DE1116742B - Ferroelectric ceramic mixture for an electromechanical transducer element - Google Patents

Ferroelectric ceramic mixture for an electromechanical transducer element

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DE1116742B
DE1116742B DEB54782A DEB0054782A DE1116742B DE 1116742 B DE1116742 B DE 1116742B DE B54782 A DEB54782 A DE B54782A DE B0054782 A DEB0054782 A DE B0054782A DE 1116742 B DE1116742 B DE 1116742B
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Inventor
John Anthony Sugden
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Brush Crystal Co Ltd
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  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ferroelektrische Keramiken, die polykristalline Aggregate bestimmter Beschaffenheit darstellen und bis zur keramischen Reife gebrannt und anschließend polarisiert werden oder polarisierbar sind, so daß ihnen elektromechanische Transduktor- oder Wandlereigenschaften verliehen werden können, die dem piezoelektrischen Effekt ähnlich sind. Die Erfindung umfaßt insbesondere die physikalischen Mischungen der Rohbestandteile, die Vorläufer derartiger keramischer Materialien sind, das Reaktionsprodukt derartiger Mischungen und die aus der gereiften Keramik angefertigten elektromechanischen Transduktoren oder Wandler. Die Bezeichnung »keramische Mischungen« soll alle nicht zur Reaktion gebrachten physikalischen Mischungen, außerdem die miteinander reagierten Mischungen und die reife Keramik umfassen, die das endgültige Produkt ist. Die Bezeichnung »keramische Stoffe« wird speziell für die gebrannte oder gereifte Keramik benutzt.The invention relates to ferroelectric ceramics, the polycrystalline aggregates of certain Represent the texture and are fired to ceramic maturity and then polarized or are polarizable so that they are given electromechanical transducer or transducer properties that are similar to the piezoelectric effect. The invention particularly includes the physical mixtures of raw ingredients, the precursors of such ceramic materials are the reaction product of such mixtures and those made from the matured ceramic electromechanical transducers or converters. The term "ceramic mixtures" is intended for everyone physical mixtures which have not reacted, as well as the mixtures which have reacted with one another and include the mature ceramic that is the final product. The term "ceramic materials" is used especially for fired or matured ceramics.

Die keramischen Zusammensetzungen oder Mischungen gemäß der Erfindung besitzen als Hauptbestandteil Zusammenstellungen des binären Systems Bleititanat—Bleizirkonat oder Bleititanat—Bleistannat oder des ternären Systems Bleititanat—Bleizirkonat—Bleistannat. The ceramic compositions or mixtures according to the invention have as the main component Compilations of the binary system lead titanate - lead zirconate or lead titanate - lead tannate or of the ternary system lead titanate - lead zirconate - lead tannate.

Wegen ihrer geringen Kosten und ihrer großen Dauerhaftigkeit unter ungünstigen atmosphärischen Bedingungen haben die ferroelektrischen keramischen Stoffe als Ersatz für Kristalle auf dem Gebiet der Transduktoren oder Wandler bei der Erzeugung, Messung und/oder Wahrnehmung von Tönen, Stoßschwingungen, Drücken usw. eine große Bedeutung gewonnen. Unter den für diesen Zweck vielversprechenden Keramikstoffen befindet sich Bleizirkonattitanat, ein polykristalliner Stoff, der tatsächlich aus Bleizirkonat (PbZrO3) und Bleititanat (TbTiO3) in fester Lösung zusammengesetzt ist. In bestimmten Bereichen der Zusammensetzung auf der Basis von Molprozenten seiner Bestandteile weist Bleizirkonattitanat äußerst wünschenswerte elektrische und mechanische Eigenschaften, insbesondere eine starke elektromechanische Kopplung auf, wenn es elektrostatisch polarisiert ist (USA.-Patentschrift 2 708 244).Because of their low cost and their great durability under adverse atmospheric conditions, the ferroelectric ceramics have gained great importance as a substitute for crystals in the field of transducers in the generation, measurement and / or perception of sounds, shock vibrations, pressures, etc. Promising ceramics for this purpose include lead zirconate titanate, a polycrystalline material that is actually composed of lead zirconate (PbZrO 3 ) and lead titanate (TbTiO 3 ) in solid solution. In certain areas of the composition based on the mole percent of its constituents, lead zirconate titanate exhibits extremely desirable electrical and mechanical properties, particularly strong electromechanical coupling when electrostatically polarized (U.S. Patent 2,708,244).

Dem Bleizirkonattitanat im Aufbau und in seinen Eigenschaften ähnlich sind Stoffe des ternären Systems Bleizirkonat—Bleititanat—Bleistannat (Pb Zr O.,— Pb Ti O3-Pb Sn O) (USA. -Patentschrift 2 849 404). Innerhalb gewisser Bereiche zeigen auch Körper aus diesen Systemen bemerkenswerte ferroelektrische Eigenschaften, durch die sie auf denselben allgemeinen Anwendungsgebieten wie die Bleizirkonat-Ferroelektrische keramische Mischung
für ein elektromechanisches Wandlerelement
Substances of the ternary system lead zirconate — lead titanate — lead tannate (Pb Zr O., - Pb Ti O 3 -Pb Sn O) (USA. Patent 2,849,404) are similar in structure and properties to lead zirconate titanate. Within certain ranges, bodies made from these systems also show remarkable ferroelectric properties, by means of which they can be used in the same general fields of application as the lead zirconate-ferroelectric ceramic mixture
for an electromechanical transducer element

Anmelder:Applicant:

Brush Crystal Company Limited,
Southampton (Großbritannien)
Brush Crystal Company Limited,
Southampton (UK)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13
Representative: Dr.-Ing. W. Reichel, patent attorney,
Frankfurt / M. 1, Parkstrasse 13th

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 15. September 1958 (Nr. 29 445/58)
Claimed priority:
Great Britain of September 15, 1958 (No. 29 445/58)

John Anthony Sugden, Horsell, Woking, SurreyJohn Anthony Sugden, Horsell, Woking, Surrey

(Großbritannien),
ist als Erfinder genannt worden
(Great Britain),
has been named as the inventor

titanatkeramiken verwendbar sind. Eine große Zahl derartiger Mischungen des Bleititanat-Bleizirkonat-Bleistannat-Systems sind im »National Bureau of Standards Report No. 3684« (Jäffe, Roth und Marzullo — Report No. 9 — 1. Oktober 1954) unter dem Titel »Improvements in Piezoelektric Ceramics« veröffentlicht und vollständiger im »Research Paper 2626« derselben Autoren unter dem Titel »Properties of Piezoelectric Ceramics in the Solid-Solution Series Lead Titanate-Lead Zirconate-Lead Oxide: Tin Oxide and Lead Titanate-Lead Hafnate« des »Journal of Research of the National Bureau of Standards«, Vol. 55, No. 5, November 1955, S. 239 bis 254, zusammengefaßt.Titanate ceramics can be used. A large number of such mixtures of the lead titanate-lead zirconate-lead stannate system are in the »National Bureau of Standards Report No. 3684 «(Jäffe, Roth and Marzullo - Report No. 9 - October 1, 1954) under the title »Improvements in Piezoelectric Ceramics ”and more fully in the“ Research Paper 2626 ”by the same authors under the Title »Properties of Piezoelectric Ceramics in the Solid-Solution Series Lead Titanate-Lead Zirconate-Lead Oxide: Tin Oxide and Lead Titanate-Lead Hafnate "of the" Journal of Research of the National Bureau of Standards ", vol. 55, no. 5, November 1955, pp. 239-254.

