DE2200787C3 - Piezoelektrische Keramik - Google Patents

Piezoelektrische Keramik

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Description

2. Elektromechanisches Wandlerelement, da- größeren Haltbarkeit bei hohen Temperaturen und. durch gekennzeichnet, daß es eine Keramikzu- 15 oder bei hohen Feuchtigkeitsgraden als die der saramensetzung gemäß Anspruch 1 aufweist. kristallinen Materialien, wie z. B. Rochellesalz usw.,
3. Piezoelektrische Keramik, dadurch gekenn- sind piezoelektrische Materialien seit kurzem vorzeichnet, daß sie im wesentlichen aus Material wiegend zur Anwendung gekommen.
besteht, das durch die Formel Die von der Keramik geforderten piezoelektrischen
PW7n , Nb ϊ rsn Nh \ Ti 7r η ao Eigenschaften variieren offensichtlich in Abhängigkeit Fb^nl/aNbl/3)0.()(1(hnl/3Nbi;s)0.0eTi0.44Zr0.44O3 ^* ^ ^^^^ Amvendung. So erfordern ζ. Β
dargestellt wird. elektromechanische Wandler wie Tonabnehmer und
4. Elektromechanischer Wandler, dadurch ge- Mikrophonelemente piezoelektrische Keramik, die kennzeichnet, daß er eine Keramik gemäß An- durch einen im wesentlichen hohen elektromecha spruch 3 aufweist. »5 nischen Kopplungsfaktor und dielektrische Konstant«.
5. Verfahren zur Herstellung einer Keramik gekennzeichnet ist. Auf der anderen Seite ist es bei gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende piezoelektrischer Keramik in Keramikfiltern und bei Verfahrensschritte: inniges Naßmischen eines Blei- piezoelektrischen Wandlern wünschenswert, daß die oxyds, eines Zinkoxyds, von Zinnoxyd, Nb8O5, Materialien einen höheren Wert des mechanischen TiO2 und ZrO2, Trocknen dieser Mischung, 30 Gütefaktors und einen hohen elektromechanischen Pressen letzterer in eine vorbestimnite Form, Vor- Kopplungsfaktor aufweisen. Ferner erfordern die reagieren der Mischung mittels Kalzinieren bei keramischen Materialien eine hohe Stabilität der etwa 85O°C etwa 2 Stunden lang, Abkühlen der dielektrischen Konstanten und anderer elektrischer kalzinierten Mischung, Mahlen des kalzinierten Eigenschaften über breite Temperatur- und Zeitbe-Materials zu einer kleineren Teilchengröße, For- 35 reiche. Auch erfordern elektromechanische Wandler, men der teilchenhaften Mischung und Brennen der wie z. B. ein keramisches Zündelement, das als Gasgeformten Mischung bei 1200 bis 1300°C 45 Mi- anzünder verwendet wird, piezoelektrische Keramik, nuten lang. die durch eine hohe Piezoelektrizität, hohe mechanische Festigkeit und große Lebensdauer der Ausgangs-
*o spannung bei wechselnder mechanischer Beanspruchung gekennzeichnet ist.
Als vielversprechende Keramik für derartige An-
7 t λ c_c j Wendungen ist bis jetzt Bleititanat-Bleizirkonat weit-
Zusammenfassung der Erfindung gehend ? Gcbrauch J Jedoch ist es schwierig, eine hohe
Die Erfindung betrifft piezoelektrische Keramik mit 45 Lebensdauer der piezoelektrischen Konstante bei hohen piezoelektrischen Konstanten und hoher Le- wechselnder mechanischer Beanspruchung mit hoher bensdauer letzterer bei wechselnder mechanischer piezoelektrischer Konstante in der herkömmlichen Beanspruchung, wobei die piezoelektrische Keramik Bleititanat-Bleizirkonat-Keramik zu erhalten. Ferner aus einem Material besteht, das durch die Formel variieren die dielektrischen und piezoelektrischen
so Eigenschaften der Bleititanat-Bleizirkonat-Keramik
Pb(Zn1Z3Nb8Z3)^(Sn1Z3Nb2Z3)BTiCZrDOs sehr in Abhängigkeit von der angewandten Brenn
technik herrührend, von der Verdampfung von PbO.
dargestellt wird, wobei A, B, C und D in den Bereichen Eine Verbesserung dieser Faktoren ist durch Einbauen A — 0,03 bis 0,49; B = 0,01 bis 0,25; C = 0,25 bis verschiedener zusätzlicher Komponenten in die Ke-0,625 und D ~ 0,25 bis 0,625 liegen und A+B \ C + D 55 ramikgrundzusammensetzung oder durch Einbau ver- = 1 ist. schiedener Komplexverbindungen erreicht worden.
