DE19609739C1 - Niedrig sinternder Hart-PZT-Werkstoff - Google Patents
Niedrig sinternder Hart-PZT-WerkstoffInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Elektrotechnik, Elektronik und
Keramik und betrifft einen niedrig sinternden Hart-PZT-Werkstoff aus der
Werkstoffgruppe der "Hart-PZT", wie er z. B. für Leistungsschallanwendungen, als
"schneller Bieger", in Leistungsaktoren und nach einer Temperung oberhalb der
Einsatztemperatur als stabiler Sensor zum Einsatz kommen kann.
Piezoelektrische Werkstoffe auf der Basis von Bleizirkonattitanat (PZT) werden für
die verschiedensten Anwendungen hergestellt. Die vielfältigen Möglichkeiten der
Züchtung von PZT-Parametern sind z. B. in J. Acoust. Soc. Am. 91 (S), May
1992, S. 3034-3040 beschrieben.
Im Allgemeinen unterscheidet man zwei grundlegende Werkstofftypen.
Das "Weich-PZT" läßt sich schnell und leicht polen, hat eine niedrige Schwinggüte,
eine hohe remanente Polarisation, eine hohe Dehnung S₃ und kann leicht umgepolt
werden (niedrige Koerzitivfeldstärke EK).
Das "Hart-PZT" erfordert eine Polung mit hohen Feldstärken bei höheren
Temperaturen und langen Polungszeiten und besitzt daher hohe Depolarisations
festigkeit. Weiterhin besitzt es eine höhere Schwinggüte und niedrigere
Großsignalverluste als "Weich-PZT".
Die Erfindung bezieht sich auf die Werkstoffgruppe "Hart-PZT".
Es ist Ziel zahlreicher Untersuchungen, die Sintertemperatur von "Weich- und
Hart-PZT" bei Erhalt ihrer vorteilhaften Eigenschaften möglichst weit abzusenken.
Niedrig sinternde "Weich-PZT" sind von verschiedenen Autoren beschrieben
worden. Erreicht wird die niedrige Sintertemperatur über technologische Varianten
oder über Zusätze.
So wird nach Tashiro, S. u. a. Ferroelectrics 1989, Vol. 95 p.p. 157-160 ein
niedrigsinterndes "Weich-PZT" durch eine Spezialmahlung des Pulvers auf 0,3 µm
erreicht. Zhilun Gui, u. a. Electronics Components and Materials S. 30-33 setzt CdO
zu, um die Sintertemperatur von "Weich-PZT" abzusenken. Nach der DE 41 27 829 A1
wird Bi₂O₃/ZnO zu einem "Weich-PZT" zugegeben, um diesen Effekt zu erreichen.
"Hart-PZT"-Werkstoffe sind seit längerer Zeit in den Angeboten verschiedener
Hersteller von Piezokeramiken bekannt. Alle diese bekannten Werkstoffe sintern bei
Temperaturen oberhalb von 1200°C.
Nach der DE 43 27 993 C1 ist ein "Hart-PZT" bekannt, bei dem über Zusätze die
Sintertemperatur auf ca. 1020°C abgesenkt wird. Dieses "Hart-PZT" weist jedoch mit
einem tan δ von 40×10-4 noch relativ hohe Verluste auf. Über das
Großsignalverhalten der Verluste wird keine Aussage getroffen. Der Curiepunkt liegt
bei 308°C relativ niedrig. Der Dehnungswert S₃ ist ebenfalls nicht angegeben.
Insgesamt kann gesagt werden, daß dieser beschriebene "Hart-PZT"-Werkstoff noch
nicht alle Vorzüge eines Spitzenwerkstoff aufweist.
An einen solchen Spitzenwerkstoff müssen Anforderungen gestellt werden, die
sowohl zu sehr guten elektrischen Parametern als auch zu einer einfachen
technologische Herstellung führen.
