DE1771697C2 - Piezoelectric ceramics - Google Patents
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Description
Pb(Zn1Z3Nb2^Ti5Zr2O3 Pb (Zn 1 Z 3 Nb 2 ^ Ti 5 Zr 2 O 3
. · ι λλι λ ,,.. · Ι λλι λ ,,.
besteht, worin x+y+z=\ ist, χ zwischen 0,01 und 0,500, y zwischen 0,125 und 0,750 und ζ zwischen 0,125 und 0,865 liegt, dadurch g e k e ηη-ζ e i c h η e t, daß sie zusätzlich eine Kombination von 0,1 bis 5 Gew-% NiO und 0,1 bis 5 Gew.-% MnO2 enthält, mit der Maßgabe, daß die Summe ihrer Anteile maximal 7% beträgt.consists, where x + y + z = \ is, χ between 0.01 and 0.500, y between 0.125 and 0.750 and ζ between 0.125 and 0.865, thereby geke ηη-ζ calibrate η et that they additionally contain a combination of 0, 1 to 5% by weight NiO and 0.1 to 5% by weight MnO 2 , with the proviso that the sum of their proportions is a maximum of 7%.
2. Verwendung der piezoelektrischen Keramik nach Anspruch 1 als aktives Element für einen elektromechanischen Wandler.2. Use of the piezoelectric ceramic according to claim 1 as an active element for one electromechanical converter.
Andererseits ist es bei Anwendung der piezoelek-Keramiken als Filter wünschenswert, daß das Wert fQr den mecham-schen On the other hand, when using piezoelek ceramics as a filter, it is desirable that the value for the mechanical
und einen hohen elektromechanischen uMJ Fmer müssen die and a high electromechanical uMJ Fmer have to
^ eine große Beständigkeit mit^ a great persistence with
^ Temperatur und der Zeit hinsichtlich der Resonanz- ^enz und andere elektrischer Eigenschaften auf- Temperature and time in terms of resonance and other electrical properties.
Ale viplversDrechende Keramik im Hinblick auf Als ^™^eC . Bleititanat-Bleizirkonat in et worden. Es ist jedoch ^ hohen mechanischen GütefaktorAle viplversDrechende pottery with regard to Als ^ ™ ^ eC . Lead titanium t-lead zirconate has been in et. However, it is a ^ high mechanical quality factor
g, nianaren Konnlun«g, nianaren Konnlun "
zusammen neben «™m ^ütoit^SkoÄeS" koeffizienten bei den Ble.titanat Ble.znkonat Kera-together with «™ m ^ ütoit ^ SkoÄeS" coefficients for the Ble.titanat Ble.znkonat Kera-
miSodektSche Keramiken der Grundzusammen-PiczoeleKtriscne jvciam mi SodektSche ceramics of the basic together-PiczoeleKtriscne jvciam
SetzungSettlement
Pb(Zn1J3Nb2Z3)O3-PbTiO3-PbZrOsPb (Zn 1 J 3 Nb 2 Z 3 ) O 3 -PbTiO 3 -PbZrOs
Die Erfindung betrifft piezoelektrische Keramiken, im speziellen neue ferroelektrische Keramiken, die polykristalline Aggregate bestimmter Komponenten darstellen. Diese piezoelektrischen Keramiken werden durch an sich bekannte Keramiktechniken gesintert und dann durch Anlegen einer Gleichspannung zwisehen den Elektroden polarisiert, wodurch elektromechanische Wandlereigenschaften entsprechend dem bekannten piezoelektrischen Effekt verliehen werden. Die Erfindung betrifft ferner dit Verwendung der piezoelektrischen Keramiken in elektromechanischen WDi?'erfindünesgemäße Keramik besteht hauptsächlieh aus einer fistln Lösung des ternären Systems ohne weitere Zusätze sind bekannt (DT-AS 16 46 698, GB-PS 11 16 510); derartige Keramiken zeigen auch nicht annähernd eine gute Kombination von hohem Güte'aktor und hohem planaren Kopplungskoeffizienten. . .The invention relates to piezoelectric ceramics, in particular new ferroelectric ceramics which are polycrystalline aggregates of certain components. These piezoelectric ceramics are sintered by ceramic techniques known per se and then polarized by applying a direct voltage between the electrodes, as a result of which electromechanical transducer properties are imparted in accordance with the known piezoelectric effect. ? The invention further relates dit use of piezoelectric ceramics in electromechanical W Di 'erfindünesgemäße ceramics hauptsächlieh fistln from a solution of the ternary system, without further additives are known (DT-AS 16 46 698, GB-PS 11 16 510); Such ceramics also do not have nearly a good combination of a high quality factor and a high planar coupling coefficient. . .