Die Erfindung bezieht sich auf piezoelektrische So beziehen sich z. B. die LJSA.-Patentschrift 2 911 370 Keramik und auf aus letzteren hergestellte Erzeugnisse. auf die Modifizierung von Bleititanat-zirkonat-Keralnsbesondere betrifft die vorliegende Erfindung neue mik mit Nb4O5, Ta2O5 und Y2O3 usw. und die USA.-ferroelektrische Keramik, die durch polykristalline 60 Patentschrift 2 403 102 auf das ternäre Keramik-Anhäufungen bestimmter Bestandteile gebildet wird. system Pb(Zn1Z3Nb2Z3)O3 — PbTiO3 — PbZrO3. Diese Diese piezoelektrischen Zusammensetzungen werden Keramik weist einen hohen elektromechanischen zu Keramik mittels gewohnlicher keramischer Ver- Kopplungsfaktor, aber niedrige Lebensdauer der fahren gesintert, und anschließend wird die Keramik piezoelektrischen Konstanten bei mechanischer Beanmittels Gleichspannung zwischen Elektroden polari- 65 spruchung auf.
siert, um ihr elektromechanische Ubertragungseigen- Das grundlegende Ziel der Erfindung ist daher, für
schäften ähnlich dem wohlbekannten piezoelektrischen neue und verbesserte piezoelektrische keramische Effekt zu verleihen. Die Erfindung umfaßt auch die Materialien zu sorgen, die die obengenannten Schwie-
3 4
rigkeiten überwinden. Ein besonderes Ziel der Erfin- folgenden molaren Verhältnisse 0,03 bis 0,49; 0,01 bis
rfung ist es, für verbesserte polykristalline Keramik zu 0,25; 0,25 bis 0,625 und 0,25 bis 0,625 aufweisen,
sorgen, die durch hohe piezoelektrische Konstanten sowie A+B+C+D = 1 isL und die einen piezoelek-
gekennzeichnet ist. trischen Frequenzbereich wahrnehmbarer Grö£e auf-
Ein weiteres besonderes Ziel der Erfindung ist die 3 weisen.
Schaffung neuer piezoelektrischer Keramik, die durch Die beschriebenen Zusammensetzungen köenen enthohe Lebensdauer der piezoelektrischen Konstante sprechend mit hinlänglich bekannten Keramikherfcei wechselnder mechanischer Beanspruchung ge- stellungsverfahren erzeugt werden. Ein bevorzugtes kennzeichnet ist. Verfahren, das nachfolgend ausführlich beschrieben
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der io wird, verwendet PbO oder Pb3O4, ZnO, SnO2, Nb8Oj,
Schaffung neuer piezoelektrischer Keramik, die durch TiO2, ZrO2 als Ausgangsmaterialien,
eine lange Beständigkeit der Ausgangsspannung bei
wechselnder mechanischer Stoßbeanspruchung auf ein
mechanisches Zündelement, das als Gasanzünder ver- Beispiel
wendet wird, gekennzeichnet ist. 15
Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt in der Schaffung Die Ausgangsmaterialien ζ. B. Bleioxyd (PbO), Zinkneuer piezoelektrischer Keramik, die durch hohe oxyd (ZnO), Zinnoxyd (SnO2), Nioboxid (Nb2O5), mechanische Festigkeit gekennzeichnet ist. Titandioxid (TiO2) und Zirkondioxid (ZrO2) werden
Ferner ist ein Ziel der Erfindung die Schaffung neuer alle von verhältnismäßigem Reinheitsgrad (d. h. che-
fiezoelektrischer Keramik, bei der bestimmte Eigen- ao misch rein) innig in einer gummiausgekleideten K ugel-
tchaften zur Anpassung an verschiedene Anwendungs- mühle mit destilliertem Wasser vermischt. Beim
formen verändert werden können. Mahlen ist sorgfältig jegliche Verunreinigung, die von
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht schließlich einem Verschleiß der Mahlkugeln oder -steine herin der Schaffung verbesserter elektromechanischer rühren kann, zu vermeiden. Dies kann durch Variierung Wandler, bei denen als die aktiven Elemente elektro- as der Verhältnisse der Ausgangsmaterialien vermieden Itatisch polarisierte Körperteile, die aus den neuen werden, um jegliche Verunreinigung zu kompensieren. Keramikzusammensetzungen zusammengesetzt sind, Anschließend an den Naßmahlgang wird das Geverwendet werden. menge getrocknet und gemischt, um eine soweit wie
