DE1907199A1 - Piezoelectric ceramic material - Google Patents
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Description
Nippon Electric Company Limited 7-15» Shiba Gochorae, Minato-kuNippon Electric Company Limited 7-15 "Shiba Gochorae, Minato-ku
Tokio / JapanTokyo / Japan
Stuttgart, den 10.2.1969 P 2188 88/89Stuttgart, February 10, 1969 P 2188 88/89
Vertreter; Patentanwalt Dipl.-Ing. Max Bunke Representative; Patent attorney Dipl.-Ing. Max Bunke
7 Stuttgart 1 Schloßstr. 73 B 7 Stuttgart 1 Schloßstr. 73 B
Die Erfindung betrifft piezoelektrisches Keramikmaterial mit hervorragenden piezoelektrischen Eigenschaften*The invention relates to piezoelectric ceramic material having excellent piezoelectric properties *
Wichtige Maße für die praktische Auswertung der piezoelektrischen Eigenschaften von piezoelektrischen Material sind der elektromechanische Kopplungsfaktor und der mechanische Gütefaktor. Der erstere ist ein Maß für den Wirkungsgrad bei der Umwandlung.-von elektrischen Schwingungen in mechanische Schwingungen und bei der umgekehrten Umwandlung von The electromechanical coupling factor and the mechanical quality factor are important measures for the practical evaluation of the piezoelectric properties of piezoelectric material. The former is a measure of the efficiency in converting.-electrical vibrations into mechanical vibrations and in the inverse conversion of
0 0.9 8Q9/U730 0.9 8Q9 / U73
mechanischen Schwingungen in elektrische Schwingungen. Je größer der elektromechanische Kopplungsfaktor ist, um so höher ist der Umwandlungswirkungsgrad. Der mechnische Gütefaktor gibt das umgekehrte Verhältnis der vom Material während der Energieumwandlung verbrauchten Energie an; je größer der mechanische Gütefaktor ist, um so geringer ist der Energieverbrauch. mechanical vibrations into electrical vibrations. The bigger the electromechanical coupling factor, the higher the conversion efficiency. The mechanical quality factor indicates the inverse ratio of the energy consumed by the material during energy conversion; the greater the mechanical quality factor, the lower the energy consumption.
Eines der wesentlichen Anwendungsgebiete von piezoelektrischen Keramikmaterialien ist die Herstellung von Elementen für keramische Filter. Es ist in diesem Falle erforderlich, für den elektromechanischen Kopplungsfaktor den günstigsten Wert aus einem weiten, von einem extrem hohen Wert bis zu einem sehr kleinen Wert sich erstreckenden Bereich zu nehmen, und der mechanische Gütefaktor muß so groß wie möglich sein. Diese Verhältnisse sind beispielsweise von R&V« Macario in einem Aufsatz "Design Data for Band-Pass Ladder Filter Employing Ceramic Resonators" dargelegt, der in der Zeitschrift ELECTRONIC ENGINEERING, Bd. 33, Nr. 3 (I96I) auf S. 171 bis 177 erschienen ist.One of the main areas of application for piezoelectric ceramic materials is the production of elements for ceramic filters. It is necessary in this case for the electromechanical coupling factor take the cheapest value from a wide range extending from an extremely high value to a very small value, and the mechanical quality factor must be as large as possible. These relationships are, for example, from R&V "Macario in an essay" design Data for Band-Pass Ladder Filter Employing Ceramic Resonators "outlined, that in the magazine ELECTRONIC ENGINEERING, Vol. 33, No. 3 (I96I) on pp. 171 to 177.
Ein anderes wichtiges Anwendungsgebiet für piezoelektrisches Keramikmaterial sind die Wandlerelemente von mechanischen Filtern. In diesem Falle sollen sowohl der elektromechanische Kopplungsfaktor als auch der mechanische Gütefaktor so groß wie möglich sein.Another important field of application for piezoelectric ceramic material are the transducer elements of mechanical filters. In this case, both the electromechanical coupling factor and the mechanical quality factor should be as large as possible.
Das deutsche Patent Nr (Anmeldung P 17 71 I98.7) betrifft einenThe German patent no (application P 17 71 I98.7) relates to one
piezoelektrischen Keramikstoff der Zusammensetzung Pb(Sb. /_Z./_)O PbTiO -PbZrO . In der Formel steht Z für Nb oder Ta. Keramikstoffe dieser Art weisen zwar einen sehr hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor auf, der mechanische Gütefaktor ist aber stark herabgesetzt. Ihre Verwendungsmöglichkeit ist daher begrenzt. So sind sie für die Herstellung von Elementen für keramische Filter und von Wandlerelementen für mechanische Filter nicht geeignet«Piezoelectric ceramic with the composition Pb (Sb. /_Z./_)O PbTiO -PbZrO. In the formula, Z stands for Nb or Ta. Ceramic materials of this type have a very high electromechanical coupling factor, but the mechanical quality factor is greatly reduced. Their possible uses are therefore limited. They are not suitable for the production of elements for ceramic filters and transducer elements for mechanical filters «
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrundejpiezoelektrisch.es Keramikmaterial zu schaffen, das sowohl einen hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor als auch einen hohen mechanischen Gütefaktor aufweist. The invention is based on the object of creating a piezoelectric ceramic material which has both a high electromechanical coupling factor and a high mechanical quality factor.