Vorpolarisierte Keramikstoffe für piezoelektrische oder elektrostriktive Anwendungszwecke sind Gegenstand einer vergleichsweise neueren Entwicklung; wenn auch die intensive Untersuchung auf diesem Gebiet durch Forscher hinsichtlich der Herstellung von Stoffen vorangeschritten ist, die für den Handel annehmbar sind, müssen dennoch viele Probleme gelöst werden, die in unterschiedlichem Maße mit sämtlichen bekannten ferroelektrischen Keramikstoffen verknüpft sind, bevor die vollen Fähigkeiten dieser Stoffe erkannt werden können.Pre-polarized ceramics for piezoelectric or electrostrictive applications are the subject a comparatively recent development; albeit the intensive study in this area has advanced by researchers towards the manufacture of fabrics that are commercially acceptable are, nonetheless, many problems need to be resolved, to varying degrees with all of them known ferroelectric ceramics are linked before the full capabilities of this Substances can be recognized.

Ein Nachteil der keramischen Wandlerstoffe im Vergleich zu den von Natur aus piezoelektrischen Kristallen besteht darin, daß sie einer PolarisationA disadvantage of the ceramic transducer materials compared to the inherently piezoelectric ones Crystals consists in the fact that they have one polarization

109 7S8/270109 7S8 / 270

3 43 4

unterzogen werden müssen, um sie elektromechanisch und der Anteil der geschlossenen Porosität (also diemust be subjected to electromechanical and the proportion of closed porosity (i.e. the

empfindlich zu machen. Wie hiernach noch genauer Poren, die vom umgebenden Material gegen eineto make sensitive. As in the following, more precisely, pores that are formed by the surrounding material against a

beschrieben wird, wird zur Polarisation ferroelek- Verbindung mit der äußeren Umgebung des Körpersis described, is used for polarization ferroelek- connection with the external environment of the body

irischer Keramikstoffe ein relativ starkes elektrostati- abgeschlossen sind, unmittelbar angrenzende Blasen)Irish ceramics have a relatively strong electrostatic seal, immediately adjacent bubbles)

sches Feld an dem Keramikkörper angelegt. Wenn 5 möglichst gering gehalten werden. Die Dichte der ge-cal field applied to the ceramic body. If 5 are kept as low as possible. The density of the

dies auch in dieser allgemeinen Betrachtungsweise brannten Keramik nimmt natürlich zu, wenn dieit burned in this general approach ceramic naturally takes when the

ein relativ einfaches Verfahren ist, ist es doch aus Porosität abnimmt; ein idealer keramischer Körperis a relatively simple process as it is made from porosity decreases; an ideal ceramic body

verschiedenen Gründen in seiner praktischen Anwen- nähert sich natürlich so gut wie möglich der Dichtefor various reasons in its practical application naturally approaches the density as closely as possible

dung häufig äußerst schwierig durchzuführen. Einer eines vollkommenen Einkristalls aus demselben Mate-application is often extremely difficult to carry out. One of a perfect single crystal made of the same material

dieser Gründe ist nämlich einfach die Eigenschaft io rial an.For these reasons is simply the property io rial.

vieler verwendbarer ferroelektrischer Keramikstoffe, Außer ihrem Beitrag zu einer geringen Dichte und daß sie eine große Koerzitivkraft aufweisen und dem- der damit verbundenen unerwünschten Wirkungen ist entsprechend von sich aus schwierig zu polarisieren die offene Porosität fernerhin äußerst unerwünscht, sind. Beispiele für keramische Stoffe mit großer weil bei ihrer Anwesenheit Dämpfe, Flüssigkeiten und Koerzitivkraft sind Bleizirkonattitanatmischungen, bei 15 feste Stoffe absorbiert werden können, die nachteilig denen ein Teil des Bleis durch Strontium und/oder die elektrischen Eigenschaften, z. B. den spezifischen Kalzium ersetzt ist. Auf vielen Anwendungsgebieten Widerstand und die Durchschlagfestigkeit, beeinsind diese keramischen Stoffe sehr brauchbar und flüssen. Außerdem kann bei der Aufbringung eines haben den Vorteil einer hohen Dielektrizitätskon- Elektrodenüberzuges aus Metall, z. B. durch Aufstante, ao dampfen oder Aufstreichen, das Elektrodenmetall inof many useful ferroelectric ceramics, besides their contribution to low density and that they have a large coercive force and that is one of the undesirable effects associated therewith accordingly difficult to polarize on their own the open porosity furthermore extremely undesirable, are. Examples of ceramic substances with great because in their presence vapors, liquids and Coercive force are lead zirconate titanate mixtures, with 15 solid substances that can be absorbed, which is disadvantageous which part of the lead by strontium and / or the electrical properties, e.g. B. the specific Calcium is replaced. Resistance and dielectric strength in many areas of application these ceramics are very useful and flow. In addition, when applying a have the advantage of a high dielectric con-electrode coating made of metal, e.g. B. by standing up, ao steam or brush, the electrode metal in

Um viele keramische Stoffe polarisieren zu können, die offenen Poren der Keramik eindringen,
bedient man sich stärkerer polarisierender Felder Es ist das Ziel der Erfindung, mindestens einige
In order to be able to polarize many ceramic materials that penetrate the open pores of the ceramic,
one makes use of stronger polarizing fields It is the aim of the invention to at least some

oder erhöhter Temperaturen; dieser Ausweg ist bis der zuvor aufgezeigten Schwierigkeiten zu überwin-or elevated temperatures; this way out can be overcome until the difficulties outlined above

zu einem gewissen Grad erfolgversprechend, aber die den. Sie besteht in der Schaffung von ferroelektri-Promising to a certain extent, but the den. It consists in the creation of ferroelectric

anwendbaren Feld-Temperatur-Bedingungen sind 25 sehen keramischen Mischungen, die durch eine leich-Applicable field temperature conditions are 25 see ceramic mixtures, which by a slight-

durch die Tatsache eingeschränkt, daß der spezifische tere Polarisierbarkeit als die üblichen Mischungenlimited by the fact that the specific polarizability than the usual mixtures

Widerstand der Keramik sich umgekehrt mit der von im allgemeinen vergleichbarer BeschaffenheitResistance of ceramics is inversely with that of generally comparable quality

Temperatur ändert; demzufolge entsteht ein Kurz- ausgezeichnet sind und die auch bis zu einem höherenTemperature changes; consequently a short term arises and which also go up to a higher one

Schluß und/oder ein Durchschlag im Material, bevor Maß polarisierbar sind und dementsprechend gün-Conclusion and / or a breakthrough in the material before dimensions can be polarized and accordingly

der gewünschte Polarisationsgrad erreicht ist. 30 stigere piezoelektrische Eigenschaften aufweisen. Diesethe desired degree of polarization has been achieved. 30 have higher piezoelectric properties. These

Ebenso gibt es eine starke entgegengesetzte Ab- Mischungen sind ferner besser sinterbar und unterLikewise, there is a strong opposite blends are also better sinterable and under

hängigkeit der Durchschlagsfestigkeit von der Dicke, mäßigen Bedingungen brennbar und liefern eine ge-the dielectric strength depends on the thickness, flammable under moderate conditions and provide a

so daß dicke Abschnitte relativ sehr schwierig zu reifte Keramik, deren Porosität gering ist, so daßso that thick sections relatively very difficult to mature ceramics, the porosity of which is low, so that

polarisieren sind. Das Problem der Polarisierung wird sich deren Dichte der des Einkristalls des Materialsare polarizing. The problem of polarization becomes its density that of the single crystal of the material

daher besonders akut, wenn man sich mit massiven 35 nähert.therefore particularly acute when approaching a massive 35.

