Die Pulverteilchen der Titanate werden dabei durch das glasartige Bindemittel mit Hilfe einer Wärmebehandlung bei 300 bis 1000° C miteinander verkittet. Ein derartig hoher Prozentsatz an glasartigem Bindemittel bedingt aber zwangläufig eine Verschlechterung der mechanischen, dielektrischen und piezoelektrischen Eigenschaften dieser Elemente. — Über die Abkühlgeschwindigkeit der bekannten Elemente und den damit zusammenhängenden Spannungszustand ist nichts ausgesagt.

Die Erfindung vermeidet die geschilderten Nachteile dadurch, daß von einem Material mit einem Gehalt an glasartigem Stoff von etwa 0,2 bis 4 Gewichtsprozent ausgegangen wird und das gesinterte Element von

Verfahren zur Herstellung
eines Elementes zur Umwandlung
mechanischer Energie
in elektrische Energie oder umgekehrt

Anmelder:

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter: Dipl.-Ing. K. Lengner₁ Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 15. Februar 1956

Charles K. Gravley, Lakewood, Ohio (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

einer Temperatur, bei der die glasartige Phase noch weich ist, mit einer Geschwindigkeit, die mindestens 30% der maximalen Abkühlgeschwindigkeit beträgt, bei der noch gerade kein Bruch des zu kühlenden Elementes eintritt, bis unterhalb einer Temperatur abgekühlt wird, bei der die glasartige Phase fest wird. Hierdurch wird die glasartige Phase derart dauernd deformiert, daß an der Oberfläche des Elementes Druckspannungen und im Innern Zugspannungen auftreten, wodurch eine erhebliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere eine erhöhte Biegefestigkeit, auftritt.

Die schnelle Abkühlung kann sich an den Sintervorgang anschließen, oder sie kann in einem gesonderten Verfahren durchgeführt werden.

Häufig enthalten die zur Herstellung der Elemente zur Verfügung stehenden Handelsprodukte bereits geringe Mengen glasbildender Bestandteile, z. B. Silikate, Strontiumoxyd und Eisenoxyd, in Form von Verunreinigungen. Bei der Verarbeitung zum Erzielen des Pulvers können solche Verunreingungen auch in das Ausgangsmaterial eingeführt werden, z. B. indem sie in einer Kugelmühle mit sich beim Mahlen abnutzenden Flintsteinen gemahlen werden. Auch Stoffe, die für ganz andere Zwecke dem Ausgangsmaterial zugesetzt werden, z. B. kleine Mengen von Zirkonoxyd zur Verbesserung der elektro-mechanischen

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Claims

Eigenschaften, können einen Bestandteil der zu bildenden glasartigen Phase bilden. Schließlich können auch glasbildende oder glasartige Stoffe dem Ausgangsgemisch direkt zugesetzt werden. Für die verschiedenen Materialien ist der Temperaturbereich, in dem schnell gekühlt werden muß, verschieden. Im allgemeinen liegt die Erweichungstemperatur der Glasphase nahe der Sintertemperatur des keramischen Materials z. B. bei einem im wesentlichen aus BaTiO3 bestehenden Material bei etwa 1300° C Eine schnelle Abkühlung unterhalb etwa 600° C hat eine geringe Wirkung, da bei dieser Temperatur die Glasphase meistens bereits fest geworden ist. Je höher die Abkühlgeschwindigkeit, um so größer ist die erzeugte Deformierung und somit die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Maximal ist eine Abkühlgeschwindigkeit zulässig, bei der noch gerade kein Bruch des zu kühlenden Gegenstandes eintritt. Diese Geschwindigkeit läßt sich an Hand einiger Versuche feststellen. Minimal wird eine Geschwindigkeit von etwa 30% des erwähnten Maximums angewandt, da unterhalb dieses Wertes eine hinreichende Verbesserung der mechanischen Eigenschaften nicht erzielt wird. Die zulässige Abkühlgeschwindigkeit ist auch von der Stärke der zu kühlenden Gegenstände abhängig. Bei dünnen Gegenständen, bei denen die Durchführung der Erfindung naturgemäß die größte Bedeutung hat, beträgt die Kühlgeschwindigkeit etwa 200 bis 650° C pro Sekunde. Die Gegenstände können z. B. mittels Preßluft gekühlt werden. Ein dünner Gegenstand, der im wesentlichen aus Bariumtitanat mit einer Stärke von einigen zehntel Millimetern besteht, kann auf bekannte Weise durch Tauchen eines verbrennbaren Trägermaterials, z. B. Papier, in eine Suspension von Bariumcarbonat und Titanoxyd oder von Bariumtitanat, die einen Gehalt von etwa 1% an glasartigem oder glasbildendem Stoff aufweist, hergestellt werden. Beim Sintern auf etwa 13000 C verbrennt der Träger, und es entsteht ein Gegenstand mit der gewünschten, geringen Stärke. Die Abkühlung von dieser Temperatur bis auf 600° C vollzieht sich in etwa 2 Sekunden. Die schnelle Abkühlung hat zur Folge, daß die Biegefestigkeit, die bei auf übliche Weise gekühltem Material der gleichen Zusammensetzung etwa 950 kg/cm2 beträgt, um etwa 75% erhöht wird. Diese Verbesserung bleibt auch beim Altern oder beim Gebrauch des Materials erhalten, sofern der Gegenstand nicht einer Temperatitr ausgesetzt wird, bei der die glasartigen Bestandteile erweichen. Die Verteilung der Deformierung und der infolgedessen erzeugten Spannungen sowie der Mechanismus der resultierenden Verbesserung der Eigenschaften infolge der schnellen Abkühlung des Materials bei der Erfindung sind dem aus der Technik der Glashärtung Bekannten ähnlich. Es war jedoch nicht ohne weiteres vorauszusehen, daß bei keramischen Materialien mit einem so geringen Gehalt an glasartiger Substanz eine wesentliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften erzielbar wäre. Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines polykristallinischen, vorzugsweise aus Bariumtitanat bestehenden, keramischen Elementes zur Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie oder umgekehrt, bei dem das Element eine glasartige Phase aufweist und in bekannter Weise geformt und gesintert wird, dadurch gekennzeichnet, daß von einem Material mit einem Gehalt an glasartigem Stoff von etwa 0,2 bis 4 Gewichtsprozent ausgegangen wird und das gesinterte Element von einer Temperatur, bei der die glasartige Phase noch weich ist, mit einer Geschwindigkeit, die mindestens 30% der maximalen Abkühlungsgeschwindigkeit beträgt, bei der noch gerade kein Bruch des zu kühlenden Elementes eintritt, bis unterhalb einer Temperatur abgekühlt wird, bei der die glasartige Phase fest wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gesinterte Element von der Sintertemperatur von etwa 1300° C her schnell bis auf 600° C abgekühlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Geschwindigkeit zwischen 650° C pro Sekunde und 200° C pro Sekunde abgekühlt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in etwa 2 Sekunden von 1300 auf 600° C abgekühlt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mittels Preßluft abgekühlt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 885 413;
französische Patentschrift Nr. 1 045 790;
britische Patentschrift Nr. 693 322.

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