Diese Anforderungen an einen Spitzenwerkstoff sind folgende:
elektrische Parameter | ||
Radialer Koppelfaktor Kr (%) | ||
58 | ||
Schwinggüte Qm | 1400 | |
Koerzitivfeldstärke EK (kV/mm) | < 2 | |
Curiepunkt TC (°C) | < 340 | |
Verluste tan δ @ | Kleinsignal | 20×10-4 |
Großsignal (700 V/mm) | 80×10-4 | |
Dehnung bei 2 kV/mm S₃ | < 8×10-4 |
- - Herstellung nach dem mixed-oxid-Verfahren in Totalsynthese
- - Niedrige Sintertemperatur im Bereich unterhalb 1100°C
- - Keine Zusätze beim Feinmahlen (Gemenge), um eine Sedimentation beim Gießen (Schlicker) zu vermeiden
- - Breites Sinterintervall von etwa 50°C für reproduzierbare Werte
- - Möglichkeiten der DK-Variantion über Substitution des Pb durch Erdalkalimetalle (Ba, Sr)
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen "Hart-PZT"-Werkstoff anzugeben,
der die genannten elektrischen Parameter und technologischen Anforderungen eines
Spitzenwerkstoffs erfüllt.
Die Aufgabe wird durch die in dem Anspruch angegebene Erfindung gelöst.
Dabei hat erfindungsgemäß ein niedrig sinternder PZT-Werkstoff aus der Gruppe der
"Hart-PZT"-Werkstoffe eine Zusammensetzung von
(Pb1-y Ey) (Zr1-zTiz)O₃ + A
wobei gilt:
y = 0,00-0,05
z = 0,45-0,50
E = Ba2+; Sr2+
A = Oxidkombination, bestehend aus
z = 0,45-0,50
E = Ba2+; Sr2+
A = Oxidkombination, bestehend aus
1,3-2,5 Ma.-% Bi₂O₃
0,3-0,6 Ma.-% MnO₂
0,15-0,5 Ma.-% WO₃
0,0-0,2 Ma.-% Nb₂O₅
0,3-0,6 Ma.-% MnO₂
0,15-0,5 Ma.-% WO₃
0,0-0,2 Ma.-% Nb₂O₅
Ein derartiger erfindungsgemäßer Werkstoff kann nach dem "mixed oxid"-Verfahren
in Totalsynthese hergestellt werden, was vorteilhaft ist gegenüber der Bildung von
Zwischenkomponenten.
Die eingesetzten Ausgangsstoffe, z. B. PbO (Pb₃O₄), ECO₃, ZrO₂, TiO₂, WO₃,
Bi₂O₃, Nb₂O₅, MnCO₃ (MnO₂), werden ohne Zusätze gemeinsam naß gemischt,
anschließend verglüht, nochmals naß feingemahlen und dann getrocknet. Das
getrocknete Pulver wird dann in die gewünschte Form gepreßt und bei Temperaturen
unterhalb 1100°C/2 h dicht gesintert. Die Sintertemperatur kann dabei in einem
breiten Bereich von ca. 50°C schwanken, wobei die maximale Sintertemperatur von
1100°C nicht überschritten wird.
Die so hergestellten erfindungsgemäßen PZT-Werkstoffe erfüllen alle Anforderungen
an einen Spitzenwerkstoff, sowohl hinsichtlich der elektrischen Parameter als auch
hinsichtlich der Herstellungstechnologie.
Ein weiterer Vorteil ist, daß sich die hergestellten erfindungsgemäßen Sinterkörper
nach einer Temperung oberhalb der Einsatztemperatur im Anschluß an die Sinterung
besonders gut für den Einsatz in stabilen Sensorsystemen eignen, da sie eine hohe
Stabilität der elektrischen Eigenschaften aufweisen.
Im folgenden soll die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen erläutert
werden.