Stücken beschäftigt und das Feld eine sehr beträcht- Gemäß der Erfindung wird eine Mischung ausPieces busy and the field a very considerable- According to the invention a mixture of

liehe Materialdicke, z. B. von 1 Zoll (2,5 cm) oder einem Basismaterial (mindestens 95 Gewichtsprozent),borrowed material thickness, e.g. B. 1 inch (2.5 cm) or a base material (at least 95 percent by weight),

mehr, durchsetzen muß. das eine derartige binäre Lösung aus Bleititanatmore, must enforce. such a binary solution made of lead titanate

In all diesen zuvor erwähnten Fällen ist eine Polari- (PbTiO3) und Bleizirkonat (PbZrO3) oder aus Bleisation manchmal nur mit beträchtlichen Schwierig- 40 titanat und Bleistannat (PbSnO3) oder eine derartige keiten und dann nur bis zu einem relativ geringen ternäre Lösung der drei genannten Stoffe darstellt, Teil der gesamten Leistungsfähigkeit des Materials daß die Zusammensetzung innerhalb des Vierecks durchführbar. ABCD des dreieckigen Mischungsdiagramms (Fig. 3)In all of these previously mentioned cases, a polar (PbTiO 3 ) and lead zirconate (PbZrO 3 ) or lead is sometimes only with considerable difficulty - titanate and lead tannate (PbSnO 3 ) or such, and then only up to a relatively low ternary Solution of the three substances mentioned represents part of the overall performance of the material that the composition within the rectangle is feasible. ABCD of the triangular mixture diagram (Fig. 3)

Infolge dieser Schwierigkeiten ist das für einige in Molverhältnissen dieser drei Stoffe liegt, worin
keramische Stoffe bislang angewandte Polarisations- 45
As a result of these difficulties, for some it is in the molar ratios of these three substances in which
Ceramic materials previously used polarization 45

verfahren mit einer unerwünscht hohen Menge an der Punkte durch 35% PbTiO3, 65% PbSnO3,process with an undesirably high amount of the points by 35% PbTiO 3 , 65% PbSnO 3 ,

Ausschuß und in vielen Fällen mit einer unzuläng- derPunktß durch 55% PbTiO3, 45% PbSn Or Reject and in many cases with an insufficient point due to 55% PbTiO 3 , 45% PbSn O r

liehen Polarisation verbunden. , _ , _ . , ,Λ , ~ m. ' ,„ , ™ „, 'borrowed polarization connected. , _, _ . ,, Λ , ~ m . ', ", ™",'

Ein weiteres wichtiges Ziel bei der Herstellung der Punkt C durch 60% Pb Ti O3, 40 0/0PbZrO3 undAnother important goal in making the point C by 60% Pb Ti O 3 , and 40 0/0PbZrO 3

ferroelektrischer keramischer Wandler ist die Errei- 50 derPunktD durch 10% PbTiO3, 90% PbZrO3
chung einer hohen Dichte, also von Dichten, die sich
ferroelectric ceramic converter is the 50 derPunktD by 10% PbTiO 3 , 90% PbZrO 3
a high density, i.e. densities that differ

soweit wie möglich an die Dichte von Einkristallen bezeichnet ist, wobei jeweils 25 Atomprozent des aus dem Material annähern. Bleis durch mindestens ein Erdalkalimetall, und zwaras far as possible to the density of single crystals, with 25 atomic percent of each approximate from the material. Lead through at least one alkaline earth metal, namely

Die Dichte eines ferroelektrischen keramischen durch Barium, Kalzium und/oder Strontium, ersetzt Körpers ist innig mit vielen physikalischen und elek- 55 sein können, und aus 0,01 bis 1,0 Gewichtsprozent trischen Eigenschaften verknüpft. Neben der mehr (auf Oxydbasis gerechnet) eines Additivs Eisen, oder minder klaren Beziehung zwischen Dichte und Nickel und/oder Kobalt nach Brennung bis zur keramechanischer Festigkeit sind einer hohen Dichte mischen Reife und nach ihrer Polarisation als elektroebenfalls eine größere Durchschlagsfestigkeit, eine mechanisches Wandlerelement verwendet. Ferner höhere Dielektrizitätskonstante, eine geringere mecha- 60 kann die Mischung außer den 95 Gewichtsprozent nische Dämpfung und eine bessere elektromechanische des Basismaterials bis zu 5 Gewichtsprozent Tantal, Kopplung zugeordnet. Niob oder eine seltene Erde einschließlich Yttrium,The density of a ferroelectric ceramic is replaced by barium, calcium and / or strontium Body is intimate with many physical and electrical 55 can be, and from 0.01 to 1.0 percent by weight tric properties. In addition to the more (based on oxide) of an additive iron, or less clear relationship between density and nickel and / or cobalt after firing to ceramic mechanical Strengths are of a high density mix maturity and according to their polarization as electro also greater dielectric strength, a mechanical transducer element is used. Further higher dielectric constant, a lower mecha- 60 the mixture can except the 95 weight percent niche damping and better electromechanical of the base material up to 5 percent by weight tantalum, Coupling assigned. Niobium or a rare earth including yttrium,

Um bei der Herstellung polykristalliner, ferroelek- jedoch mit Ausnahme von Cer und/oder bis zu etwa Irischer Keramikstoffe eine größere Dichte zu er- 1,5 Gewichtsprozent Chrom, Molybdän, Wolfram zielen, ist es wesentlich, daß beim Sintern während 65 oder Uran in oxydischer Form (alles auf Oxydbasis des Brennverfahrens jede »offene Porosität« (also gerechnet) enthalten.In order to produce polycrystalline, ferroelek- but with the exception of cerium and / or up to about Irish ceramics have a greater density - 1.5 percent by weight chromium, molybdenum, tungsten aim, it is essential that when sintering during 65 or uranium in oxide form (everything on an oxide basis of the firing process contain any “open porosity” (i.e. calculated).

Poren, in die Flüssigkeiten oder Dampf von der Weitere Merkmale der Erfindung werden in Veräußeren Oberfläche aus eindringen können) beseitigt bindung mit den Zeichnungen beschrieben.Pores into which liquids or vapor from the other features of the invention are in dispose Surface from penetration) eliminates binding described with the drawings.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Seitenansicht eines elektromechanischen Wandlers gemäß der Erfindung,Fig. 1 shows a perspective side view of an electromechanical transducer according to the invention,

Fig. 2 eine Seitenansicht des in Fig. 1 dargestellten Wandlers,Fig. 2 is a side view of the transducer shown in Fig. 1,

Fig. 3 ein dreieckiges Mischungsdiagra;:iin der bei der Ausführung der Erfindung verwendeten Stoffe undFig. 3 is a triangular mixture diagram: iin the at substances used to carry out the invention and

Fig. 4 ein Diagramm, das die bessere Poralisierbarkeit der ferroelektrischen keramischen Stoffe gemäß der Erfindung veranschaulicht.FIG. 4 is a diagram showing the better porosity of the ferroelectric ceramic materials according to FIG of the invention.

In den Fig. 1 und 2 ist ein elektromechanischer Wandler 10 zu sehen, der als aktives Element einen vorzugsweise scheibenförmigen Körper 12 aus einem piezoelektrischen keramischen Material gemäß der Erfindung enthält.In Figs. 1 and 2, an electromechanical transducer 10 can be seen, the one as an active element preferably disk-shaped body 12 made of a piezoelectric ceramic material according to FIG Invention contains.

