DE1938318B2 - Piezoelektrischer koerper aus keramischem, ferroelektrischem material mit perowskitstruktur - Google Patents

Piezoelektrischer koerper aus keramischem, ferroelektrischem material mit perowskitstruktur

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DE1938318B2 DE19691938318 DE1938318A DE1938318B2 DE 1938318 B2 DE1938318 B2 DE 1938318B2 DE 19691938318 DE19691938318 DE 19691938318 DE 1938318 A DE1938318 A DE 1938318A DE 1938318 B2 DE1938318 B2 DE 1938318B2
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Description

A\yund zfolgende Werte haben:
A-=0,465, 7=0,420, z=0,115.
3. Piezoelektrischer Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben den Anteilen an MnO2 und Al2O3 im Dreistoffsystem
A-PbTiO3-A-PbZrO3-zPb(Mg0,5Wo,5)03 x,yund zfolgende Werte haben:
a-=0,450, y=0,435, z=0,115.
4. Piezoelektrischer Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben den Anteilen an MnO2 und AI2O3 im Dreistoffsystem
xPbTiO3-yPbZrO3-zPb(Mg0.5W0,5)O3 A-,yund zfolgende Werte haben:
x=0,480, 7=0,420, z=0,100.
5. Piezoelektrischer Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben den Anteilen an MnO2 und AI2O3 im Dreistoffsystem
A-PbTiO3-7PbZrO3-zPb(Mg0,5 W0.5)O3 A-,yund zfolgende Werte haben:
a-=0,480, 7=0,435, Z= 0,085.
6. Piezoelektrischer Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben den Anteilen an MnO2 und AI2O3 im Dreistoffsystem
A-PbTi03-7PbZr03-zPb(Mgo,5W0.5)03 x,yund zfolgende Werte haben:
A-=0,465, 7=0,450, Z= 0,085. PbTiO3- PbZrO3- Pb(A1B)O3
unterstellt. Dabei können für A u. a. die chemischer Elemente Mn oder Mg vorhanden sein, während B u. a die chemischen Elemente Sb, Nb, Ta und Bi sowie V, darstellt.
Es wird dabei von der Vorstellung ausgegangen, daß hinsichtlich der Gesamtwertigkeit der im Perowskitgitter eingebauten Elemente die Wertigkeitssumme von A +B die Wertigkeit der durch sie ersetzten vierwertigen Elemente, Ti bzw. Zr kompensiert. Im Falle der Kombination Mn+ Sb ist es beispielsweise möglich, die Hälfte der Wertigkeit der substituierten Perowskitbildner durch Mn3+ und die andere Hälfte durch Sb^ + darzustellen, so daß ein Dreistoffsystem
PbTiO3-PbZrO3-Pb(Mn05Sb0-5)O3
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Körper, der aus keramischem, ferroelektrischem Material mit Perowskitstruktur besteht, dessen Bestandteile dem Dreistoffsystem
PbTiOj- PbZrO j - Pb(Mg0,5W0.5)O3
angehören und das neben MnOj weitere Zusatzstoffe enthält.
resultiert.
Es ist aber auch möglich, daß nur V3 der Wertigkeit der ersetzten Elemente durch Mangan und 2Z3 durch Antimon oder andere Elemente entsprechender Wertigkeit ersetzt wird, so daß ein Dreistoffsystem
PbTiO3- PbZrO3- Pb(Mn0,33Sb0.67)O3
resultiert.
Gleiches gilt für den Ersatz von Ti bzw. Zr durch Magnesium und Niob, so daß ein System
PbTiO3- PbZrO3- Pb(Mg0j3Sb0,67)O3 folgt.
