DE19530592A1 - Piezokeramisches Material - Google Patents
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Description
Die Erfindung gehört zum Gebiet der Synthese piezokeramischer Stoffe. Piezokeramische
Stoffe benutzt man als Gebrauchselemente der Einrichtungen, die auf der
Dickenschwingungen arbeiten. Zu diesen Einrichtungen gehören zum Beispiel Defektoskope
und auch Geräte für medizinische Diagnostik und andere. Zur Zeit nimmt in dem Bereich
Piezokeramische Stoffe die Titan-Zirkoni-Bleikeramik (TZB) einen Hauptplatz. Das sind
feste Lösungen auf der Basis Titan-Zirkoni-Blei. Bei den Zusammensetzungen, die in dem
Bereich morphotropiesche Phasengrenze liegen, das heißt in dem Strukturübergangsbereich
von rhombischen zur tetragonalphase beobachtet man Extremwerte der piezoelektrischen
Charakteristik. So hat, die Zusammensetzung Pb(Ti0,48Zr0,52)O₃:
einen radialen Koeffizienten der elektro-mechanischen Kopplung kr = 0,45;
einen dicke Koeffizienten der elektro-mechanischen Kopplung kd = 0,67 [1].
einen dicke Koeffizienten der elektro-mechanischen Kopplung kd = 0,67 [1].
Die Modifizierung TZB mit Dreifachoxiden und die Verwendung der Heißpreßmethode
gestatten diese Charakteristiken zu erhöhen. Zum Beispiel für die heißgepreßten
Zusammensetzungen aus dem morphometrischen Bereich der Systeme
PbTiO₃ - PbZrO₃ -
PbNb2/3Mn1/3O₃ - PbW1/2O₃
haben die Koeffizienten folgende Werte:
kr = 0,67; kd = 0,74 [2].
Jedoch erschwert sich die Keramiksynthese auf der Basis TZB mit gutem
Reproduzierbarkeitseigenschaften durch die Ausdämpfung PbO bei der hohe
Sinterungstemperatur (bis 1250°C) und auch weil die Synthese bei diesen Bedingungen nur
im Dampf von Bleioxiden durchgeführt werden kann. Die Heißpreßmethode, die gestattet eine
Keramik auf der Basis TZB mit den Extremcharakteristiken zu bekommen, wird auch in der
Wirtschaft sehr selten benutzt, weil diese Methode zyklisch ist und teure Arbeitsausstattung
für die ununterbrochene Heißpressung benötigt [2].
Außerdem, entstehen, infolge genügend großen Werten K in Piezoelementen auch
Radialschwingungen, die in solchen Einrichtungen, wie Defektoskope mittels
Schaltungstechnik beseitigt werden. Um die elektronischen Schaltungskreise solcher Geräten
einfacher zu machen und einen genügendes qualitatives Signal zu bekommen, ist ein
piezokeramischer Material mit genügend großem Anisotropiekoeffizienten der
elektromechanischen Kopplung im Längs- (Dickenschwingung) und
Querschwingungsrichtungen des Piezoelements notwendig.
Ein Prototyp dieser Entscheidung ist das piezokeramische Material, das auf der Basis
Natrium-Wismut-Titanat (NWT) hergestellt wurde, einschließlich der Ionen Pb und Ca im
Verhältnis (BiNa)(1-13)/2(x Pb+y Ca)₁₃TiO₃, wo x = 0,50-0,75; y = 0,25-0,50 [3].
Die Probestücke waren unter normaler Keramiktechnologie synthesiert. Für die Synthese
waren die Karbonate Na₂CO₃, CaCO₃ und Oxide Bi₂O₃, PbO, TiO₂ mit der Reinheit von 99%
verwendet.