Der Körper 12 ist elektrostatisch polarisiert und mit zwei Elektroden 14 und 16 an seinen beiden Seiten versehen. An den Elektroden 14 und 16 sind mit einer Lötstelle Leitungsdrähte 20 bzw. 22 befestigt, damit der Wandler an eine elektrische Schaltung angeschlossen werden kann. Wie bekannt ist, dient ein elektromechanischer Wandler dazu, zugeführte elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln, und umgekehrt. Wenn daher der keramische Körper mechanischen Beanspruchungen unterworfen wird, wird durch die sich ergebenden inneren Spannungen eine elektrische Spannung an den Leitungen 20 und 22 erzeugt. Umgekehrt erzeugt eine an den Leitungen angelegte Spannung eine mechanische Deformation des keramischen Körpers 12. Der Begriff »elektromechanischer Wandler« ist in einem äußerst allgemeinen Sinne verwendet und schließt piezoelektrische Filter, Frequenzsteuergeräte u. dgl. ein; der Erfindungsgegenstand kann außerdem auf vielen anderen Anwendungsgebieten benutzt werden, auf denen Materialien mit dielektrischen, piezoelektrischen und/oder elektrostriktiven Eigenschaften benötigt werden.The body 12 is electrostatically polarized and has two electrodes 14 and 16 on both of it Sides. On the electrodes 14 and 16 lead wires 20 and 22 are attached with a soldering point, so that the converter can be connected to an electrical circuit. As is known an electromechanical converter is used to convert supplied electrical energy into mechanical energy to convert, and vice versa. Therefore, when the ceramic body is subjected to mechanical stresses is subjected, an electrical voltage is generated by the resulting internal stresses the lines 20 and 22 generated. Conversely, a voltage applied to the lines creates a mechanical deformation of the ceramic body 12. The term "electromechanical converter" is in Used in an extremely general sense and includes piezoelectric filters, frequency control devices and the like a; The subject of the invention can also be used in many other areas of application, on which materials with dielectric, piezoelectric and / or electrostrictive properties are needed.

Wie bereits erwähnt, ist die Erfindung auf ferroelektrische keramische Mischungen anwendbar, die als Bleizirkonattitanat (USA.-Patentschrift 2 708 244) bekanntgeworden sind. Diese Stoffe weisen eine Perowskit- oder pseusokubische Gitterstruktur auf, sind bei einem bestimmten molaren Verhältnis zwischen Bleizirkonat undBleititanat (PbZrO:J:PbTiO3) ferroelektrisch und zeigen eine bemerkenswert starke elektromechanische Kopplung, wenn sie elektrostatisch polarisiert sind. In diese allgemeine Kategorie gehören chemische Modifikationen und Stoffe, die sich als von Bleizirkonattitanat abgeleitet betrachten lassen. Bei diesen Stoffen kann ein Teil oder das gesamte Bleizirkonat durch Bleistannat ersetzt sein. In Verbindung hiermit sei hervorgehoben, daß einige Unsicherheiten und Meinungsverschiedenheiten hinsichtlich der Stabilität und der separaten Existenz des Bleistannats bestehen; Bleistannat kann nämlich als Bleioxyd (PbO) und Zinnoxyd (SnO2) in einem stöchiometrischen Verhältnis betrachtet werden, das der empirischen Formel PbSnO3 (bei einem Molverhältnis von 1:1) entspricht.As already mentioned, the invention is applicable to ferroelectric ceramic mixtures which have become known as lead zirconate titanate (US Pat. No. 2,708,244). These substances have a perovskite or pseusocubic lattice structure, are ferroelectric at a certain molar ratio between lead zirconate and lead titanate (PbZrO : J : PbTiO 3 ) and show a remarkably strong electromechanical coupling when they are electrostatically polarized. This general category includes chemical modifications and substances that can be considered derived from lead zirconate titanate. With these substances, some or all of the lead zirconate can be replaced by lead tannate. In connection with this, it should be emphasized that there are some uncertainties and differences of opinion regarding the stability and the separate existence of the lead annate; Lead tannate can be regarded as lead oxide (PbO) and tin oxide (SnO 2 ) in a stoichiometric ratio which corresponds to the empirical formula PbSnO 3 (with a molar ratio of 1: 1).

Es sei darauf hingewiesen, daß die Gewichtsanteile der hiernach genannten Bestandteile auf der Basis ihrer betreffenden Oxyde berechnet sind.It should be noted that the proportions by weight of the ingredients mentioned below are based on of their respective oxides are calculated.

Die grundlegenden Mischungen zerfallen in drei Kategorien:The basic mixes fall into three categories:

1. in diejenigen, die zu dem binären System Bleizirkonat—Bleititanat gehören,1. in those who add to the binary system lead zirconate-lead titanate belong,

2. in die, die zu dem binären System Bleistannat— Bleititanat zählen, und2. in those who lead to the binary system— Count lead titanate, and

3. in solche, die dem ternären System Bleizirkonat—Bleistannat—Blei titanat angehören.3. in those belonging to the ternary system lead zirconate - lead tannate - lead belong to titanate.

Die Bezeichnungen ^binär« und »ternär« sind in Verbindung mit den Basismischungen ohne Rücksicht auf irgendwelche Sekundärbestandteile benutzt. Wie es dem Fachmann geläufig ist, findet sich Hafnium als Verunreinigung im Zirkonium mit sich ändernder Menge; in Verbindung mit der Erfindung kann Hafnium als weitgehendes Äquivalent des Zirkoniums angesehen werden; die Gegenwart von Hafnium entweder als Verunreinigung oder als Ersatz für Zirkonium ist zulässig. Da jedoch die hohen Kosten des Hafniums im Vergleich zum Zirkonium die Verwendung von Hafnium bei der Herstellung von Mischungen unwirtschaftlich machen, bleibt die mögliche Gegenwart von Hafnium in der vorliegenden Beschreibung unberücksichtigt. Obwohl Beispiele für Mischungen mit Hafnium hierin angegeben sind, so sei doch hervorgehoben, daß mehrere seltene Erden wegen ihrer Seltenheit und relativ hohen Kosten wirtschaftlich im Vergleich zu anderen Elementen nicht von Interesse sind, wenn sie auch vom technischen Standpunkt aus voll brauchbar sind.The terms "binary" and "ternary" are in Used in conjunction with the base mixes without regard to any secondary components. As is well known to those skilled in the art, hafnium is found as an impurity in zirconium changing amount; In connection with the invention, hafnium can be used as a substantial equivalent of zirconium be considered; the presence of hafnium either as an impurity or as a substitute for Zirconium is allowed. However, because of the high cost of the hafnium compared to the use of zirconium Making hafnium uneconomical in the production of mixtures remains the possible Presence of hafnium not taken into account in the present description. Although examples of Mixtures with hafnium are given herein, it should be emphasized that several rare earths because of their rarity and relatively high cost, they are not economically viable compared to other elements are of interest if they are also fully useful from a technical point of view.

Alle möglichen grundlegenden Zusammensetzungen oder Mischungen, die in die drei zuvor genannten Systeme fallen, werden durch ein dreieckiges Diagramm wiedergegeben, das in Fig. 3 dargestellt ist.All possible basic compositions or mixtures falling into the three previously mentioned Systems falling are represented by a triangular diagram shown in FIG.

Alle von dem Diagramm erfaßten Mischungen sind als Ganzes jedoch nicht ferroelektrisch; viele sind nur in einem geringen Maße elektromechanisch aktiv. Die Basismischungen gemäß der Erfindung sind jedoch diejenigen, die eine starke piezoelektrische Empfindlichkeit zeigen. Aus Zweckmäßigkeitsgründen sei die planare Kopplung k„ (die als radiale Kopplung kr und Scheibenkopplung kdlsc bekannt ist) der zu prüfenden vorpolarisierten Scheiben als Maß für die piezoelektrische Aktivität gewählt. Alle polarisiertenHowever, all of the mixtures covered by the diagram are not ferroelectric as a whole; many are only electromechanically active to a limited extent. However, the base mixtures according to the invention are those showing a strong piezoelectric sensitivity. For reasons of expediency, the planar coupling k ″ (known as radial coupling k r and disk coupling k dlsc ) of the pre-polarized disks to be tested is chosen as a measure of the piezoelectric activity. All polarized

und geprüften Basismischungen innerhalb des horizontal schraffierten Bereiches der Fig. 3, das von einem Viereck ABCD umgrenzt wird, zeigen einen radialen Kopplungskoeffizienten von wenigstens 0,10. Der von dem Viereck ABCD umsäumte Bereich enthält binäre, feste Bleizirkonat-Bleititanat-Lösungen, die auf der Linie D-C liegen, auf der sich das Molverhältnis (Pb Zr O3: Pb Ti O3) der Endkomponenten von 90:10 bis 40:60 ändert. Unter diesen Mischungen auf der Grundlinie haben diejenigen, die zwischen den Punkten H und G liegen, eine bedeutend höhere radiale Kopplung, wobei die höchste Kopplung auftritt, wenn das Molverhältnis von Pb Zr O3: Pb Ti O3 ungefähr 53:47 oder 54:46 beträgt.and tested base mixtures within the horizontally hatched area of FIG. 3, which is bounded by a square ABCD , show a radial coupling coefficient of at least 0.10. The area bordered by the square ABCD contains binary, solid lead zirconate-lead titanate solutions which lie on the line DC , on which the molar ratio (Pb Zr O 3 : Pb Ti O 3 ) of the end components is from 90:10 to 40:60 changes. Among these baseline mixtures, those lying between points H and G have significantly higher radial coupling, with the highest coupling occurring when the molar ratio of Pb Zr O 3 : Pb Ti O 3 is about 53:47 or 54: 46 is.