Solches piezoelektrisches Keramikmaterial, das einen hohen oder in einem weiten Bereich wählbaren elektromechanischen Kopplungsfaktor und einenSuch a piezoelectric ceramic material having a high or in a electromechanical coupling factor and a
009809/1473 '009809/1473 '
I,I,
13071991307199
hohen mechanischen Gütefaktor aufweist, soll auf verschiedenen Gebieten wie die Herstellung von Elementen für keramische Filter und von Wandlerelementen für mechanische Filter angewendet werden, wo die genannten Eigenschaften benötigt werden.has a high mechanical quality factor, is said to be in various fields such as the manufacture of elements for ceramic filters and transducer elements for mechanical filters are applied where the properties mentioned are needed.
Die Erfindung betrifft piezoelektrisches Keramikmaterial, das im Wesentlichen aus einer festen Lösung der Komponenten Pb (Sb ^ /■&* The invention relates to piezoelectric ceramic material, which essentially consists of a solid solution of the components Pb (Sb ^ / ■ & *
und PbZrO- besteht, wobei Z eines der Elemente Niob (Nb) und Tantal (Ta) darstellt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß 0,10 bis 3,0 Gewichtsprozente Manganoxid (HnO) beigefügt sind und daß bis zu 25 Atomprozent Blei (Pb) durch mindestens eines der Elemente Barium (Ba), Strontium (Sr) und Kalzium (Ca) ersetzbar sind·and PbZrO-, where Z is one of the elements niobium (Nb) and tantalum (Ta) represents, which is characterized in that 0.10 to 3.0 percent by weight of manganese oxide (HnO) are added and that up to 25 atomic percent lead (Pb) by at least one of the elements barium (Ba), strontium (Sr) and Calcium (Ca) are replaceable
Ist für Z Niob (Nb) gewählt und ist die Grundzusammensetzung durch die Formel ^Pb(SbW3Nb1 /2)0, )x jPbTiO_J £ ^PbZrO J js gegeben, in der 2E. + Σ + L· - 1»00 Molanteile bedeuten, so soll die Grundzusammensetzung innerhalb eines Bereiches liegen, der durch die folgenden MolanteileZ is chosen for niobium (Nb), and the basic composition represented by the formula ^ Pb (SbW 3 Nb 1/2) 0,) x jPbTiO_J £ ^ js PbZrO J is given in Figure 2E. + Σ + L · - 1 »00 molar proportions, the basic composition should be within a range determined by the following molar proportions
Σ •
Σ
Ist für Z Tantal (Ta) gewählt und ist die Grundzusammensetzung durch die FOmIeI(Pb(SbW2Ta1Z2)O Jx (PbTiO J £ [pbZrO J z, gegeben, in der 2£ + Σ + — = 1»00 Molanteile bedeuten, so soll die Grundzusammensetzung innerhalb eines Bereiches liegen, die durch die folgenden MolanteileTantalum (Ta) is selected for Z and the basic composition is given by the formula (Pb (SbW 2 Ta 1 Z 2 ) O Jx (PbTiO J £ [pbZrO J z, in which 2 £ + Σ + - = 1 »00 Molar proportions mean, the basic composition should be within a range defined by the following molar proportions
3C, £ und .£. bestimmt ist:3C, £ and £. is determined:
0,01
0,01
0,05
0,30
0,300.01
0.01
0.05
0.30
0.30
0,050.05
Die Zufügung von Hanganoxid (MnO) im Ausmaß von 0,10 bis 3«0 Gewichtsprozenten zur Grundzusammensetzung verbessert den mechanischen Gütefaktor, ohne daß der elektromechanische Kopplungsfaktor nennenswert abnimmt. Somit liegt ein piezoelektrisches Keramikmaterial vor, das für Elemente 'vpn Keramikfiltern und Wandlerelementen für mechanische Filter geeignet ist»The addition of hangan oxide (MnO) in the amount of 0.10 to 3 «0 percent by weight to the basic composition improves the mechanical quality factor without the electromechanical coupling factor decreasing appreciably. Thus, there is a piezoelectric ceramic material that is used for elements 'vpn ceramic filters and transducer elements are suitable for mechanical filters »
Die ausgezeichneten piezoelektrischen Eigenschaften des Keramikmaterials nach der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von Beispielen » für Material nach der Erfindung hervor, die anhand der Zeichnungen gegeben wird.The excellent piezoelectric properties of the ceramic material according to the invention will emerge from the following description of examples for material according to the invention, which are given with reference to the drawings will.