AUS der DT-AS 1116 742 ist ein keramisches Material ruf Basis des SystemsA US of DT-AS 1116 742 is a ceramic material called the basis of the system
PhZrO PbTiO PbSnO3-PbZrO3-PbHO3 PhZrO PbTiO PbSnO 3 -PbZrO 3 -PbHO 3
mit Zusätzen von E««o«d. Ngdox^d und KobaU-oxid von 0,01 bis 1,0G^·".* «tonnt, eine Mod 1-with additions of E «« o «d. Ngdox ^ d and KobaU oxide from 0.01 to 1.0G ^ · ". *« tonnt, a Mod 1-
zierung mit emer ^^^^^^f^ plus Manganoxid ist nicht vorgesehen Aus J. Amer. Ceram. Soc 49, S. 577 b ^ 582! (1961Ust es bekannt, das ternäre System der Zusammensetzungzation with emer ^^^^^^ f ^ plus manganese oxide is not provided From J. Amer. Ceram. Soc 49, p. 577 b ^ 582! (1961Ust it known the ternary system of composition
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 - Pb 11U3 —Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 - Pb 11U 3 -
PWZn , Nb , 10 —
Pb^n1/3Nb2/3jU3 PWZn, Nb, 10 -
Pb ^ n 1/3 Nb 2/3 jU 3
PbZrO3,PbZrO 3 ,
das mit kombinierten MnO2- und NiO-Zusätzen bis zu maximal 7 Gew.-% modifiziert worden ist.which has been modified with combined MnO 2 and NiO additives up to a maximum of 7% by weight.
Die Anwendung piezoelektrischer Materialien auf den verschiedenen Einsatzgebieten für Wandler bei Herstellung, Messung und Richlungssinnbestimmung eines Tons, eines Stoßes, einer Vibration, eines Drucks usw. nimmt ständig zu. Es werden sowohl Kristall-als auch Keramikwandlertypen weit verbreitet angewendet. Wegen der geringeren Kosten und leichten Herstellung in verschiedenen Formen und Größen und ihrer Kroßeren Beständigkeit gegenüber hoher Temperatur und/oder Feuchtigkeit im Vergleich zu kristallinen Materialien wie dem Rochelle-Salz erlangten piezoelektrische Keramiken auf zahlreichen Einsatzgebieten für Wandler zunehmend an Bedeutung.The application of piezoelectric materials in the various fields of application for transducers Production, measurement and determination of the sense of direction of a sound, a shock, a vibration, a pressure etc. is constantly increasing. Both crystal and ceramic types are widely used. Because of the lower cost and ease of manufacture in various shapes and sizes and their Greater resistance to high temperature and / or humidity compared to crystalline Piezoelectric ceramics have found materials like Rochelle's salt in numerous fields of application increasingly important for converters.
Die Anforderungen an die piezoelektrischen Eigenschäften von Keramiken wechseln je nach den Anwendungsarren. Zum Beispiel erfordern elektromechanische Umwandler, wie ein Tonabnehmer und ein Mikrophon, piezoelektrische Keramiken, die durch einen recht hohen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten und eine recht hohe Dielektrizitätskonstante ausgezeichnet sind.The requirements for the piezoelectric properties of ceramics change depending on the application. For example, require electromechanical Transducers, such as a pickup and a microphone, have piezoelectric ceramics that pass through a fairly high electromechanical coupling coefficient and a fairly high dielectric constant are excellent.
4J. 4Y .
50 mit Zusätzen aus NK), Cr2O3, Fe2O3, MnO2 und CoO zu modifizieren. Offen..chthch ist es be. dieser bekannten Keramik sehr schwierig, bei niedrigen Brenn-Temperaturen sowohl hohe planare Kopplungskoeffi- ^6n aIs auch hohe mechanische Gütefaktoren zu erreichen. Die besten Ergebnisse bei einer Brenntemperatur von 1260 C sind ein Kopplungskoeffiz.ent von 0,553 und mechanischer Gutefaktor von 2OM. Keramiken auf Basis des ternaren Systems 50 with additions of NK), Cr 2 O 3 , Fe 2 O 3 , MnO 2 and CoO. Open..thch it is be. This known ceramic is very difficult to achieve both high planar coupling coefficients and high mechanical quality factors at low firing temperatures. The best results at a firing temperature of 1260 C are a coupling coefficient of 0.553 and a mechanical good factor of 2OM. Ceramics based on the ternary system
Pb(Mg1Z3Nb2 3)O3 — Pb 11U3 - 1 bz,ru3 Pb (Mg 1 Z 3 Nb 2 3 ) O 3 - Pb 11U 3 - 1 bz, ru 3
werden des weiteren in J. Amcr Ceram ooe 48 (1965), S. 630 bis 635, sowie Bd. 4SI (1966; S. 5 /7 bis 582 der GB-PS 10 66 752 und der US-PS 32 68 4d3 beschrieben.are furthermore in J. Amcr Ceram ooe 48 (1965), Pp. 630 to 635, as well as vol. 4SI (1966; pp. 5/7 to 582 of the GB-PS 10 66 752 and US-PS 32 68 4d3.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, neue ver-The invention was based on the object of developing new
besserte piezoelektrische Keramiken zu entwickeln, welche sich durch eine vorteilhafte Kombination eines hohen mechanischen Gütefaktors und eines hohen piezoelektrischen Kopplungskoeffizienten auszeichnen sollten, womit gleichzeitig piezoelektrische Keramiken angestrebt wurden, bei welchen bestimmte Eigenschäften den verschiedenen Anwendungen angepaßt werden können. Erfindungsziel war schließlich auch die Verwendung der neuen Keramiken als aktive Bestandteile in elektromechanischen Wandlern.to develop improved piezoelectric ceramics, which is characterized by an advantageous combination of a high mechanical quality factor and a high distinguish piezoelectric coupling coefficient should, with which at the same time piezoelectric ceramics were aimed at, with which certain properties can be adapted to the various applications. After all, that was also the aim of the invention the use of the new ceramics as active components in electromechanical converters.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wurde gelöst mit der neuen piezoelektrischen Keramik, welcheThe object on which the invention is based has been achieved with the new piezoelectric ceramic, which
hauptsächlich aus einer festen Lösung von drei Komponenten gemäß der Formelmainly from a solid solution of three components according to the formula
besteht, worin χ + y -τ ζ — I ist, χ zwischen 0,01 und OpOO, y zwischen 0,125 und 0,750 und ζ zwischen 0,125 und 0,865 liegt, welche dadurch gekenazeichnet ist, daß sie zusätzlich eine Kombination von 0,1 bis 5 Gewichtsprozent NiO und 0,1 bis 5 Gew.-% MnO2 enthält, mit der Maßgabe, daß die Summe ihrer Anteile maximal 7 % beträgt.consists, where χ + y -τ ζ - I , χ between 0.01 and OpOO, y between 0.125 and 0.750 and ζ between 0.125 and 0.865, which is characterized in that it is additionally a combination of 0.1 to 5 Contains percent by weight NiO and 0.1 to 5% by weight MnO 2 , with the proviso that the sum of their proportions is a maximum of 7 % .