Diese Ziele werden durch Schaffung keramischer möglich homogene Mischung zu gewährleisten. Da-
Körper erreicht, die in ihrem Grundaufbau aus dem 30 nach wird die Mischung geeignet zu gewünschten
das Quaternär-System Formen bei einem Druck von 400 kg/cm2 geformt. Die
DU7n ν,. Λη nu/c„ MU \n DUT-rk όκ·7,π zusammengepreßten Gebilde werden dann mittels
Fb(Zn1Z3Nb1Z3)O3-Pb(Sn1J3Nb213)O3-FbTiO3-PbZrO3 „,·■,_·· τ » Omor
* ' a Kalziruerung bei einer Temperatur von etwa 850 C
aufweisendem Material bestehen. etwa 2 Stunden lang vorreagiert.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Fest- 35 Nach der Kalzinierung darf das reagierte Material
Stellung, daß in bestimmten individuell zusammen- abgekühlt und dann zu einer kleinen Teilchengröße
gesetzten Bereichen des Systems die Exemplare sehr naßgemahlen werden. Abermals muß eine Verunreini-
nohe piezoelektrische Konstanten und hoher Lebens- gung durch Verschleiß der Mahlkugeln oder -steine
dauer letzterer bei mechanischer Beanspruchung auf- sorgfältig vermieden werden. Abhängig von der
weisen. 40 Priorität und der gewünschten Form kann das Ma-
Die erfindungsgemäße Keramik weist verschiedene terial in Gemisch oder Streifen geeignet zum Pressen,
Vorteile bei ihren Herstellungsverfahren sowie bei zum Streifengießen oder zum Strangpressen, je nach
Ihrer Verwendung in karamischen Wandlern auf. dem gegebenen Fall in Übereinstimmung mit her-
Es ist bekannt, daß die Verdampfung von PbO wäh- kömmlichen Keramikformverfahren geformt werden,
rend des Brennens ein Problem ist, daß man beim 45 Das gemahlene Pulver wird dann zu einem Stab von
Sintern von Bleiverbindungen wie z. B. Blei-Titanat- 10 mm Durchmesser und von 20 mm Länge bei einem
Eirkonat antrifft. Die erfindungsgemäße Keramik Druck von 700 kg/cm2 gepreßt. Die gepreßten Platten
weist beim Brennen einen kleineren Betrag an ver- werden bei 1200 bis 1300°C 45 Minuten lang gebrannt,
dampften PbO auf, als die üblichen Blei-Titanat- Gemäß der Erfindung ist es nicht notwendig, die Zu-
Zirkonai-Zusammensetzungen. Das Quaternär-System 50 sammensetzung in einer PbO-Atmosphäre zu brennen,
kann in Abwesenheit einer PbO-Atmosphäre gebrannt Ferner ist es auch nicht notwendig, ein spezielles
werden. Ein gut gesinterter Gegenstand gemäß der Temperaturgefälle in dem Brennofen aufrechtzuerhal-
vorliegenden Zusammensetzung wird durch Brennen ten, wie es bei den herkömmlichen Verfahren notwendig
der oben beschriebenen Zusammensetzungen in einem ist. So können erfindungsgemäß gleichförmige und
Keramikschmelztiegel, der mit einem aus Al2Os-Ke- 55 ausgezeichnete piezoelektrische keramische Erzeug-
tamik hergestellten keramischen Deckel abgedeckt ist, nisse leicht auf einfache Weise durch Bedecken der
erhalten. Exemplare mittels eines Tonerdetiegels während des
Eine Zusammensetzungen innerhalb des Quaternär- Brennens erhalten werden. Die gesinterte Keramik
Systems wird poliert, um Stangen mit einem Durchmesser von
PbfZn Nb \O -PbiSn Nb IO -PbTiO -PbZrO 6o ^ mm unc^ emer Länge von 15 mm zu bilden. Beide 1/3 ils) 3 \ 1/3 ils) 333 Seiten der polierten Stangen werden dann mit Silberweisen keine hohe Piezoelektrizität auf, und viele sind farbe überzogen und gebrannt, um Silberelektroden zu elektromechanisch nur in einem geringen Grad aktiv. bilden. Die Stangen werden während des Eintauchens Die vorliegende Erfindung befaßt sich nur mit den in ein Silikonöl-Bad bei 100 bis 1500C polarisiert. Zusammensetzungen, die durch die Formel 65 Ein Gleichspannungsgefälle von 2 bis 3 kV pro mm
PKC7n Mk -» r«in Nh ^ τ; 7, ο w>ra" 30 Minuten lang aufrechterhalten.