Die Fig. 1 und 3 sind Diagramme der Zusammensetzung des Dreistoffsystems^ die den Bereich brauchbarer Grundzusammensetzungen von Keramikraaterial nach der Erfindung und die beispielshalber beschriebenen, besonderen Grundzusammensetzungen zeigen; Fig. 1 bezieht sich auf den Fall, daß für Z Niob (Nb), Fig. 2 auf den Fall, daß für Z Tantal (Ta) gewählt ist.1 and 3 are diagrams of the composition of the ternary system ^ covering the range of useful basic compositions of ceramic material according to the invention and show the particular basic compositions described by way of example; Fig. 1 relates to the case that for Z niobium (Nb), FIG. 2 for the case that tantalum (Ta) is selected for Z.
Die Fig. 2 und *f zeigen in graphischer Darstellung die Abhängigkeit des elektromechanischen Kopplungsfaktors und des mechanischen Gütefaktors von Keramikmaterial nach der Erfindung vom Gehalt an Manganoxid; Fig. bezieht sich auf den Fall, daß für Z Niob (Nb), Fig. 2 auf den Fall", daß für Z Tantal (Ta) gewählt ist. ·2 and * f show in graphical representation the dependence of the electromechanical coupling factor and the mechanical quality factor of ceramic material according to the invention on the content of manganese oxide; Fig. Relates to the case that for Z niobium (Nb), Fig. 2 to the case "where tantalum (Ta) is selected for Z. ·
Beispie Te.Example Te.
Sofern nichts anderes angegeben ist, wurden als Ausgangsstoffe pulverisiertes Bleioxid (PbO), Antimon-III-Oxid (Sb3O ), Niob-V-Oxid (Nb3O )t Titandioxid (Ti0?), Zirkoniumdioxid (ZrO ) und Mangankarbonat (MnCO-) verwendet, um Keramikmaterial des Dreistoff systems Pb(Sb1 /-,Nb1 ,_) 0,-PbTiO-PbZrO mit Manganoxid (MnO) zu erhalten» Diese pulverisierten Stoffe wurden so abgewogen, daß sie in den daraus zusammengesetzten Proben der Grundzusammensetzung mit veränderbaren Molanteilen 3C, ^L un<* L· auftreten konnten, und daß Manganoxid (MnO) in gewünschten Mengen von 0,00 bis 3»° Gewichtsprozenten zugefügt werden konnte, wie dies aus Tabelle 1 hervorgeht. Um zu Keramikmaterial der aus Tabelle 3 hervorgehenden Zusammensetzungen zu kommen, wurde ferner Bariumkarbonat (BaCO,), Unless otherwise specified, were used as starting materials in powdered lead oxide (PbO), antimony-III-oxide (Sb 3 O), niobium-V-oxide (Nb 3 O) t titanium dioxide (Ti0?), Zirconia (ZrO) and manganese carbonate ( MnCO-) used to obtain three-component ceramic material Pb (Sb 1 / -, Nb 1 , _) 0, -PbTiO-PbZrO with manganese oxide (MnO) »These pulverized substances were weighed so that they were in the samples composed of them the basic composition with variable molar proportions 3C, ^ L un < * L · could occur, and that manganese oxide (MnO) could be added in the desired amounts of 0.00 to 3 ° percent by weight, as can be seen from Table 1. In order to arrive at ceramic material with the compositions shown in Table 3, barium carbonate (BaCO,),
009809/U73 i009809 / U73 i
Strontiumkarbonat (SrCO ) oder Kalziumkarbonat (CaCO ) hinzugefügt. Bei den Stoffen nach Tabelle 3 sind u,-Atomprozent Blei (Pb) der Grundzusammensetzung mit den Molanteilen χ.» Σ un<* L· durch Barium (Ba), Strontium (Sr) oder Kalzium (Ca) ersetzt. Dies ist in der mit "Me" überschriebenen Spalte angegeben.Strontium carbonate (SrCO) or calcium carbonate (CaCO) added. For the substances according to Table 3, u, atomic percent is lead (Pb) of the basic composition with the molar proportions χ. » Σ un < * L · replaced by barium (Ba), strontium (Sr) or calcium (Ca). This is indicated in the column headed "Me".
Zur Erlangung von Keramikmaterial des Dreistoffsystems Pb(Sb, /„Ta.. /_)0,-PbTiO-PbZrO, mit einem Gehalt an Manganoxid (MnO) wurden als Ausgangsstoffe, sofern nicht anders angegeben, pulverisiertes Bleioxid (PbO), Antimon-III-Oxid (Sb2O ), Tantal-V-Oxid (Ta3O ), Titandioxid 2 Zirkoniumdioxid (ZrO ) und Mangankarbonat (MnCO ) verwendet.To obtain ceramic material of the three-component system Pb (Sb, / "Ta .. / _) 0, -PbTiO-PbZrO, with a content of manganese oxide (MnO), powdered lead oxide (PbO), antimony- were used as starting materials, unless otherwise stated. III oxide (Sb 2 O), tantalum V oxide (Ta 3 O), titanium dioxide 2 zirconium dioxide (ZrO) and manganese carbonate (MnCO) are used.