Der durch die neue Keramik erzielbare Fortschritt gegenüber Keramiken der gleichen Grundzusammensetzung (DT-AS 16 46 698) bzw. Keramiken, wie sie durch die DT-AS 11 16 742 beschrieben sind, ist aus der folgenden Tabelle ersichtlich.The progress that can be achieved with the new ceramic compared to ceramics of the same basic composition (DT-AS 16 46 698) or ceramics, as described by DT-AS 11 16 742, is off can be seen in the following table.
Zusatzadditive
Brenntemperatur Firing temperature
(0C)( 0 C)
Bemerkungcomment
KeinNo
0,5 Gew.-% NiO
0,5 Gew.- % MnO2
0,1 Gew.-% NiO0.5 wt% NiO
0.5 wt% MnO 2
0.1 wt% NiO
98 0,481 1240
2124 0,67 1210
— 0,56 127098 0.481 1240
2124 0.67 1210
- 0.56 1270
S Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen ert
lästert, worin
% F i g. 1 eine Querschnittsansicht eines elektro- S The invention is blasphemed with reference to the drawings, in which
% F i g. 1 is a cross-sectional view of an electrical
■„! mechanischen Wandlers zeigt,■ "! mechanical transducer shows
l*J F i g. 2 ein dreiseitig zusammengesetztes Diagramm ,, von Materialien ist, die nach der vorliegenden Erlindung angewendet werden können, l * JF i g. Figure 2 is a three-sided composite diagram of materials that can be used in accordance with the present invention;
■ *> F i g. 3 und 4 graphische Darstellungen der Wirkung■ *> F i g. 3 and 4 graphical representations of the effect
Li von Zusatzmengen auf den mechanischen Gütefaktor \ (Qm) und den planaren Kopplungskoeffizienten (K p) L i of additional quantities on the mechanical quality factor \ (Q m ) and the planar coupling coefficient (K p )
>" von Keramiken der Erfindung bei 200C und 1 KiIo- >" of ceramics of the invention at 20 0 C and 1 KiIo-
\ hertz sind. \ hertz are.
In F i g. 1 bezeichnet Ziffer 7 einen elektromechanischen Wandler, der als aktives Bauteil einen vorzugsweise scheibenförmigen Körper 1 aus piezoelektri-In Fig. 1, numeral 7 denotes an electromechanical converter, which is preferably an active component disc-shaped body 1 made of piezoelectric
-i schein keramischem Material der Erfindung aufweist. -i has a ceramic material of the invention.
Der Körper ist elektrostatisch polarisiert und mit einem Elektrodenpaar 2 und 3 ausgestattet, die in einer geeigneten und an sich üblichen Weise auf den entgegengesetzten Oberflächen des Körpers 1 angebracht sind. Die Leitungsdrähte 5 und 6 sind leitend an die Elektroden 2 und 3 mit Hilfe eines Lötmittels 4 angeschlossen. Wenn die Keramik einem Stoß, einer Vibration oder anderen mechanischen Einwirkungen ausgesetzt wird, kann die entstandene elektrische Leitung durch die Leitungsdrähte 5 und 6 aufgenommen werden. Andererseits erzeugt, wie bei anderen piezoelektrischen Wandlern, das Anlegen einer elektrischen Spannung an den Elektroden S und 6 eine mechanische Deformation des keramischen Körpers. Es ist selbstverständlich, daß der Ausdruck »elektromechanischer Wandler«, wie er hier gebraucht wird, in seinem breitesten Sinne zu verstehen ist und piezoelektrische Filter, Frequenzsteuerungsgeräte u. dgl. miterfaßt und daß die Erfindung auch auf verschiedenen anderen Anwendungsgebieten angewendet und diesen angepaßt werden kann, die Materialien mit dielektrischen piezo-., elektrischen und/oder elektrostriktiven EigenschaftenThe body is electrostatically polarized and equipped with a pair of electrodes 2 and 3, which are inserted into attached to the opposite surfaces of the body 1 in a suitable and per se usual manner are. The lead wires 5 and 6 are conductive to the electrodes 2 and 3 by means of a solder 4 connected. If the ceramic is subjected to a shock, vibration or other mechanical impact is exposed, the resulting electrical line can be picked up by the lead wires 5 and 6 will. On the other hand, as with other piezoelectric transducers, the application of an electrical Stress at the electrodes S and 6 a mechanical deformation of the ceramic body. It goes without saying that the expression "electromechanical converter", as it is used here, is in its broadest Meaning is to be understood and piezoelectric filters, frequency control devices and the like that the invention is applied to and adapted to various other fields of application materials with dielectric piezo-., electrical and / or electrostrictive properties
^ ■' erfordern. ^ ■ 'require.