Für dieses zuletzt genannte System ist es darüberhinaus bekannt, daß durch Zusatz von MnO2 in Mengen zwischen 0,2 und 3%, insbesondere bei 1% der elektromechanische Kopplungsfaktor /rund der mechanische Gütefaktor Q gleichzeitig erhöht werden. Entsprechendes läßt sich aus dem bekannten Stand der Technik auch für das System
PbTiO3- PbZrO3- Pb(Mgo.5 Wo,5)03 ,·
auf das sich die vorliegende Erfindung bezieht, ableiten. Bei der Betrachtung von Zusatzstoffen zu den oben erwähnten, bekannten Systemen ist in aller Regel davon auszugehen, daß für die Herstellung piezoelektrischer Körper besonders reine Ausgangssubstanzen verwendet werden müssen, deren Verunreinigungspegel so gering ist, daß Zusätze in kleinen Mengen die als Verunreinigung gegebenenfalls bereits vorhandenen Bestandteile in bezug auf die Auswirkung auf die elektrischen Eigenschaften noch erhöhen, d. h. daß von wenigstens chemisch reinen Ausgangssubstanzen auszugehen ist, so daß piezoelektrische und dielektrische Eigenschaften durch diese kleinen Mengen an Zusatzstoffen merklich variiert werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die an sich Dereits guten Werte der obengenannten Dreistoffsysteme, insbesondere des Systems
FbTiO3- PbZrO3- Pb(MgC5Wa5)O3
noch zu erhöhen, d. h. eine Verbesserung des elektromechanischen Kopplungsfaktors k und des mechanischen Gütefaktors Q sowie eine Erhöhung des ε-Wertes zu erzielen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist der elektromechanische Körper, der aus keramischem, ferroelektrischem Material mit Perowskitstruktur besteht, dessen Bestandteile dem Dreistoffsystem
PbTiO3-PbZrO3-Pb(Mgo,5W0,5)03
angehören und das neben MnO2 weitere Zusatzstoffe enthält, erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten des Dreistoffsystems in den Grenzen PbTiO3 41 bis 49 Mol-%, PbZrO3 37 bis 49 Mol-% und Pb(Mgo,5Wo,5)03 5 bis 18 Mol-% liegen, daß der Gehalt an MnO2 bei 1 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Bestandteile liegt, und daß ein Anteil von etwa 0,15 Gew.-% Al2O3, bezogen auf das Gesamtgewicht der Bestandteile, vorhanden ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele ergeben sich aus der nachfolgend aufgeführten Tabelle.
Materialwerte von Keramik des Dreistoffsystems
A-PbTiO3 - yPbZrO3 — zPb(Mgo,sWo,5)03
bei 0,4% PbO-ÜberschuReirAvaagc und 1% MnOs-Gehait:
In dieser Tabelle ist zunächst die Zusammensetzung des Dreistoffsystems
XPbTiO3, yPbZrO3, ^Pb(Mg0.5Wo.5)o3
angegeben.
Es folgen die Werte, die ohne Zusatz von Al2O3 erreicht werden, und dann die Werte, die mit einem Zusatz von 0,15% Al2O3 erzielt werden.
Ferner ist in der Tabelle davon ausgegangen, daß für die Herstellung der Piezomassen bzw. -körper die beim chemischen Umsatz und bei der Sinterung eintretenden Abdampfverluste an PbO durch Einwaage eines Überschusses von 0,4% PbO kompensiert werden.
Die Herstellung der Körper kann sowohl durch Verwendung einzeln vorgebrannter Bleititanate, Bleizirkonate und Bleimagnesiumwolframate durch Sinterung der gepreßten Körper bei 11OO bis 1250°C für zwei Stunden erfolgen; vorteilhafter ist es. die einzelnen Komponenten in Oxidform oder in Oxide liefernder Form (Carbonate), anteilmäßig im Hinblick auf die gewünschten stöchiometrischen Verhältnisse eingesetzt, miteinander bei ca. 800 bis 100O0C zur Reaktion zu bringen und danach durch Sinterung der geformten Körper bei 1100° bis 125O0C für zwei Stunden das Endprodukt zu erhaiien, wobei für die Herstellung von Körpern aus Perowskitstruktur besitzenden Materialien hinreichend bekannte keramische Verfahrensschritte zur Anwendung gelangen.
X y 0,115 Ohne AbOi Jt Q Mit 0,15% AI2O3 O
0,115 ί 0,46 850 e A 1150
0,46:5 0,420 0,100 1600 0,43 1250 1870 0,62 1550
0,450 0,435 0,085 680 0,46 850 850 0,54 1270
0,480 0,420 0,085 1420 0,43' 800 1700 0,55 1100
0,480 0,435 1510 0,49 650 1760 0,58 800
0,465 0,450 1090 1360 0,61
Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß durch den Zusatz relativ geringer Mengen AlO3 beträchtliche Verbesserungen hinsichtlich der elektromechanischen Kopplung, der mechanischen Güte und auch des e-Wertes erzielt werden. Dieses Ergebnis ist überraschend, denn bisher hat man Al2O3 lediglic'i als Sinterhilfsmittel betrachtet und an sich in größeren Mengen zugesetzt, während man zur Erhöhung der elektromechanischen und elektrischen Eigenschaften in das Perowskitgitter einbaufähige Materialien, wie sie oben in der Beschreibungseinleitung genannt sind, benutzt hat.