Auch in diesem Falle wurden die pulverisierten Stoffe so abgewogen, daß Grundzusammensetzungen mit zusätzlichem Agens (MnO) gebildet werden konnten, wie sie aus der Tabelle 2 hervorgehen. Um zu dem Keramikmaterial mit Zusammensetzungen nach Tabelle h zu kommen, wurden Bariumkarbonat (BaCO.,), Strontiumkarbonat (SrCO.,) oder Kalziumkarbonat (CaCO,) beigefügt. Nach Tabelle *f sind ii-Atomprozent Blei (Pb) der Grundzusammensetzung aus den Komponenten Pb(Sb ,_Ta1 /?)0 , PbTiO und PbZrO mit den Molanteilen x.» ^L unc* 2. durch einen Anteil Me (Ba, Sr oder Ca) ersetzt. Hierbei wurden das Antimon-III-Oxid (Sb_O,), das Mangankarbonat (MnCO.,) und das Barium-, Strontium- oder Kalziumkarbonat (BaCO,, SrCO oder CaCQ.) so abgewogen, wie es die Rechnung auf der Basis von Antimon-V-Oxid CSh3O-), Manganoxid (MnO) und Barium-, Strontiumr oder Kalziumoxid (BaO, SrO oder CaO) ergibt.In this case, too, the pulverized substances were weighed so that basic compositions with an additional agent (MnO), as shown in Table 2, could be formed. In order to arrive at the ceramic material with compositions according to table h , barium carbonate (BaCO.,), Strontium carbonate (SrCO.,) Or calcium carbonate (CaCO,) were added. According to table * f, ii atomic percent lead (Pb) is the basic composition of the components Pb (Sb, _Ta 1 / ? ) 0, PbTiO and PbZrO with the molar proportions x. » ^ L unc * 2. replaced by a part Me (Ba, Sr or Ca). The antimony III oxide (Sb_O,), the manganese carbonate (MnCO.,) And the barium, strontium or calcium carbonate (BaCO ,, SrCO or CaCQ.) Were weighed as the calculation based on antimony -V oxide CSh 3 O-), manganese oxide (MnO) and barium, strontium or calcium oxide (BaO, SrO or CaO) results.
Die genannten pulverisierten Stoffe wurden in einer Kugelmühle mit destiliertem Wasser gemischt. Das gemischte Pulver wurde gefiltert, getrocknet, zerkleinert, eine Stunde lang bei 9OO C vorgesintert und erneut zerkleinert. Anschließend wurden die Mischungen mit einem geringen Susatz von destiliertem Wasser unter einem Druck von ?00 kg/om in Scheiben von 20 mm Durchmesser gepresst und eine Stunde lang bei einer Temperatur von 1260 bis I3OO0 C in einer Atmosphäre von Bleioxid (PbO) gesintert. Die entstandenen Keramikscheiben wurden an beiden Oberflächen auf eine Dicke von einem Millimeter abgeschliffen und auf beiden Oberflächen mit einer Silberelektrode versehen. Die Proben gemäß den Tabellen 1 und 3 wurden anschließend durch eine einstUndige Polarisationsbehandlung bei 100° C und unter Anlegung eines elektrischen GleichstromfeldesThe above pulverized materials were mixed with distilled water in a ball mill. The mixed powder was filtered, dried, crushed, presintered at 900 ° C. for one hour, and crushed again. Subsequently, the mixtures were pressed with a low Susatz of distilled water under a pressure of 00? Kg / om in discs of 20 mm diameter and sintered for one hour at a temperature of 1260 to I3OO 0 C in an atmosphere of lead oxide (PbO). The resulting ceramic disks were ground to a thickness of one millimeter on both surfaces and provided with a silver electrode on both surfaces. The samples according to Tables 1 and 3 were then subjected to a one-hour polarization treatment at 100 ° C and with the application of a direct current electric field
009809/U73 · 009809 / U73 ·
von ^O kV/cm piezoelektrisch aktiviert. Bei den Proben nach den Tabellen 2 und k mit bis zu 20 Molprozenten der Komponente Pb(Sb./2 Ta1 /2^3 be~ trug die Feldstärke 50 kV/cm, und bei Proben nach den Tabellen 2 und 4 mit mehr als 20 Molprozenten der erwähnten Komponente herrschte Zimmertemperatur und das elektrische Gleichfeld betrug 50 kV/cm.of ^ O kV / cm piezoelectrically activated. For the samples according to Tables 2 and k with up to 20 mol percent of the component Pb (Sb./ 2 Ta 1/2 ^ 3 be ~, the field strength was 50 kV / cm, and for samples according to Tables 2 and 4 with more than Room temperature prevailed for 20 mole percent of the component mentioned and the constant electric field was 50 kV / cm.