'*'. Es wurde gefunden, daß das ternäre System aus'*'. It has been found that the ternary system consists of
Pb(Zn113Nb2Z3)O3, PbTiO3 und PbZrO3 Pb (Zn 113 Nb 2 Z 3 ) O 3 , PbTiO 3 and PbZrO 3
-eine morphotrope Phasengrenze hat und daß die piezoelektrische Eigenschaft in der Nähe der morpho--has a morphotropic phase boundary and that the piezoelectric property is close to the morpho-
?"■■ 'ironischen Keramik ausgezeichnet ist. Die vorliegende DT-AS 16 46 698? "■■ 'ironic pottery is excellent. The present DT-AS 16 46 698
vorliegende Patent-Anmeldung, Beispiel 22present patent application, example 22
DT-AS 11 16 742, Tabelle II, Spalte 10DT-AS 11 16 742, table II, column 10
Erfindung basiert auf der Feststellung, daß innerhalb besonderer Bereiche des ternären Grundsystems die mit gemeinsamen MnO2- und NiO-Zusätzen modifizierten Proben einen sehr hohen mechanischen Gütefaktor in Verbindung mit einem hohen planaren Kopplungskoeffizienten besitzen. The invention is based on the finding that, within special areas of the ternary basic system, the samples modified with common MnO 2 and NiO additives have a very high mechanical quality factor in conjunction with a high planar coupling coefficient.
Die vorliegende Erfindung weist verschiedene Vorteile bei der Herstellung von keramischen Wandlern
und Anwendung für keramische Wandler auf. Es ist bekannt, daß das Verdampfen von PbO während des
Brennens ein Problem beim Sintern von Bleiverbindungen, wie bei Bleititanatzirkonat, darstellt. Die erfindungsgemäße
Keramik weist jedoch einen geringeren Anteil an verdampftem Blei auf als übliches Bleititanatzirkonat.
Das ternäre System kann ohne besondere Kontrolle der PbO-Atmosphäre gebrannt werden. Ein gut gesinterter Körper der Erfindung wird
durch Brennen in einem keramischen Tiegel mit einer aus Al2O3 hergestellten Abdeckung erhalten. Eine
hohe Sinterungsdichte ist zur Erzielung von Feuchtigkeitsbeständigkeit und starker piezoelektrischer Ansprechbarkeit
erwünscht, wenn der gesinterte Körper als Resonator u. dgl. angewendet werden soll.
Alle möglichen Keramiken, die innerhalb des ter-The present invention has several advantages in the manufacture of ceramic transducers and application to ceramic transducers. It is known that the evaporation of PbO during firing is a problem in sintering lead compounds such as lead titanate zirconate. However, the ceramic according to the invention has a lower proportion of vaporized lead than conventional lead titanate zirconate. The ternary system can be fired without special control of the PbO atmosphere. A well sintered body of the invention is obtained by firing in a ceramic crucible with a cover made of Al 2 O 3. A high sintering density is desirable in order to obtain moisture resistance and high piezoelectric responsiveness when the sintered body is to be used as a resonator and the like.