Die binären Basiszusammensetzungen auf der Linie A-B (PbSnO3:PbTiO3 von 65:35 bis 45:55) des Diagramms der Fig. 3 sind denjenigen auf der Linie D-C in der Struktur ähnlich, aber durch eine im allgemeinen geringere radiale Kopplung gekennzeichnet, wobei die beste Kopplung bei den Mischungen zwischen Punkten E und F stattfindet, wenn also das Molverhältnis Pb Sn O3: Pb Ti O3 im Bereich von 60:40 bis 50:50 liegt.The basic binary compositions on line AB (PbSnO 3 : PbTiO 3 from 65:35 to 45:55) of the diagram of FIG. 3 are similar in structure to those on line DC , but characterized by a generally lower radial coupling, where the best coupling occurs in the mixtures between points E and F, that is to say when the molar ratio Pb Sn O 3 : Pb Ti O 3 is in the range from 60:40 to 50:50.

Bei den ternären Basismischungen innerhalb des Bereiches ABCD bewirkt ein Einschluß von BJeistannat (PbSnO3) als Ersatz für einen Teil des Bleizirkonats (PbZrO3) eine fortschreitende Senkung der Curie-Temperatur, aber die Mischungen behalten eine relativ starke radiale Kopplung besonders inIn the ternary base mixtures within the ABCD range , inclusion of BJeistannate (PbSnO 3 ) as a replacement for part of the lead zirconate (PbZrO 3 ) causes a progressive lowering of the Curie temperature, but the mixtures retain a relatively strong radial coupling, especially in

dem Bereich des Diagramms bei, das vom Viereck EFGH gebildet wird.to the area of the diagram that is formed by the square EFGH .

Wie zuvor erwähnt, können die Grundmischungen je nach Wunsch dadurch abgeändert werden, daß man einen Teil des Bleis durch Barium, Kalzium und/oder Strontium ersetzt. Dieser Ersatz auf Atombasis ist bis zu einer maximalen Menge von 25% Barium, Kalzium und/oder Strontium zulässig, wobei der Bereich von 5 bis 15% bevorzugt wird. Die hauptsächliche Wirkung dieses Ersatzes besteht darin, daß die Dielektrizitätskonstante und die Koerzitivkraft vergrößert werden.As previously mentioned, the base mixes can be modified as desired by part of the lead is replaced by barium, calcium and / or strontium. This atomic based replacement is up to a maximum amount of 25% Barium, calcium and / or strontium are permitted, with the range from 5 to 15% being preferred. the The main effect of this replacement is that the dielectric constant and the coercive force be enlarged.

Außer dem Ersatz oder an Stelle des Ersatzes des Bleis durch Barium, Kalzium und/oder Strontium kann die Basismischung in den schraffierten Bereichen des Mischungsdiagramms der Fig. 3 durch Zusatz geringer Mengen Niob, Tantal und/oder bestimmter seltener Erden in oxydischer Form abgeändert werden. Alle seltenen Erden einschließlich Yttrium, jedoch mit Ausnahme von Cer wirken zufriedenstellend; die Menge des Zusatzes einschließlich Tantal und/oder Niob kann bis zu einem Maximalwert von 5 Gewichtsprozent betragen, der auf der Oxydbasis berechnet ist.Except for the replacement or in place of the replacement of lead with barium, calcium and / or strontium The basic mixture can be carried out in the hatched areas of the mixture diagram in FIG. 3 Addition of small amounts of niobium, tantalum and / or certain rare earths modified in oxidic form will. All rare earths including yttrium but with the exception of cerium work satisfactorily; the amount of additive including tantalum and / or niobium can be up to a maximum value of 5 weight percent calculated on the oxide basis.

Eine weitere zulässige Abänderung der Grundmaterialien ist der Zusatz mindestens eines Elementes der Gruppe VIB des Periodischen Systems in einer Menge, die auf der Molbasis einem Zusatz bis zu etwa 1,5 Gewichtsprozent Chromoxyd (Cr2O) entspricht. Another permissible modification of the base materials is the addition of at least one element from group VIB of the Periodic Table in an amount that corresponds to an addition of up to about 1.5 percent by weight of chromium oxide (Cr 2 O) on a molar basis.

Die Grundmischungen, die vom Viereck ABCD des Diagramms der Fig. 3 eingeschlossen werden und je nach Wunsch durch den Ersatz des Bleis durch Barium, Kalzium und/oder Strontium und/oder durch den Zusatz von Niob, Tantal, Yttrium und/oder anderen seltenen Enden außer Cer und/oder durch den Zusatz von Elementen der Gruppe VIB abgeändert sind, werden gemäß der Erfindung durch den Einschluß von bedeutsamen Mengen mindestens eines Additivs oder zusätzlichen Reagenzmittels, nämlich von Eisen, Nickel oder Kobalt, weiter verbessert.The basic compounds enclosed by the square ABCD of the diagram of FIG. 3 and, as desired, by replacing the lead with barium, calcium and / or strontium and / or by adding niobium, tantalum, yttrium and / or other rare ends other than cerium and / or modified by the addition of Group VIB elements are further improved according to the invention by the inclusion of significant amounts of at least one additive or additional reagent, namely iron, nickel or cobalt.

Diese Zusammenstellungen können nach verschiedenen keramischen Verfahren, die als solche bekannt sind, angefertigt werden.These compilations can be made according to various ceramic processes known as such are to be made.

Bei einem bevorzugten Verfahren zur Anfertigung der Grundmischungen werden Bleioxyd (PbO), Zirkoniumoxyd (ZrO2) und Titandioxyd (TiO2) in einem relativ hohen Reinheitsgrad (z. B. chemisch rein) in richtigen Anteilen kombiniert verwendet. (In einigen Fällen kann ein geringer Überschuß an Bleioxyd als Ausgleich für die Zusätze verwendet werden.) Wenn Barium, Strontium und/oder Kalzium eingeführt werden sollen, werden diese in der Form eines angemessenen reaktionsfähigen Bestandteils hinzugefügt. Die Karbonate dieser Erdalkalimetalle, die im Handel relativ billig im passenden Reinheitsgrad erhältlich sind, werden bevorzugt. Bei der Reaktion dieser Mischungen geben die Karbonate Kohlendioxyd CO2 ab und reduzieren die betreffenden Oxyde. Die wahlweisen Zusätze von Niob, Tantal, von Elementen der Gruppe VIB (Cr, Mo, W, U) und/oder der seltenen Erden, vielmehr zweckmäßigerweise ihrer betreffenden Oxyde, können zu diesem Zeitpunkt in die Mischung eingeführt werden. Die kombinierten Bestandteile werden dann naß oder trocken gemahlen, um eine völlige Durchmischung und eine Verkleinerung der Teilchengrößen zu erzielen.In a preferred method for preparing the base mixes, lead oxide (PbO), zirconium oxide (ZrO 2 ) and titanium dioxide (TiO 2 ) are used in combination in the correct proportions in a relatively high degree of purity (e.g. chemically pure). (In some cases a slight excess of lead oxide can be used to make up for the additives.) If barium, strontium and / or calcium are to be introduced, these are added in the form of an appropriate reactive ingredient. The carbonates of these alkaline earth metals, which are commercially available relatively cheaply in the appropriate degree of purity, are preferred. When these mixtures react, the carbonates give off carbon dioxide CO 2 and reduce the oxides concerned. The optional additions of niobium, tantalum, elements of group VIB (Cr, Mo, W, U) and / or the rare earths, more appropriately their respective oxides, can be introduced into the mixture at this point in time. The combined ingredients are then wet or dry milled to achieve thorough mixing and particle size reduction.