Nach 2h Stunden v/urde zur Bestimmung der piezoelektrischen Aktivitäten der elektromechanische Kopplungsfaktor für Radialschwingungen (k ) und " der mechanische Gütefaktor (Q ) gemessen. Die Messung dieser piezoelektrischen Eigenschaften erfolgte gemäß der IRE-Normschaltung. Der Wert k wurde nach der Resonanz-Antiresonanzfrequenzmethode errechnet. Bei einer Frequenz von 1 kHz wurden auch die Dielektrizitätskonstante ( S ) * und der dielektrische Verlustfaktor (tan O ) gemessen.After 2 hours, the electromechanical coupling factor for radial vibrations (k) and the mechanical quality factor (Q) were measured to determine the piezoelectric activities. These piezoelectric properties were measured in accordance with the IRE standard circuit. The value k was determined using the resonance-antiresonance frequency method The dielectric constant (S ) * and the dielectric loss factor (tan O ) were also measured at a frequency of 1 kHz.
Die Tabellen 1 bis k geben die Ergebnisse wider. Die Proben sind in den Tabellen nach ihrem Gehalt an Pb(Sb1/»Ζ. ,_)0 in der Grundzusammensetzung geordnet (Z steht für Nb oder Ta). Die Proben mit der gleichen Grundzusammensetzung sind nach der ansteigenden Menge des zusätzlichen Agens MnO geordnet. In den Fig. 1 und 3 sind die Grundzusammensetzungen nach den Tabellen 1 bzw. 2 durch Punkte eingetragen.Tables 1 to k show the results. The samples are arranged in the tables according to their Pb (Sb 1 / »Ζ., _) 0 content in the basic composition (Z stands for Nb or Ta). The samples with the same basic composition are sorted according to the increasing amount of the additional agent MnO. In FIGS. 1 and 3, the basic compositions according to Tables 1 and 2 are entered by dots.
Die Tabellen 1 und 2 zeigen, daß die Zufügung von 0,10 bis 3»0 Gewichtsprozenten MnO zu den Grundzusammensetzungen Pb(Sb. /-Nb.. ,_)0 -PbTiO,-Tables 1 and 2 show that the addition of 0.10 to 3 »0 percent by weight MnO to the basic composition Pb (Sb. / -Nb .., _) 0 -PbTiO, -
PbZrO- und Pb(Sb. /-,Ta„ /_)0-z-PbTi0-,-PbZr0, zu einem erhöhten oder in einem 3 1/2 1/2 3 3 3PbZrO- and Pb (Sb. / -, Ta " / _) 0- z -PbTi0 -, - PbZr0, to an increased or in a 3 1/2 1/2 3 3 3
weiten Bereich streuenden Wert von k und zu einem stark erhöhten Wert g r a wide range of values of k and a greatly increased value of g r
von Q führt. Durch diese Beifügung entsteht also ein ausgezeichnetes Material für die Elemente von keramischen Filtern^ die Wandlerelemente von mechanischen Filtern und für andere Anwendungsgebiete, in denen sowohl ein hoher oder in einem weiten Bereich sich bewegender Faktor k und ein großer Faktor Q erforderlich sind» Die Fig. 2 und k zeigen den Zusammenhang zwischen dem Gehalt an MnO und, den sich zeigenden piezoelektrischen Eigenschaften (k und Q ) für, die Proben Nr. 10 bis 16 der Tabelle 1 bzw. Nr. 51 bis 57 der Tabelle 2 als typischen Beispielen· Man erkennt aus diesen beiden Fig. deutlich, daß ausgezeichnete piezoelektrische Eigenschaften vorliegen, wenn der Gehalt an MnO innerhalb des Bereiches von 0,10 bis 5,0 Gewichtsprozenten liegt. from Q leads. This addition creates an excellent material for the elements of ceramic filters ^ the transducer elements of mechanical filters and for other areas of application in which both a high or a wide range of factor k and a large factor Q are required. 2 and k show the relationship between the MnO content and exhibited piezoelectric properties (k and Q) for Samples Nos. 10 to 16 of Table 1 and Nos. 51 to 57 of Table 2, respectively, as typical examples · Man clearly recognizes from these two figures that the piezoelectric properties are excellent when the content of MnO is within the range of 0.10 to 5.0% by weight.