All sorts of ceramics that can be found within the ter-
nären Systemsnary system
Pb(Zn1/3Nbs 3)O3 — PbTiO3 — PbZrO3 Pb (Zn 1/3 Nb s 3 ) O 3 - PbTiO 3 - PbZrO 3
liegen, werden durch das dreiseitige Diagramm, das F i g. 2 der Zeichnungen bildet, dargestellt. Einige der durch das Diagramm dargestellten Keramiken weisen jedoch keine hohe Piezoelektrizität auf, und viele sind elektromechanisch nur in einem unbedeutenden Maße aktiv. Die vorliegende Erfindung betrifft nur solche Keramiken, die eine piezoelektrische Ansprechbarkeit von erheblicher Größe aufweisen. Der Einfachheit halber wird der planare Kopplungskoeffizient (Kp) der Testscheiben als Maß für die piezoelektrische Aktivität genommen. So zeigen innerhalb des Bereichs, der durch die die Punkte A BCDE (F i g. 2), welche Bestandteile von O1OlO bis 0,500 Molprozentare represented by the three-sided diagram, the F i g. 2 of the drawings. However, some of the ceramics represented by the diagram do not have high piezoelectricity and many are only electromechanically active to a negligible extent. The present invention relates only to those ceramics which have piezoelectric responsiveness of substantial magnitude. For the sake of simplicity, the planar coupling coefficient (K p ) of the test disks is taken as a measure of the piezoelectric activity. Thus, within the range indicated by the points A BCDE (FIG. 2), which constituents range from O 1 O O to 0.500 mol percent
Pb(Zn13Nb213)O3,Pb (Zn 13 Nb 213 ) O 3 ,
0,125 bis 0,750 Molprozent PbTiO3 und 0,125 bi: 0,865 Moiprozent PbZiO3 einschließt, verbindender Linien begrenzt wird, alle polarisierten und getesteter0.125 to 0.750 mole percent of PbTiO 3 and 0.125 bi: 0.865 Moiprozent PbZiO 3 includes connecting lines is limited, all polarized and tested
Keramiken einen planaren Koppiungskoeffizienten von etwa 0,1 cder höher. Besonders zeigen die Keramiken in dem Bereich des Diagramms, der durch die Punkte FGHIJK (F i g. 2), welche Bestandteile von 0,010 bis 0,375 Molprozent von Pb(Zn1Z3Nb2Z3)Os, 0,250 bis Os625 Molprozent von PbTiO3 und 0,250 bis 0,625 Molprozent von PbZrO3 einschließt, verbindenden Linien begrenzt wird, (!inen planaren Kopplungskoeffizienten von annähernd 0,3 oder höher. Die Molprozente der drei Komponenten der Keramiken ABCDEFGHIJK sind wie folgt:Ceramics have a planar coupling coefficient of about 0.1 or higher. In particular, show the ceramics in the area of the diagram by the points FGHIJK (Fig. 2), which components from 0.010 to 0.375 mol percent of Pb (Zn 1 Z 3 Nb 2 Z 3 ) Os, 0.250 to O s 625 mol percent of PbTiO 3 and 0.250 to 0.625 mole percent of PbZrO 3 , is bounded by connecting lines, (! in planar coupling coefficients of approximately 0.3 or higher. The mole percentages of the three components of the ceramics ABCDEFGHIJK are as follows:
Ferner ergeben die Zusammensetzungen nahe der morphotropen Phasengrenze, insbesondereFurthermore, the compositions result in close to the morphotropic phase boundary, in particular
Pb(Zn,/3Nb2,3)0,3,5Ti0,:13Zr0>295O3,
Pb(Zni/3Nb2/3)0>i,Ti0i36Zr0i44O3 und
Pb(Zn113Nb2Z3)O107Ti0-11Zr0-49O3 Pb (Zn, / 3 Nb 2 , 3 ) 0 , 3, 5 Ti 0 ,: 13 Zr 0> 295 O 3 ,
Pb (Zni / 3 Nb 2/3) 0> i, Ti Zr 0i36 0i44 O 3 and
Pb (Zn 113 Nb 2 Z 3 ) O 107 Ti 0-11 Zr 0-49 O 3
keramische Produkte mit einem planaren Kopplungskoeffizienten von 0,56 und höher. ceramic products with a planar coupling coefficient of 0.56 and higher.
Es ist gefunden worden, daß die Zugabe von gemeinsamen Zusätzen von Nickeloxid und Manganoxid den Qm und den Kp der ternären festen Lösung, definiert durch den polygonalen Bereich in Fig. 2, welche aus drei Bestandteilen besteht, gemäß der FormelIt has been found that the addition of joint additions of nickel oxide and manganese oxide, the Q m and the K p of the ternary solid solution defined by the polygonal area in FIG. 2, which consists of three components, according to the formula
worin ν '■ y \ ζ \ ist,.χ zwischen 0,010 und 0.500, ν zwischen 0,125 und 0,750 und ζ zwischen 0,125 und 0.o(S5 ist, stärker vergrößert als eine einzelne Zugabe von Nickeloxid und Msnganoxid. Eine wirksame Kombination der Zusätze enthält 0,1 bis 5 Gewichtsprozent Nickeloxid (NiOi und O1I bis 5 Gewichtsprozent Manganoxid (MnO2).where ν '■ y \ ζ \ ,. χ between 0.010 and 0.500, ν between 0.125 and 0.750 and ζ between 0.125 and 0.o (S5 is larger than a single addition of nickel oxide and magnesium oxide. An effective combination of the additives contains 0.1 to 5 percent by weight nickel oxide (NiOi and O 1 I to 5 weight percent manganese oxide (MnO 2 ).