Nach dem Mahlen wird die Mischung entweder locker oder in gewünschten Formen durch Sintern bei einer Temperatur von etwa 850° C während annähernd 2 Stunden zu einer Vorreaktion gebracht.After grinding, the mixture is either fluffed or sintered into desired shapes brought to a temperature of about 850 ° C for approximately 2 hours to a prereaction.

Es ist ratsam, den Verlust an Blei während des Erwärmens z. B. dadurch zu regulieren, daß das Sintern in einer Hülle ausgeführt wird, die eine Bleioxyddampf abgebende Quelle enthält (USA.-Patentschrift 2 708 244). Die spezifischen Sinterbedingungen hängen natürlich von veränderbaren Faktoren, wie der Größe und der Gestalt der Form, ab und können nach dem aufgestellten keramischen Verfahren gewählt werden, das in dem besonderen Fall geeignet ist, wobei die Mischung möglichst vollständig zur Reaktion gebracht werden soll.It is advisable to take into account the loss of lead during heating e.g. B. to regulate that the sintering is carried out in a shell containing a lead oxide emitting source (U.S. Patent 2 708 244). The specific sintering conditions depend of course on changeable factors such as the The size and shape of the mold, from and can be chosen according to the established ceramic process be, which is suitable in the particular case, the mixture as completely as possible to Reaction should be brought.

Nach dem Vorsintern läßt man das zur Reaktion gebrachte Material abkühlen; dann wird es zerstoßen und in kleine Partikeln zermahlen. Nach dem Mahlen ist die vorgesinterte Mischung so weit fertig, daß sie in die gewünschte Form gebracht und bis zur Reife gebrannt werden kann. Je nach der gewünschten Form kann das Material als Mörtel oder Schlicker ausgebildet werden, der gemäß bekannter Verfahren gepreßt, gegossen oder stranggepreßt werden kann.After the pre-sintering, the reacted material is allowed to cool; then it is pounded and grind it into small particles. After grinding, the pre-sintered mixture is ready to go brought into the desired shape and burned to maturity. Depending on the desired In the form of a mortar or slurry, the material can be made according to known methods can be pressed, cast or extruded.

Die Additive oder Reagenzmittel also Eisen (Fe), Nickel (Ni) und/oder Kobalt (Co) können in die Mischungen zu einem zweckmäßigen Zeitpunkt vor dem endgültigen Mahlen, vorzugsweise in einer frühen Stufe des Fertigungsverfahrens eingeführt werden, damit eine völlige Durchmischung und Verkleinerung der Partikelgröße gewährleistet ist. Die Additive können in Form ihrer betreffenden Oxyde oder Verbindungen, z. B. als Karbonate, Anwendung finden, die sich während des Brennens zum Oxyd umbilden. Gerechnet auf die Oxydbasis beträgt die wirksame Minimalmenge des zusätzlichen Reagenzmittels annähernd 0,01% und die Maximalmenge ungefähr 1,0 Gewichtsprozent. Die bei der Herstellung der hiernach als Beispiel angegebenen Mischungen verwendeten Oxyde sind graues Kobaltoxyd (im allgemeinen CoC), schwarzes Nickeloxyd (NiO) und rotes Eisenoxyd (Fe2O3).The additives or reagents, i.e. iron (Fe), nickel (Ni) and / or cobalt (Co), can be introduced into the mixtures at an appropriate point in time before the final grinding, preferably at an early stage of the manufacturing process, so that they are thoroughly mixed and reduced in size the particle size is guaranteed. The additives can be in the form of their respective oxides or compounds, e.g. B. as carbonates, are used, which transform into oxide during firing. Calculated on the oxide basis, the minimum effective amount of the additional reagent is approximately 0.01% and the maximum amount is approximately 1.0% by weight. The oxides used in the preparation of the mixtures given below as an example are gray cobalt oxide (generally CoC), black nickel oxide (NiO) and red iron oxide (Fe 2 O 3 ).

Das zur Reaktion gebrachte Pulver wird in eine passende Form gebracht und in bekannter Weise bis zur keramischen Reife gebrannt.The powder brought to reaction is brought into a suitable shape and up in a known manner Fired to ceramic maturity.

Die gebrannten Formstücke werden in an sich bekannter Weise polarisiert, z. B. dadurch, daß zwei Elektroden (14 bzw. 16 in Fig. 1 und 2) an den entgegengesetzten Stirnseiten der keramischen Körper angebracht und ein elektrostatisches Feld an den Elektroden angelegt wird. Wenn auch die besonderen Bedingungen für die Polarisation je nach Wunsch veränderbar sind, führt eine Feldstärke von 60 bis 70kV/cm eines Gleichfeldes bei Raumtemperatur,The fired fittings are polarized in a manner known per se, e.g. B. by having two Electrodes (14 and 16 in Fig. 1 and 2) on the opposite end faces of the ceramic body and an electrostatic field is applied to the electrodes. Even if the special ones Conditions for the polarization are changeable as desired, results in a field strength of 60 to 70kV / cm of a constant field at room temperature,

das 1 Stunde lang aufrechterhalten wird, zu einwandfreien Ergebnissen.which is maintained for 1 hour to produce perfect results.

Beispiele für spezielle keramische Mischungen gemäß der Erfindung und verschiedene zweckdienliche physikalische, elektrische und elektromechanische Eigenschaften sind in Tabelle I angegeben, in der K die Dielektrizitätskonstante des Materials relativ zur Dielektrizitätskonstante des leeren Raums, k„ der planare piezoelektrische Kopplungskoeffizient und %-D der dielektrische Verlustfaktor, gemessen bei 1 kHz und ausgedrückt in Prozenten, sind.Examples of specific ceramic mixtures according to the invention and various useful physical, electrical and electromechanical properties are given in Table I, in which K is the dielectric constant of the material relative to the dielectric constant of the empty space, k " the planar piezoelectric coupling coefficient and% -D the dielectric loss factor measured at 1 kHz and expressed as a percentage.

Zum Vergleich enthält die Tabelle I Werte einer Kontrollmischung O, die nicht die zusätzlichen Reagenzmittel gemäß der Erfindung enthält.For comparison, Table I contains values of a control mixture O, which are not the additional Contains reagent according to the invention.

Tabelle ITable I.