Die Mischungsröstung wurde unter atmosphärischem Druck und einer Temperatur von
800°C im Laufe von einer Stunde durchgeführt. Die Probestücke als Scheiben mit einem
Durchmesser von 20 mm und einer Dicke von 2 mm waren unter atmosphärischem Druck
zwei Stunden bei der Temperatur 1050-1100°C zusammengesintert, und danach bei der
Temperatur von 50°C in Silikonöl und unter dem Polarisationsstrom 50 kW/cm im Laufe von
0,5 Stunden polarisiert.
Diese Mischungen liegen im Morphotropenübergangsbereich aus rhomboedrisch in die
tetragonale Phase und haben extremen Parametern in dem System Na0,5Bi0,5TiO₃-PbTiO₃-
CaTiO₃.
Die Wertkoeffiziente elektromechanische Kopplung für die Dicken- und Querschwingungen
sind in der Tabelle 1 dargestellt.
Die Vorteile, des piezokeramischen Materials sind:
Niedrigere Sinterungstemperatur [um 150-200°C niedriger, als bei (TZB)] und einen kleinen Prozentsatz von Bleititanat. In diesem Fall kann man den Sinterungsprozeß an der freien Luft durchführen, aber wie man aus Tabelle 1 sieht, daß das Verflüchtigen von PbO in geringen Mengen, eine die Kennwerteveränderung der Piezokeramik zur Folge hat. Außerdem, hat dieses Material großen Anisotropiekoeffizienten der elektromechanischen Kopplung. Als Nachteil hat dieses piezokeramische Material eine im Vergleich mit TZB niedrigere, piezoelektrische Charakteristik [3].
Niedrigere Sinterungstemperatur [um 150-200°C niedriger, als bei (TZB)] und einen kleinen Prozentsatz von Bleititanat. In diesem Fall kann man den Sinterungsprozeß an der freien Luft durchführen, aber wie man aus Tabelle 1 sieht, daß das Verflüchtigen von PbO in geringen Mengen, eine die Kennwerteveränderung der Piezokeramik zur Folge hat. Außerdem, hat dieses Material großen Anisotropiekoeffizienten der elektromechanischen Kopplung. Als Nachteil hat dieses piezokeramische Material eine im Vergleich mit TZB niedrigere, piezoelektrische Charakteristik [3].
Die Erfindungsaufgabe ist die Schaffung eines piezokeramischen Materials auf der Basis
Natrium-Wismut-Titanat, das keine Bleioxide beinhaltet und einen großen
Anisotropiekoeffizienten der elektromechanischen Kopplung in Dicken- und Querrichtungen
hat. Diese Aufgabe wird so gelöst: in die Zusammensetzung Na0,5Bi0,5TiO₃ und CaTiO₃ wird
BaTiO₃ eingeführt in nachfolgenden Verhältnissen, Mol-%:
| Na0,5Bi0,5TiO₃ | |
| 87,00-88,00 | |
| BaTiO₃ | 9,00-11,70 |
| CaTiO₃ | 1,20- 3,25 |
Eine Vergleichsanalyse mit dem Prototyp und anderen technischen Entscheidungen zeigt, daß
das Material sich, erstens in der Zusammensetzung unterscheidet und zweitens in einem
erhöhtem Anisotropiekoeffizienten elektromechanischen Kopplung (Differenz kd-kr)
unterscheidet.
Deswegen entspricht, das Material den Kriterien "Neuheit".
Das Material ist so synthetisiert: die Synthese wurde durchgeführt anhand der normalen
Keramiktechnologie aus den Karbonaten Na₂CO₃, BaCO₃, CaTiO₃ und Oxiden Bi₂O₃, TiO₂.
Die Verbindung wurde bei einer Temperatur 800°C in Laufe von 2 Stunden unter
atmosphärischem Druck synthesiert. Die Keramik wurde bei einer Temperatur 1050-
1150°C im Laufe von 2 Stunden in der freien Luft zusammengeröstet. Die Probestücke als
Scheiben mit dem Durchmesser von 10 mm, und einer Dicke von 1 mm wurden unter einem
Gleichstrom von 50 kW/cm bei einer Temperatur 25-120°C in Laufe von 0,25 Stunden
polarisiert. Die Versuchsergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.