/ur Imcluig eines hohrn Qm und eines hohen λρ ; : ·.'■ _■; u r :·.::;:·_■,, ü,;l· u.··. genannte Kombination der *>° /lisät/c am Nickeloxid und Manganoxid ein Gewichtsverhältnis von 0.2 bis 10 aufweist. Wirksame Gewichtspiivcnic der genannten Kombination betragen nicht mehr ;i!s dn„ 1 in Zusatz von der genannten Kombination \on mehr al*. 7 (icuichtsprozent vermindert Ick iii (ten K1, und deutlich den Qm der ternären festen I i'Minp. I ine vorteilhafte Verbeserung des Kp und Qn, Jer ;crn;iren festen 1 osunp. die durch den polygonalen Bereich FGHIJK in F i g. 2, welche aus drei Bestandteilen besteht gemäß der Formel/ ur imcluig a high Q m and a high λ ρ ; : ·. '■ _ ■; ur: ·. ::;: · _ ■ ,, ü,; l · u. ··. mentioned combination of *> ° / lisät / c on nickel oxide and manganese oxide has a weight ratio of 0.2 to 10. Effective weight levels of the mentioned combination are no more; i! Sd n "1 in addition of the mentioned combination \ on more than *. 7 (icuicht per cent reduces Ick iii (th K 1 , and clearly the Q m of the ternary fixed I i'Minp. I ine advantageous improvement of the K p and Q n , Jer; crn; iren fixed 1 osunp. Which by the polygonal area FGHIJK in Fig. 2, which consists of three components according to the formula
Pb(Zn1Z3Nb213)^Ti11Zr2O3,
5Pb (Zn 1 Z 3 Nb 213 ) ^ Ti 11 Zr 2 O 3 ,
5
worin χ + y + ζ = 1 ist, χ zwischen 0,010 und 0,375, y zwischen 0,250 und 0,625 und ζ zwischen 0,250 und 0,625 ist, definiert und darin enthalten ist, kann durch Verwendung von 0,5 bis 1 Gewichtsprozent von derwherein χ + y + ζ = 1 , χ between 0.010 and 0.375, y between 0.250 and 0.625 and ζ between 0.250 and 0.625 can be defined and contained therein by using 0.5 to 1 weight percent of the
ίο zuzusetzenden Kombination von NiO und MnO2 in einem Gewichtsverhältnis von 0,5 bis 2 erzielt werden. Vorteilhafte Wirkungen von Zusätzen sind der umstehenden Tabelle zu entnehmen.ίο to be added combination of NiO and MnO 2 in a weight ratio of 0.5 to 2 can be achieved. The table below shows the beneficial effects of additives.
Die piezoelektrischen Keramiken können nach verschiedenen, an sich bekannten Keramikverfahren hergestellt werden. Ein vorteilhaftes Verfahren besteht in der Verwendung von PbO oder Pb3O4, ZnO, Nb2O6, TiO2, MnO2 und NiO.The piezoelectric ceramics can be produced by various ceramic processes known per se. One advantageous method is to use PbO or Pb 3 O 4 , ZnO, Nb 2 O 6 , TiO 2 , MnO 2 and NiO.
Die Ausgangsstoffe, nämlich Bleioxid (PbO), Zink-The starting materials, namely lead oxide (PbO), zinc
»0 oxid (ZnO), Niobpentoxid (Nb2O6), Titandioxid (TiO2), Zirkondioxid (ZrO2), MnO2 und NiO1, alle von relativem Reinheitsgrad (z. B. vom Grad: chemisch rein), werden in einer mit Kautschuk ausgekleideten Kugelmühle innig mit destilliertem Wasser gemischt.»0 oxide (ZnO), niobium pentoxide (Nb 2 O 6 ), titanium dioxide (TiO 2 ), zirconium dioxide (ZrO 2 ), MnO 2 and NiO 1 , all of a relative degree of purity (e.g. of the degree: chemically pure) intimately mixed with distilled water in a rubber-lined ball mill.
Beim Vermählen der Mischung muß einige Sorgfalt angewendet werden, um eine Verunreinigung durch Abnutzung der Mahlkugeln oder -steine zu vermeiden, es sei denn, die Anteile an den Bestandteilen werden so verändert, daß eine Verunreinigung kompensiertSome care must be taken when grinding the mixture to avoid contamination Avoid wear and tear on the grinding balls or stones, unless the proportions are in the ingredients changed in such a way that it compensates for an impurity
wird.will.
Nach dem Naßmahlen wird die Mischung getrocknet und durchmischt, um sicherzustellen, daß die Mischung so homogen wie möglich ist. Danach wird die Mischung in geeigneter Weise durch einen Druck von 400 kg/cm2 in die gewünschten Formen gebracht. Die Preßlinge werden unter Kalzinieren bei einer Temperatur von etwa 85O^C 2 Stunden lang vorerhitzt.After wet milling, the mixture is dried and mixed to ensure that the mixture is as homogeneous as possible. The mixture is then brought into the desired shapes in a suitable manner by a pressure of 400 kg / cm 2. The compacts are preheated with calcination at a temperature of about 850 ° C. for 2 hours.