009809/U73 ·009809 / U73
von HnO nur eine peringe Verbesserung der piezoelektrischen Eigenschaf-' ton. Liegt der Gehalt von MnO oberhalb von 3,0 Gewichtsprozenten, so füllt Q erheblich ab, und es wird schwierig}eine gleichförmige feste Lösung des zusätzlichen Agens und der Grundzusammensetzung herzustellen und die Polarisationsbehandlung durchzuführen. Somit ist der brauchbare Bereich für den MnO-Gehalt auf 0,10 bis 3,0 Gewichtsprozente festgelegt.from ENT there is only a slight improvement in the piezoelectric properties. If the content of MnO above 3.0 weight percent, then Q fills from considerably, and it is difficult to produce a uniform solid solution} of the additional agent and the base composition and to perform the polarization treatment. Thus, the useful range for the MnO content is set to be 0.10 to 3.0 percent by weight.
Ferner ißt festgestellt worden, daß die besten piezoelektrischen Eigenschaften verfügbar sind, wenn die Grundzusammensetzungen der FormelIt has also been found to have the best piezoelectric properties are available when the basic compositions of the formula
in der 3c + £ + z_ = 1,00 die Molanteile bedeuten,'und wenn für Z Niob (Nb) Cev/ählt ist, innerhalb des Vielecks A-B-C-D-E der Fig. 1 der Zeichnungen liegen oder - wenn für Z Tantal (Ta) gewählt ist - innerhalb dee Vielecks F-G-H-I-J-K der Fig. 3 der Zeichnungen. Die Molanteilskoordinaten x.» £ und 2. für die Ecken der Vielecke»sind folgende:in which 3c + £ + z_ = 1.00 mean the molar fractions, 'and if for Z niobium (Nb) Cev / is within polygon A-B-C-D-E of Figure 1 of the drawings lie or - if tantalum (Ta) is selected for Z - within the polygon F-G-H-I-J-K of Figure 3 of the drawings. The mole fraction coordinates x. » £ and 2. for the corners of the polygons »are as follows:
Wenn die Grundzusammensetzungen nicht innerhalb der bezeichneten Flächen liegen, so weisen diese Keramikstoffe nur ziemlich mäßige oder gar unbrauchbare piezoelektrische Eigenschaften auf.If the basic compositions are not within the designated areas these ceramic materials have only moderate or even unusable piezoelectric properties.
Aun den Tabellen 3 u*id ^ geht hervor, daß ausgezeichnete piezoelektrische Eigenschaften auch bei Keramikmaterial vorliegt, bei dem ein Teil des Blei (Pb) der Grundzusammensetzung durch Ba, Sr oder Ca ersetzt ist. ImIt can be seen from Tables 3 u * id ^ that excellent piezoelectric properties are also found in ceramic material in which part of the lead (Pb) of the basic composition is replaced with Ba, Sr or Ca. in the
009809/U73 ·009809 / U73
allgemeinen kann mindestens eines der Elemente Ba, Sr und Ga bis zu 2$ Atomprozent des in der Grundzusammensetzung enthaltenen Bleies (Pb) ersetzen. Die durch die Beifügung von MnO hinsichtlich der piezoelektrischen Eigenschaften erzielte Verbesserung beruht auf der Anwesenheitin general, at least one of the elements Ba, Sr and Ga can be up to 2 $ Replace the atomic percent of the lead (Pb) contained in the base composition. The result of the addition of MnO in terms of the piezoelectric The improvement achieved in properties is due to the presence
von Manganionen. Es sind verschiedene Verfahren bekannt, um Manganionen freizusetzen.. Z.B. können Manganionen dadurch eingeführt werden, daß als Ausgangsmaterial Manganoxid selbst wie MnO oder MnO- oder andere Manganverbindungen wie MnCO-, das bei erhöhter Temperatur leicht zerfällt und Manganoxid bildet, benutzt werden. Wenn eine andere Manganverbindung als MnO benutzt wird, so sollte dies in der Menge geschehen, die sich auf der Basis MnO errechnet. Bei den obigen Beispielen ist meist MnCO, anstelle von MnO verwendet, und bei den Beispielen nach den Nr. 1*f, 18 und * 25 der Tabelle 1 und 7, 30, 55, 72 und 77 der Tabelle 2 wurde MnO3 benutzt. 'of manganese ions. Various methods are known for releasing manganese ions. For example, manganese ions can be introduced by using manganese oxide itself, such as MnO or MnO- or other manganese compounds such as MnCO-, which easily decomposes at elevated temperature and forms manganese oxide, as the starting material. If a manganese compound other than MnO is used, this should be done in the amount that is calculated on the basis of MnO. In the above examples, MnCO is mostly used instead of MnO, and in the examples according to Nos. 1 * f, 18 and * 25 of Table 1 and 7, 30, 55, 72 and 77 of Table 2, MnO 3 was used. '