Die Erfindung führt somit zu dem überraschenden Ergebnis, daß durch den einfach zu handhabenden Zusatz von Al2O3 beträchtliche Verbesserungen erzielt werden. Es ist auch zu erwarten, daß bei den anderen in der Eteschreibungseinleitung genannten Dreistoffsystemen ähnliche Verbesserungen eintreten.
Im Dreistoff-Diagramm (Fi g. 1) für das System
PbTiO3- PbZrO3- Pb(Mgo,5Wo.5)03
ist der Bereich, bei dem durch die vorliegende Erfindung eine Verbesserung erzielt wird, durch das unregelmäßige Sechseck mit den Eckpunkten 1, 2, 3, 4, 5, 6 bezeichnet. Im einzelnen untersucht wurden die im unregelmäßigen Vieleck liegenden Massen, das durch
45 die Verbindung der Punkte 1, 7, 8, 9, 10, 11, 3, 4, 12, 13, 14, 15, 16, 17 umgrenzt ist. Besonders bevorzugte Zusammensetzungen sind der obigen Tabelle zu entnehmen.
Das Diagramm gemäß F i g. 2 zeigt die relative Dielektrizitätskonstante bei Körpern, die bei 1150° C gebrannt wurden.
Das Diagramm gemäß F i g. 3 zeigt den Gütefaktor Q für Körper, die bei 11500C gebrannt wurden.
Das Diagramm gemäß F i g. 4 zeigt den mechanischen Gütefaktor Q für Körper, die bei 12000C gebrannt wurden.
Das Diagramm gemäß F i g. 5 zeigt den elektromechanischen Kopplungsfaktor k für Körper, die bei 11500C gebrannt wurden und das Diagramm gemäß F; 5, 6 zeigt den elektromechanischen Kopplungsfaktor Hür Körper, die bei 12000C gebrannt wurden.
Bereiche gleicher*:-Werte sowie gleicher Werte für Q bzw. k bei den einzelnen Ergebnissen sind in den F i g. 2 bis 6 durch die mit den jeweiligen Werten bezifferten Linien dargestellt.
Die bevorzugten und in der Tabelle dargestellten Zusammensetzungen können natürlich noch um weitere Zusammensetzungen erweitert werden, die sich ohne Schwierigkeiten aus einem Vergleich der einzelnen
55
iagramme ergeben. Bei dieser Auswahl können die csichtspunkte unterschiedlich sein, je nachdem, ob ein )her F-Wert oder ?ine hohe mechanische Güte oder η hoher elcktromechanischer Kopplungsfaktor oder ich optimale Werte für alle drei Eigenschaften eichzeitig gewünscht sind.
Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Piezoelektrischer Körper, bestehend aus keramischem, ferroelektrischem Material mit Perowskitstruktur, dessen Bestandteile dem Dreistofisystem
PbTiO3- PbZrO3- Pb(Mg0J Wa5)O3
angehören und das neben MnÜ2 weitere Zusatzstoffe enthält, dadurch gekennzeicl.net, daß die Komponenten des Dreistoffsystems in den Grenzen PbTiO3 41 bis 49 Mol-%, PbZrO3 37 bis 49 Mol-% und Pb(MgC5W0^)O3 5 bis 18 Mol-% liegen, daß der Gehalt an MnO2 bei 1 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der BestanJteile, liegt, und daß ein Anteil von 0,15 Gew.-% AI2O3, bezogen auf das Gesamtgewicht der Bestandteile, vorhanden ist
2. Piezoelektrischer Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben den Anteilen an MnO2 und Al2O3 im Dreistoffsystem In neuerer Zeit sind für piezoelektrische Körper zu Verwendung als Elemente zur Umwandlung elektri scher in mechanische Energie und umgekehrt (z. B. fü Frequenzfilter), piezoelektrische Körper bekanntge worden, die aus keramischem, ferroelektrischem Mate rial mit Perowskitstruktur bestehen und dessei Bestandteile kompliziert zusammengesetzten Dreistoff systemen angehören. Während man bislang solchi Körper auf der Grundlage von Blei-Titanat-Zirkonatei ίο aufgebaut hat, können diese neuen Materialien fü piezoelektrische Körper dadurch charakterisiert wer den, daß man die Bildung eines Dreistoffsystems
DE19691938318 1969-07-28 1969-07-28 Piezoelektrischer Korper aus keramischem, ferroetek Irischem Material mit Perowskitstruktur Expired DE1938318C3 (de)

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