Nach dem Kalzinieren läßt man das umgesetzte Material abkühlen und vermählt es dann zu einer kleinen Teilchengröße. Hierbei muß wiederum sorgfältig vorgegangen werden, um eine Verunreinigung durch Abnutzung der Mahlkugeln oder -steine zu vermeiden, es sei denn, die Anteile an den Bestandteilen werden so verändert, daß eine Verunreinigung kom-After calcination, the reacted material is allowed to cool and then it is ground into one small particle size. Again, this must be done carefully steps are taken to avoid contamination from wear and tear on the grinding balls or stones, unless the proportions of the constituents are changed in such a way that an impurity
pensiert wird. In Abhängigkeit unter anderem von den gewünschten Formen kann aus dem Material eine Mischung oder ein Schlamm gebildet werden, der bzw. die für das Pressen, Gleitgießen oder Strangpressen, je nach dem einzelnen Fall, nach für sich bekannten keramischen Verfahren geeignet ist. Die Beispiele, die nachfolgend die Daten angeben werden, wurden durch Mischen von 200 g der gemahlenen, vorgesinterten Mischung mit 10 cm3 destilliertem Wasser hergestellt. Die Mischung wurde dann zu Scheibenis retired. Depending inter alia on the desired shapes, a mixture or a slurry can be formed from the material which is suitable for pressing, slide casting or extrusion, depending on the individual case, according to ceramic processes known per se. The examples which are the data given below were prepared by mixing 200 g of the ground, presintered mixture with 10 cm 3 of distilled water. The mixture then became slices
von 20 mm Durchmesser und 2 mm Dicke mit einem Druck von 700 kg/cm2 zusammengepreßt. Die gepreßten Scheiben wurden bei einer Temperatur, die in der Tabelle angegeben ist, bei einer Erhitzungsdauer von 45 Minuten gebrannt. Nach der vorliegen- of 20 mm in diameter and 2 mm in thickness with a pressure of 700 kg / cm 2 . The pressed disks were fired at a temperature shown in the table for a heating time of 45 minutes. After the present
— ...—v.i£. uv v,j !!!,.in tiluiuti 11t.11, uic gepreuier- ...- v. i £ . uv v, j !!!,. in tiluiuti 11t.11, uic gepreuier
Scheiben in einer PbO-Atmosphäre zu brennen, und ist keine besondere Beaufsichtigung des Temperaturanstiegs in dem Ofen im Vergleich zu dem Stand dei Technik erforderlich. So können nach der vorliegenderBurning disks in a PbO atmosphere and is not a special oversight of temperature rise required in the furnace compared to the prior art. So can after the present
Erfindung einheitliche und ausgezeichnete "piezoelektrische keramische Produkte in bequemer Weise durch einfaches Abdecken der Proben mit einem Ton erdetiegel erhalten werden.Invention uniform and excellent "piezoelectric ceramic products in a convenient manner by simply covering the samples with a clay earth crucible are preserved.
koeffaCoupling
koeffa
ίοίο
Die gesinterten Keramiken werden auf beiden Oberflächen bis zu einer Stärke von einem Millimeter geschliffen. Die geschliffenen Scheibenoberflächen können dann mit Silberfarbe überzogen und unter Bildung von Silberelektroden gebrannt werden. Schließlich werden die Scheiben polarisiert, während sie in ein Bad aus Siliconöl von 100° C eingetaucht werden. Ein Gleichslromspannungsgradient von 4 Kilovolt je Millimeter wird 1 Stunde lang aufrechterhalten, und die Scheiben werden in 30 Minuten auf Raumtemperatur durch ein Feld abgekühlt (field-cooled).The sintered ceramics are ground on both surfaces up to a thickness of one millimeter. The ground disc surfaces can then be coated with silver paint and under formation be burned by silver electrodes. Eventually the panes become polarized while they are in a bath made of silicone oil at 100 ° C. A direct current voltage gradient of 4 kilovolts per millimeter is held for 1 hour and the disks come to room temperature in 30 minutes cooled by a field (field-cooled).
Die piezoelektrischen und dielektrischen Eigenschaften der polarisierten Proben werden bei 20 C in einer relativen Feuchtigkeit von 50°0 und bei einer Frequenz von 1 Kilohertz gemessen. Die Messung der piezoelektrischen Eigenschaften wurden mit der IRE-Standardanlage vorgenommen, und der planare Kopplungskoeffizient wurde durch die Resonanzfrequenz- und Antiresonanzfrequenzmethode bestimmt. Beispiele für spezielle Keramiken nach der Erfindung und verschiedene geeignete und elektromechanische und dielektrische Eigenschaften dieser Zusammensetzungen werden in der Tabelle angegeben, und einige dieser Werte sind in F i g. 3 und 4 dargestellt, um die Veränderungen durch die Zusätze zu veranschaulichen. Piezoelektrische Keramiken ohne Zusätze und mit nur einem Zusatz werden ebenfalls in der Tabelle und in F i g. 3 und 4 zum Vergleich angegeben. Aus der Tabelle ist leicht ersichtlich, daß alle beispielhaften Keramiken, die mit einem Zusatz von sowohl 0.1 bis 5 Gewichtsprozent Nickeloxyd als auch mit 0,1 bis 5 Gewichtsprozent Manganoxyd modifiziert worden sind, durch einen sehr hohen mechanischen Gütefaktor, eine hohe planare Kopplung, eine relativ hohe Dielektrizitätskonstante und einen niedrigen Dämpfungsfaktor ausgezeichnet sind, wobei alle diese Eigenschaften für die Benutzung von piezoelektrischen Keramiken bei Filteranwendungen bedeutungsvoll sind. Die Beispiele 1 bis 29, Beispiele 30 bis 35 und Beispiele 36 bis 40, die in der Tabelle aufgeführt sind, entsprechen den Keramiken, die in F i g. 2 durch X, Y und Z definiert sind. F i g. 3 zeigt den Effekt der MnOj-Zusatzanteile auf dem mechanischen Gütefaktor (Qm) und den planaren Kopplungskoeffizienten (Kp) von den als Beispiele angegebenen Grundkeramiken mit 1,0 Gewichtsprozent NiO-Zusatz. Aus dieser Figur der Zeichnung ist ersichtlich, daß die Keramiken, die mit gemeinsamen