Es ist klar, daß die bei der Herstellung von Keramikmaterial nach der Erfindung zu benutzenden Ausgangsstoffe nicht auf diejenigen beschränkt sind, die bei den genannten Beispielen verwendet wurden. So kann zur Bildung der gewünschten Zusammensetzungen anstelle jedes Ausgangsstoffes der aufgeführten Beispiele ein Oxid genommen werden, das bei erhöhter Temperatur leicht zerfällt, z«B· Pb-zCh anstelle von PbO. Auch Salze wie Oxalate oder Karbonate, die bei erhöhter Temperatur leicht in die entsprechenden Oxide zerfallen, können anstelle der bei den Beispielen verwendeten Oxide benutzt werden. Ferner können anstelle der Oxide Hydroxide mit den obengenannten Eigenschaften verwendet werden, z.B. Nb(OHX ansteHe von Nb2Oj-. Ferner kann ein ausgezeichnetes piezoelektrisches Keraitiikmaterial· mit den aufgeführten Beispielsstoffen gleichen Eigenschaften auch dadurch erhalten werden, daß die pulverisierten Stoffkomponenten ' Pb(Sb1^2Nb1 y2)0_ oder Pb(Sb1^3Ta1/2)0_f PbTiO, und PbZrO- und der pulverisierte Ausgangsstoff für MnO im voraus getrennt bereitgestellt werden und als Ausgangsstoffe für die nachfolgende Mischung verwendet werden.It is clear that the starting materials to be used in the manufacture of ceramic material according to the invention are not limited to those used in the examples mentioned. For example, to form the desired compositions, instead of each starting material in the examples given, an oxide can be used which decomposes easily at elevated temperature, e.g. Pb-ZCh instead of PbO. Salts such as oxalates or carbonates, which easily break down into the corresponding oxides at elevated temperature, can also be used instead of the oxides used in the examples. Furthermore, instead of the oxides, hydroxides with the above-mentioned properties can be used, e.g. Nb (OHX instead of Nb 2 Oj-. Furthermore, an excellent piezoelectric ceramic material with the listed example substances having the same properties can also be obtained by using the pulverized substance components' Pb (Sb 1 ^ 2 Nb 1 y 2) 0_ or Pb (Sb 1 → 3 Ta 1/2) 0_ f PbTiO, and are provided PbZrO- and the powdered raw material for MnO in advance separated and used as starting materials for the subsequent mixture.
Die im Handel erhältlichen Stoffe Niob-V-Oxid (Nb2O5), Tantal-V-Oxid (Ta2O5) und Zirkoniumdioxid (ZrO ) enthalten gewöhnlich einige Prozente Tantal-V-0xid (Ta3O ), Niob-V-Oxid (Nb3O ) und Hafniumdioxid (HfOg). Die Keramikzusammensetzungen nach der Erfindung dürfen-kleine Mengen solcher Oxide oder Elemente, vie sie in den int Handel befindlichen Stoffen auftreten, enthalten» . . v , *The commercially available substances niobium V oxide (Nb 2 O 5 ), tantalum V oxide (Ta 2 O 5 ) and zirconium dioxide (ZrO) usually contain a few percent tantalum V oxide (Ta 3 O), niobium V oxide (Nb 3 O) and hafnium dioxide (HfOg). The ceramic compositions according to the invention may contain small amounts of such oxides or elements as they occur in commercially available substances ". . v , *
009809/U73 \ ; 009809 / U73 \ ;
Angegeben und näher beschrieben wurden die Zusammensetzungen nach der Erfindung, die sich bisher als besonders günstig erwiesen haben« Es ist aber klar, daß auch weitere Abwandlungen im Rahmen der Erfindung liegen t nämlich alle Keramikzusammensetzungen, die durch die nachfolgenden Ansprüche erfaßt werden·Specified and described in more detail, the compositions were according to the invention, which have so far proved to be particularly favorable, "But it is clear that further modifications within the scope of the invention are t even all ceramic compositions which are detected by the following claims ·
009 80 9/U73009 80 9 / U73
zusammensetzungMole fractions the reason
composition
liches
Agens
MnO,Additive
liches
agent
MnO
tan σ1
tan σ
yd Λ/Ζ?yd Λ / Ζ?
2.3 1
2.3
j 1.0
j
ιι
ΟΟ9Ε09-/Κ73ΟΟ9Ε09- / Κ73
No.No.
- 11 -- 11 -
MnOMnO
tantan
21.· 22. 23, 24.21. · 22. 23, 24.
25.*25. * 26.26th 27.27 28t*28t * 29.29 30.30th 31.31.
32.*32. * 33.33. 34.34. 35.35. 3Θ.3Θ.
37.37. 38.38.
39.*39. * 40.40. 41.41. 42.42. 43.43.