1010

Molare BasiszusammenstellungBasic molar composition ZusätzlichesAdditional PlanarePlanar Nummer
des Beispiels
number
of the example
ReagenzmittelReagent Kopplungcoupling
Pb Sr (Zr Ti )OPb Sr (Zr Ti) O in Gewichtsprozentin percent by weight (V(V OO Pb0-94 Sr0-06 (Zr0-53 Ti0i47) O3 Pb 0-94 Sr 0-06 (Zr 0-53 Ti 0i47 ) O 3 keinsno 0,500.50 11 Pb0-94Sr0106(Zr0153Ti0147)O3 Pb 0-94 Sr 0106 (Zr 0153 Ti 0147 ) O 3 0,03NiO0.03NiO 0,570.57 22 Pb0t94 Sr0i06 (Zr0 a, Ti0i47) O3 Pb 0t94 Sr 0i06 (Zr 0 a, Ti 0i47 ) O 3 0,05 NiO0.05 NiO 0,560.56 33 Pbo.94 Sr 0-06 (^Γ0.531*0.47) ^3Pbo.94 S r 0- 06 (^ Γ 0.531 * 0.47) ^ 3 0,07 NiO0.07 NiO 0,570.57 44th Pbo,95 Sro,O5 (^Γ0,531*0.47) ^3Pbo, 95 S r o, O5 (^ Γ 0.531 * 0.47) ^ 3 0,10 NiO0.10 NiO 0,560.56 55 PbO,95 Sr 0.05 (^Γ0.53 1**0.47) ^8 Pb O, 95 S r 0 .05 (^ Γ 0:53 0:47 1 **) ^ 8 0,70NiO0.70NiO 0,580.58 66th 1,00NiO1.00NOK 0,580.58

Die Tabelle I gibt Werte über die bedeutsamen Eigenschaften von Mischungen gemäß der Erfindung an, die als Additiv Nickeloxyd in einem Bereich von ao 0,03 bis 1,0 Gewichtsprozent enthalten. Die zu Zwecken des Beispiels gewählte Basiszusammensetzung oder -mischung ist Bleizirkonattitanat, das 6 Atomprozent Strontium als Ersatz für das Blei enthält. Diese besondere Mischung ist gewählt, weil sie, wie zuvor erklärt, eine große Koerzitivkraft aufweist, die die Polarisation relativ schwierig macht. Alle in Tabelle I bezeichneten Proben werden unter denselben Bedingungen bei einer Feldstärke von etwa 40 kV/cm polarisiert. Die bedeutend höheren Werte der planaren Kopplung, die mit den das zusätzliche Reagenzmittel enthaltenden Mischungen erreicht werden, machen die leichtere Polarisierbarkeit im Vergleich zu der Basismischung glaubhaft. Darüber hinaus wird dieser Vorteil ohne eine unzulässige Vernichtung anderer Eigenschaften des Materials erreicht. Table I gives values about the significant properties of mixtures according to the invention which contain nickel oxide as an additive in a range from 0.03 to 1.0 percent by weight. The too The base composition or mixture chosen for the purposes of the example is lead zirconate titanate, the Contains 6 atomic percent strontium as a substitute for the lead. This particular mix is chosen because as explained above, it has a large coercive force which makes polarization relatively difficult. All samples identified in Table I are tested under the same conditions at a field strength of polarized about 40 kV / cm. The significantly higher values of the planar coupling, those with the additional Reagent-containing mixtures are achieved, make the easier polarizability credible compared to the basic mixture. In addition, this benefit is prohibited without an Destruction of other properties of the material achieved.

In Fig. 4 ist in Form einer graphischen Darstellung die Polarisierbarkeit (die als planarer Kopplungskoeffizient k„ angegeben ist) derselben Bleizirkonat- titanatbasis-KeramikIn FIG. 4, the polarizability (which is indicated as the planar coupling coefficient k " ) of the same lead-zirconate-titanate-based ceramic is shown in the form of a graph

S 1**S 1 **

0,47/0.47 /

mit und ohne Zusatz von Nickeloxyd verglichen. Es sei daraufhingewiesen, daß ein höherer Polarisationsgrad bei allen Größen des polarisierenden Feldes erzielt wird; der Unterschied macht sich bei geringeren Feldstärken von z. B. 20 kV/cm stärker bemerkbar, weil sich bei Feldern über 40 kV/cm die Proben einer Sättigung der Polarisation annähern. Es sei jedoch betont, daß die Verwendung der zusätzlichen Reagenzmittel einen viel höheren Polarisationsgrad bei niedrigeren Feldern ermöglicht und somit die Polarisation von Materialien zuläßt, die unter höheren Polarisierungspotentialen leiten oder durchschlagen würden. Die Vorteile der Erfindung im Hinblick auf die Erzielung höherer Dichten bei mäßigen Brenntemperaturen seien im Vergleich zu den Brenneigenschaften derselben Basismischung gemäß der Tabelle I, nämlich _, _ ,_ .compared with and without the addition of nickel oxide. It should be noted that a higher degree of polarization for all sizes of the polarizing field is achieved; the difference is made at lower field strengths of z. B. 20 kV / cm more noticeable, because at fields above 40 kV / cm the samples approach saturation of polarization. However, it is emphasizes that the use of the additional reagents results in a much higher degree of polarization at lower ones Allows fields and thus allows the polarization of materials that are subject to higher polarization potentials conduct or break through. The advantages of the invention in terms of Achieving higher densities at moderate firing temperatures are compared to the firing properties the same basic mixture according to Table I, namely _, _, _.

gezeigt. Wenn diese Mischung geformt und bis zur keramischen Reife bei der günstigsten Temperaturshown. When this mixture is formed and ceramic is matured at the most favorable temperature

Tabelle II
Molare Grundmischung: Pb0j94Sr0i06 (Zr0-53 Ti0i47) O3
Table II
Basic molar mixture: Pb 0j94 Sr 0i06 (Zr 0-53 Ti 0i47 ) O 3

Oxydischer Zusatz
in Gewichtsprozent
Oxydic additive
in percent by weight

Brenntemperatur Firing temperature

(0C)( 0 C)

Dichte (g/cm/8) Dielektrizitätskonstante,
polarisiert
Density (g / cm / 8 ) dielectric constant,
polarized

Planarer Kopplungskoeffizient Planar coupling coefficient

Elektrischer VerlustElectrical loss

Keine ....
0,3 CoO
No ....
0.3 CoO

0,1 CoO ,
0,05CoO
0,03CoO ,
0.1 CoO,
0.05 CoO
0.03CoO,

0,1 NiO .0.1 NiO.

0,05NiO .
0,1 Fe2O3
0.05NiO.
0.1 Fe 2 O 3

12901290

1270 1250 1230 12101270 1250 1230 1210

1270 1290 12901270 1290 1290

1290 1270 12501290 1270 1250

1290 12901290 1290

7,357.35

7,64 7,67 7,65 7,627.64 7.67 7.65 7.62

7,64 7,59 7,527.64 7.59 7.52

7,64 7,64 7,637.64 7.64 7.63

7,59 7,61 13007.59 7.61 1300

1250
1450
1450
1340
1250
1450
1450
1340

1250
1120
1300
1250
1120
1300

1020
1250
1310
1020
1250
1310

1190
1010
1190
1010

0,500.50

0,45
0,46
0,46
0,45
0.45
0.46
0.46
0.45

0,45
0,52
0,52
0.45
0.52
0.52

0,54
0,56
0,55
0.54
0.56
0.55

0,56
0,51
0.56
0.51

0,80.8

4,0 6,0 6,0 5,04.0 6.0 6.0 5.0

1,9 1,5 1,01.9 1.5 1.0

1,0 0,9 0,81.0 0.9 0.8

0,8 0,90.8 0.9

109 738/270109 738/270

(1280 bis 1290° C während einer Stunde) gebrannt wird, besitzt das Produkt eine Dichte (bestimmt durch Eintauchen in eine Flüssigkeit) von 7,3 bis 7,45 g/cm3, wenn auch die theoretische Dichte wahrscheinlich etwa 7,8 beträgt. Ein bedeutsamer Teil der Differenz zwischen der theoretischen und der erreichten Dichte ist der offenen Porosität zuzuschreiben. Sowohl die theoretische als auch die erreichte Dichte ändern sich aber beträchtlich entsprechend der Zusammensetzung der besonderen Mischung.(1280 to 1290 ° C for one hour), the product has a density (determined by immersion in a liquid) of 7.3 to 7.45 g / cm 3 , although the theoretical density is probably about 7.8 . A significant part of the difference between the theoretical and the achieved density is attributable to the open porosity. However, both the theoretical and the achieved density vary considerably according to the composition of the particular mixture.