NiO- und MnO2-Zusätzen modifiziert sind, eine bemerkenswerte Verbesserung des mechanischen Gütefaktors und des planaren Kopplungskoeffizienten im Vergleich mit einer Keramik mit einem einfachen Zusatz von MnO2 aufweisen.The piezoelectric and dielectric properties of the polarized samples are measured at 20 C in a relative humidity of 50 ° 0 and at a frequency of 1 kilohertz. The measurement of the piezoelectric properties was made with the IRE standard equipment, and the planar coupling coefficient was determined by the resonance frequency and anti-resonance frequency method. Examples of specific ceramics according to the invention and various suitable and electromechanical and dielectric properties of these compositions are given in the table and some of these values are shown in FIG. 3 and 4 to illustrate the changes caused by the additions. Piezoelectric ceramics without additives and with only one additive are also shown in the table and in FIG. 3 and 4 given for comparison. From the table it is easy to see that all the exemplary ceramics that have been modified with an addition of both 0.1 to 5 percent by weight of nickel oxide and 0.1 to 5 percent by weight of manganese oxide by a very high mechanical quality factor, a high planar coupling, a relatively high dielectric constant and low damping factor are excellent, all of these properties being significant for the use of piezoelectric ceramics in filter applications. Examples 1 to 29, Examples 30 to 35 and Examples 36 to 40, which are listed in the table, correspond to the ceramics shown in FIG. 2 are defined by X, Y and Z. F i g. 3 shows the effect of the additional MnOj components on the mechanical quality factor (Qm) and the planar coupling coefficient (Kp) of the basic ceramics given as examples with an addition of 1.0 percent by weight of NiO. From this figure of the drawing it can be seen that the ceramics modified with common NiO and MnO 2 additions show a remarkable improvement in the mechanical quality factor and the planar coupling coefficient compared with a ceramic with a simple addition of MnO 2 .
ίο F i g. 4 zeigt den Effekt der NiO-Zusatzanteile auf den mechanischen Gütefaktor (Qm) und den planaren Kopplungskoeffizienten (Kp) von den als Beispiele angegebenen Grundkeramiken mit 0,5 Gewichtsprozent MnOj-Zusatz. Aus dieser Figur der Zeichnung ist ersichtlich, daß die Keramiken, die mit gemeinsamen MnO2- und NiO-Zusätzen modifiziert sind, eine bemerkenswerte Verbesserung des mechanischen Gütefaktors im Vergleich mit einer Zusammensetzung mit einem einfachen Zusatz von NiO aufweisen. Der planare Kopplungskoeffizient der Keramiken, die mit gemeinsamen MnO2- und NiO-Zusätzen modifiziert sind, weist einen etwas geringeren Wert auf, aber dieser Wert ist noch höher als der der Grundkeramik ohne Zusatz. Verbesserungen hinsichtlich des mechanischen Gütefaktors für eine andere Grundkeramik sind ebenfalls aus den Beispielen 32, 33, 35, 38 und 40 in der Tabelle zu ersehen. Aus der vorstehend erörterten Tabelle und den Kurven können die Werte für den mechanischen Gütefaktor, den planaren Kopplungskoeffizienten und die Dielektrizitätskonstante durch Auswahl der Grundkeramik und der Anteile an gemeinsamen Zusätzen eingestellt werden, so daß diese für die verschiedenen Anwendungen geeignet sind. Bei Keramiken, die die gemeinsamen Zusätze in einem Anteil von mehr als 7 Gewichtsprozent enthalten, ist eine Verbesserung des mechanischen Gütefaktors kaum feststellbar und ist der entsprechende planare Koppiungskoeffizient niedrig. Aus diesem Grunde sind diese Keramiken außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung.ίο F i g. 4 shows the effect of the additional NiO components on the mechanical quality factor (Q m ) and the planar coupling coefficient (K p ) of the basic ceramics given as examples with an addition of 0.5 percent by weight of MnOj. From this figure of the drawing it can be seen that the ceramics modified with common MnO 2 and NiO additions show a remarkable improvement in mechanical quality factor compared with a composition with a simple addition of NiO. The planar coupling coefficient of the ceramics that are modified with common MnO 2 and NiO additions shows a somewhat lower value, but this value is still higher than that of the basic ceramic without an additive. Improvements in terms of the mechanical quality factor for a different base ceramic can also be seen from Examples 32, 33, 35, 38 and 40 in the table. From the table discussed above and the curves, the values for the mechanical quality factor, the planar coupling coefficient and the dielectric constant can be adjusted by selecting the basic ceramic and the proportions of common additives so that these are suitable for the various applications. In the case of ceramics which contain the common additives in a proportion of more than 7 percent by weight, an improvement in the mechanical quality factor can hardly be determined and the corresponding planar coupling coefficient is low. For this reason, these ceramics are outside the scope of the present invention.
Außer den oben dargelegten überraschenden Eigenschaften ergeben die Keramiken nach der vorliegenden Erfindung Keramiken von guter physikalischer Qualität und guter Polarisierbarkeit.In addition to the surprising properties set out above, the ceramics according to the present invention result Invention of ceramics of good physical quality and good polarizability.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
Claims (1)
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5310467 | 1967-08-16 | ||
JP5310467 | 1967-08-16 |
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Family
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