0.050.05
0.050.05
0.050.05
0.050.05
0.050.05
0.200.20
0.400.40
0.480.48
0 0 9 8|Q9 /«147 30 0 9 8 | Q9 / «147 3
- 12 -- 12 -
MnOMnO QmSqm
f.f.
tan (Γtan (Γ
44.*44. *
0.050.05
0.020.02
0.010.01
0.010.01
0.550.55
0.470.47
0.090.09
0.610.61
0.400.40
0.510.51
0.Θ00.Θ0
0.380.38
009809^1473009809 ^ 1473
- 13 Tabelle - 13 table
Holanteile der Grundzusammenset zunp;Hol components of the basic composition Zunp;
PbZr0PbZr0
rk
r
16.* 17. 18. 19. 20. ·16. * 17. 18. 19. 20. ·
0.300.30
0.300.30
0.300.30
0.200.20
0.050.05
0.300.30
0.400.40
0.200.20
0.650.65
0.400.40
0.300.30
0.600.60
009 8D9/U7009 8D9 / U7
- Hf -- Hf -
No. χ ϊ No. χ ϊ ζ MnO kr Qm £ ten j"ζ MnO kr Qm £ ten j "
21.* 0.20 0.40 0.4021. * 0.20 0.40 0.40
22. "22. "
24. ■ " " "24. ■ "" "
28.* Q.10 0.10 0.8028. * Q.10 0.10 0.80
3Ot* " " ".3Ot * "" ".
31. " "31. ""
33.* 0.10 0.43 0.4733. * 0.10 0.43 0.47
35. " " H 35. "" H.
36. M " "36. M ""
38.* 0.05 0.05 0.Θ038. * 0.05 0.05 0.Θ0
39 " " "39 "" "
40. " "40. ""
42.* 0.05 0.30 ' 0.6542. * 0.05 0.30 '0.65
43. " " μ43. "" µ
44. " " M 44. "" M.
tantan
46.*46. *
51.*51. *
55t*55t *
57.57.
58.*58. *
64.* 65. 66. 67.64. * 65. 66. 67.
0.050.05
0.050.05
0.050.05
0.050.05
0.350.35
0.480.48
0.650.65
0.600.60
0.455 0.4Θ50.455 0.4Θ5
0.470.47
0.300.30
009809/U73009809 / U73
No. χ χ No. χ χ ζ Μη0 *r Qm £ tan <f ζ Μη0 * r Qm £ tan <f
68.* 0.02 0.47 0.5168. * 0.02 0.47 0.51
■ 69. " " "■ 69. "" "
71. . Μ " " 72** " " Μ 71.. Μ "" 72 ** "" Μ
W 75.* 0.01 0.09 0.90 W 75. * 0.01 0.09 0.90
77t* " " ti77t * "" ti
79.* 0.01 Ο.βδ 0.4479. * 0.01 Ο.βδ 0.44
Anm.i Die Proben, deren Nummern mit einem Stern (*) versehen Bind* liegen nicht im Rahmen der Erfindung. 'Note i The samples whose numbers are marked with an asterisk (*) Bind * are not within the scope of the invention. '
Bei der Herstellung der mit einem Doppelstern gekennzeichneten Proben wurde als einer der Ausgangsstoffe Mangandioxid CMnO-) an Stell von Mangankarbonat (MnCO-) verwendet·In the manufacture of those marked with a double star Samples were used as one of the starting materials manganese dioxide CMnO-) instead of manganese carbonate (MnCO-)
009809/1473 ν ' '009809/1473 ν ''
ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED
33
PbTiO -from
PbTiO -
I Il
I.
IlIl
560 _ 13_10
560
IlIl
00 9 8 Il
00 9 8
3,0 .
U73 P, 59
3.0.
U73
26 51
26th
500
•1 "76Ö *"
500
•
2424
ItIt
Il
09/ Il
Il
09 /
System von Pb(Sbi/2Nb1/2)O - PbTiO3 - PbZrOSystem of Pb (Sb i / 2 Nb 1/2 ) O - PbTiO 3 - PbZrO
Sys'tera von Pb(Sb1/2Ta1/2)03 - PbTiO3 - PbZrO3 Sys'tera of Pb (Sb 1/2 Ta 1/2 ) 0 3 - PbTiO 3 - PbZrO 3
0 0 9809/U730 0 9809 / U73
Di/2ia1/ D i / 2 ia 1 /
009809/U73009809 / U73
Claims (3)
Zirkoniumdioxid (ZrO ), die einige Prozente Tantal-V-Oxid (Ta3O-), Niob-V-Oxid (Nb2O5) bzw. Hafniumdioxid (HfO-) enthalten, als drei der Ausgangsstoffe. 3. Piezoelectric ceramic material according to claim 1 and 2, characterized by commercially available niobium V oxide (Nb 3 O-), tantalum V oxide (Ta_0) and
Zirconium dioxide (ZrO), which contains a few percent tantalum V oxide (Ta 3 O-), niobium V oxide (Nb 2 O 5 ) or hafnium dioxide (HfO-), as three of the starting materials.
mechanische Filter. k. Use of ceramic material according to claims 1 to 3 for the production of components for ceramic filters and transducer elements for
mechanical filters.
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-
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