Bei Mischungen gemäß der Erfindung, die zusätzliche Reagenzmittel, die zuvor genannt sind, enthalten, ist der während des Brennens erreichte Sintergrad stark erhöht, was eine verringerte Porosität und folglich eine höhere Dichte ergibt. In den meisten Fällen liegt die optimale Brenntemperatur für Mischungen, die die Additive enthalten, vorteilhafterweise niedriger als bei denen ohne Additive. Die Tabelle II zeigt beispielsweise die Eigenschaften verschiedener Mischungen gemäß der Erfindung. aoIn the case of mixtures according to the invention which contain additional reagents, which are mentioned above, the degree of sintering achieved during firing is greatly increased, resulting in reduced porosity and consequently gives a higher density. In most cases this is the optimal firing temperature for Mixtures containing the additives are advantageously lower than those without additives. the For example, Table II shows the properties of various blends according to the invention. ao

Bei der Betrachtung dieser Tabelle und einem Vergleich mit der Basismischung zeigt sich, daß sich mit den Additiven stofflich höhere Dichten von z. B. 7,5 bis 7,7 g/cm3 bei Brenntemperaturen erreichen lassen, die dieselben oder geringer als die sind, die eine Dichte von nur 7,35 g/cm3 ohne zusätzliche Reagenzmittel verursachen. Diese Additive beeinflussen die elektrischen Materialeigenschaften in keiner Weise nachteilig; infolge der größeren Dichte des Körpers sind jedoch einige Eigenschaften verbessert worden.A look at this table and a comparison with the base mixture shows that the additives result in higher material densities of z. B. 7.5 to 7.7 g / cm 3 at firing temperatures that are the same or lower than those that cause a density of only 7.35 g / cm 3 without additional reagents. These additives do not adversely affect the electrical properties of the material in any way; however, due to the greater density of the body, some properties have been improved.

Claims (8)

PATENTANSPRÜCHE:PATENT CLAIMS: 1. Verwendung einer Mischung aus einem Basismaterial (mindestens 95 Gewichtsprozent), das eine derartige binäre Lösung aus Bleititanat (PbTiO3) und Bleizirkonat (PbZrO3) oder aus Bleititanat und Bleistannat (PbSnO3) oder eine derartige ternäre Lösung der drei genannten Stoffe darstellt, daß die Zusammensetzung innerhalb des Vierecks (ABCD) des dreieckigen Mischungsdiagramms (Fig. 3) (in Molverhältnissen) dieser drei Stoffe liegt, worin1. Use of a mixture of a base material (at least 95 percent by weight), which is such a binary solution of lead titanate (PbTiO 3 ) and lead zirconate (PbZrO 3 ) or of lead titanate and lead tannate (PbSnO 3 ) or such a ternary solution of the three substances mentioned that the composition lies within the square (ABCD) of the triangular mixture diagram (Fig. 3) (in molar ratios) of these three substances, in which der Punkt (A) the point (A) durch 35% PbTiO3, 65% PbSnO3,
der Punkt (B)
by 35% PbTiO 3 , 65% PbSnO 3 ,
the point (B)
durch 55% PbTiO3, 45% PbSnO3,
der Punkt (C)
by 55% PbTiO 3 , 45% PbSnO 3 ,
the point (C)
durch 60% PbTiO3, 40% PbZrO3 und der Punkt (D) by 60% PbTiO 3 , 40% PbZrO 3 and the point (D) durch 10% PbTiO3, 90% PbZrO3 gekennzeichnet ist, wobei jeweils 25 Atomprozent des Bleis durch mindestens ein Erdalkalimetall, und zwar durch Barium, Kalzium und/oder Strontium, ersetzt sein können, und aus 0,01 bis 1,0 Gewichtsprozent (auf Oxydbasis gerechnet) eines Additivs Eisen, Nickel und/oder Kobalt nach Brennung bis zur keramischen Reife und nach Polarisation als elektromechanisches Wandlerelement. is characterized by 10% PbTiO 3 , 90% PbZrO 3 , whereby 25 atomic percent of the lead can be replaced by at least one alkaline earth metal, namely by barium, calcium and / or strontium, and from 0.01 to 1.0 percent by weight ( based on oxide) of an additive iron, nickel and / or cobalt after firing until ceramic maturity and after polarization as an electromechanical transducer element.
2. Verwendung einer Mischung nach An-2. Use of a mixture according to . Spruch 1, deren Additiv Nickeloxyd ist.. Spruch 1, whose additive is nickel oxide. - - 3. Verwendung einer Mischung nach Ansprüchen 1 und 2, in der bis zu 5 Gewichtsprozent, auf der Oxydbasis gerechnet, Tantal, Niob und/ oder eine seltene Erde einschließlich Yttrium, jedoch mit Ausnahme von Cer enthalten sind.3. Use of a mixture according to claims 1 and 2, in which up to 5 percent by weight, calculated on the oxide basis, tantalum, niobium and / or a rare earth including yttrium, however, with the exception of cerium, are included. 4. Verwendung einer Mischung nach Ansprüchen 1 bis 3, in der mindestens ein Element der Gruppe VIB des Periodischen Systems in einer Menge vorhanden ist, die, auf der Molbasis gerechnet, einem Zusatz bis zu 1,5 Gewichtsprozent Chromoxyd (Cr2O3) entspricht.4. Use of a mixture according to claims 1 to 3, in which at least one element of group VIB of the periodic table is present in an amount that, calculated on the molar basis, an addition of up to 1.5 percent by weight of chromium oxide (Cr 2 O 3 ) is equivalent to. 5. Verwendung einer Mischung nach Ansprüchen 1 bis 4 mit einem Basismaterial, dessen Zusammensetzung anstatt innerhalb des Vierecks (ABCD) des dreieckigen Mischungsdiagramms im Viereck (EFGH) liegt, worin5. Use of a mixture according to claims 1 to 4 with a base material, the composition of which is instead of within the square (ABCD) of the triangular mixture diagram in the square (EFGH) , in which der Punkt (E) the point (E) durch 40% PbTiO3, 60% PbSnO3, der Punkt (F)by 40% PbTiO 3 , 60% PbSnO 3 , the point (F) durch 50% PbTiO3, 50% PbSnO3, der Punkt (G)by 50% PbTiO 3 , 50% PbSnO 3 , the point (G) durch 50% PbTiO3, 50% PbZrO3 undby 50% PbTiO 3 , 50% PbZrO 3 and der Punkt (£0the point (£ 0 durch 40% PbTiO3, 60% PbZrO3 by 40% PbTiO 3 , 60% PbZrO 3 gekennzeichnet ist.is marked. 6. Verwendung einer Mischung nach Ansprüchen 1 bis 5, deren Basismaterial im wesentlichen aus elektromechanisch empfindlichem Bleizirkonattitanat besteht und die Menge des Additivs im Bereich von 0,01 bis 1 % liegt.6. Use of a mixture according to Claims 1 to 5, the base material of which is essentially consists of electromechanically sensitive lead zirconate titanate and the amount of additive ranges from 0.01 to 1%. 7. Verwendung einer Mischung nach Anspruch 6, bei der das Molverhältnis von Bleizirkonat zu Bleititanat etwa 60 : 40 bis 50:50 beträgt.7. Use of a mixture according to claim 6, wherein the molar ratio of lead zirconate to lead titanate is about 60:40 to 50:50. 8. Verwendung einer Mischung nach Anspruch 2, deren Material nach der Formel8. Use of a mixture according to claim 2, the material of which according to the formula Pb0,94 Sr0,06 Pb 0.94 Sr 0.06 i0,47) °3 i 0.47) ° 3 zusammengesetzt ist und 0,03 bis 0,07 Gewichtsprozent Nickeloxyd (NiO) enthält.is composed and contains 0.03 to 0.07 percent by weight nickel oxide (NiO). Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings © 109 738/270 10.61© 109 738/270 10.61
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