Die Benutzung der eingegebenen Zusammensetzung gestattet bei dem einfachen
Herstellungsverfahren (gewöhnliche Keramiktechnologie und die Zusammenröstung unter
atmosphärischem Druck) eine wesentliche Erhöhung des Anisotropiekoeffizienz der
elektromechanischen Kopplung, was Vorteile für die Geräte hat, die auf dem Prinzip der
Dickenschwankungen arbeiten.
1. Okadsaki K. Technologÿa keramizeskich dielektrikov. M., "Energÿa", 1976, 336 S.
2. Fesenko E. G., Danziger A. J., Rasumowskaja O. N. Novye piezokeramizeskie materialy. Rostovskii Universität, 1983, 156 S.
3. T. Takenaka and K. Sakata. New Piezo- und Pyroelektronic Sensor Materials of (BiNa)1/2TiO₃ - based Ceramics. - Sensors and Materials, 3 (1988), 123-131 S.
2. Fesenko E. G., Danziger A. J., Rasumowskaja O. N. Novye piezokeramizeskie materialy. Rostovskii Universität, 1983, 156 S.
3. T. Takenaka and K. Sakata. New Piezo- und Pyroelektronic Sensor Materials of (BiNa)1/2TiO₃ - based Ceramics. - Sensors and Materials, 3 (1988), 123-131 S.
Claims (1)
- Ein piezokeramisches Material, das Natrium-Wismut-Titanat enthält und einen Zusatz von Kalcium-Titanat hat, ist gekennzeichnet dadurch, daß Barium-Titanat im nachfolgenden Komponentverhältnissen beigefügt wird, Mol%:
Na0,5Bi0,5 87,00-88,00 CaTiO₃ 1,20- 3,75 BaTiO₃ 9,00-11,70
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19530592A DE19530592C2 (de) | 1995-08-21 | 1995-08-21 | Piezokeramischer Stoff |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19530592A DE19530592C2 (de) | 1995-08-21 | 1995-08-21 | Piezokeramischer Stoff |
Publications (2)
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|---|---|
| DE19530592A1 true DE19530592A1 (de) | 1996-08-22 |
| DE19530592C2 DE19530592C2 (de) | 1998-02-12 |
Family
ID=7769924
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19530592A Expired - Lifetime DE19530592C2 (de) | 1995-08-21 | 1995-08-21 | Piezokeramischer Stoff |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE19530592C2 (de) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002220280A (ja) * | 2000-11-21 | 2002-08-09 | Tdk Corp | 圧電磁器 |
| US6793843B2 (en) * | 2000-11-21 | 2004-09-21 | Tdk Corporation | Piezoelectric ceramic |
| US10246376B2 (en) | 2013-08-07 | 2019-04-02 | Pi Ceramic Gmbh | Lead-free piezoceramic material based on bismuth sodium titanate (BST) |
| WO2024180179A1 (en) * | 2023-03-02 | 2024-09-06 | Ceramtec Gmbh | Use of a lead-free piezo ceramic in devices requiring high permanent preload |
-
1995
- 1995-08-21 DE DE19530592A patent/DE19530592C2/de not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Sensors and Materials, 3 (1988), 123-131 * |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002220280A (ja) * | 2000-11-21 | 2002-08-09 | Tdk Corp | 圧電磁器 |
| US6793843B2 (en) * | 2000-11-21 | 2004-09-21 | Tdk Corporation | Piezoelectric ceramic |
| JP4674405B2 (ja) * | 2000-11-21 | 2011-04-20 | Ｔｄｋ株式会社 | 圧電磁器 |
| US10246376B2 (en) | 2013-08-07 | 2019-04-02 | Pi Ceramic Gmbh | Lead-free piezoceramic material based on bismuth sodium titanate (BST) |
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| WO2024180179A1 (en) * | 2023-03-02 | 2024-09-06 | Ceramtec Gmbh | Use of a lead-free piezo ceramic in devices requiring high permanent preload |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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