Die Ausgangsstoffe werden entsprechend den Molangaben in Tabelle 1 eingewogen
und in einer Pulverisette naß mit Mahlkörpern aus Achat gemischt und bei 850°C 2 h
verglüht. Anschließend wird das verglühte Pulvergemisch 2 h in der Pulverisette mit
Achatmahlkörpern naß gemahlen und danach getrocknet. Das getrocknete Pulver
wird in Tablettenform gepreßt und anschließend bei 1080°C 2 h gesintert. Die
gesinterten Tabletten werden mit Einbrennsilber kontaktiert und bei 130 °C und
3,5 kV/mm 30 min gepolt. Die danach gemessenen Eigenschaften sind in
Tabelle 2 angegeben.
Weiterhin ist eine gesinterte Probe mit der Zusammensetzung nach Beispiel 2
(Sinterung 1080°C/2 h) einer Temperung unterzogen worden (siehe Tabelle 3).
Nach der Temperung ergaben sich die in Tabelle 4 angegebenen Eigenschaften.
Die so gesinterte und getemperte Probe mit den in Tabelle 4 angegebenen
Eigenschaften wurde hinsichtlich der Stabilität ihrer Eigenschaften untersucht.
Dabei konnte festgestellt werden, daß nach einer Temperung der Probe bei
mindestens 20°C oberhalb der Einsatztemperatur die Parameter eine
ausgesprochen hohe Stabilität aufweisen. Das bedeutet für die Parameter Kr, d₃₃
und g₃₃, daß die Alterungsrate unter 0,2%/Dekade liegt. Hinsichtlich der
Temperaturabhängigkeit der Parameter Kr, d₃₃, g₃₃, εT₃₃ im Bereich von -25°C bis
+150°C und anschließender Abkühlung ist festzustellen, daß keine nennenswerten
Hystereseschleifen auftreten.
Weiterhin tritt nur eine geringe Nichtlinearität der ε- und g-Konstanten von kleiner
4% auf.
Claims (1)
- Niedrig sinternder Hart-PZT-Werkstoff aus der Gruppe der "Hart-PZT"-Werkstoffe mit der Zusammensetzung (Pb1-y Ey) (Zr1-zTiz)O₃ + Awobei gilt:y = 0,00-0,05
z = 0,45-0,50
E = Ba2+; Sr2+
A = Oxidkombination, bestehend aus1,3-2,5 Ma.-% Bi₂O₃
0,3-0,6 Ma.-% MnO₂
0,15-0,5 Ma.-% WO₃
0,0-0,2 Ma.-% Nb₂O₅
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19946836A1 (de) * | 1999-09-30 | 2000-11-09 | Bosch Gmbh Robert | Piezoaktor und ein Verfahren zu dessen Herstellung |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4127829A1 (de) * | 1991-08-22 | 1993-03-04 | Mittweida Ing Hochschule | Niedrig sinternde pzt-versaetze |
DE4327993C1 (de) * | 1993-08-20 | 1994-11-03 | Fraunhofer Ges Forschung | Verfahren zur Herstellung von PZT-Werkstoffen mit hoher Depolarisationsfestigkeit und niedriger Sintertemperatur |
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1996
- 1996-03-13 DE DE19609739A patent/DE19609739C1/de not_active Expired - Fee Related
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DE4327993C1 (de) * | 1993-08-20 | 1994-11-03 | Fraunhofer Ges Forschung | Verfahren zur Herstellung von PZT-Werkstoffen mit hoher Depolarisationsfestigkeit und niedriger Sintertemperatur |
Non-Patent Citations (3)
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Ferroelectrics 1989 Vol.95, S.157-160 * |
J.Acoust.Soc.Am. 91(5), May 1992, S. 3034-3040 * |
Proceedings of International Conference on Electronic Components and Materials, International Academic Publishers,Zhilun Gui u.a.,S. 30-33 * |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE19946836A1 (de) * | 1999-09-30 | 2000-11-09 | Bosch Gmbh Robert | Piezoaktor und ein Verfahren zu dessen Herstellung |
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