Fb(Zn1Z3ND2Z3^ (i>n1/3ND2,3)s I ic LxD O3 Dje piezoelektrischen und dielektrischen Eigenschaf-
dargestellt werden, wobei A, B, C und D jeweils die ten der polarisierten Exemplare werden bei 20°C in
einer relativen Feuchtigkeit von 50% und bei einer Frequenz von 1 kHz gemessen. Beispiele spezifischer keramischer Zusammensetzungen gemäß der Erfindung und verschiedene sachdienliche dielektrische, piezoelektrische und mechanische Eigenschaften sind in der Tabelle wiedergegeben.
Zusammensetzungen Dielektrische
Konstante 		Biege
festigkeit 		Piezoelektrische Konstante M/N
Beispiel
Nr. 		V — nach Stoß
ε (kg/cm1) vor Stoß beanspruchung
Pb(Zn1,3Nb2/3)0,01(Sn1.3Nb2/3)0i02Tio,4e- 1640 1150 beanspruchung 25,9
1 Pb(ZrC3Nb8Z3),, 03(Sn1Z3Nb2Z3),, 08Ti0 M- 1710 1130 27,6 27,2
2 Zr0.«O3 28,8
PbiZnjzsNbj/^oeiSnyaNb^o O8Ti0 «- 1620 1240 26,1
3 Zr0-44O3 27,7
Pb(Zn1I3Nb2Z3),, Ss(Sn1Z3Nb2Zs)0 OjTi0 37- 1670 1190 25,5
4 . Zr0-36O3 27,2
Pb(Zn1Z3Nb2Zs)0 os(Sniz3Nb2z3)o 15Ti0 41- 1590 1180 26,2
5 Zr0.«O, 28,0
Die piezoelektrische Konstante nach der Stoßbeanspruchung ist nach 10' mechanischen Stoßen bei einem Druck von 400 kg/cm* gemessen worden.
Aus der Tabelle ist offensichtlich, daß alle beispielhaften Zusammensetzungen durch hohe Lebensdauer der piezoelektrischen Konstanten bei wechselnder mechanischer Stoßbeanspruchung gekennzeichnet sind. Daher weist die erfindungsgemäße Keramik hohe Lebensdauer der Ausgangsspannung bei wechselnder mechanischer Stoßbelastung auf einem mechanischen Zündelement, das als Gasanzünder verwendet wird, auf. Diese Eigenschaft ist wichtig für die Verwendung piezoelektrischer Keramik als keramisches Zündelement usw. Gemäß der Erfindung beträgt z. B. die Abweichung der Ausgangsspannung der keramischen Zündeinheit, die die Zusammensetzung nach Beispiel Nr. 3 bis 3 · 10* mechanischen Stoßen und bei einem Druck von 400 kg/cm2 besitzt, 1,3 %·
Gemäß der Erfindung hat die piezoelektrische Keramik eine hohe Piezoelektrizität. Daher ist die erfindungsgemäße Keramik auch zur Verwendung in elektromechanischen Wandlerelementen wie Tonabnehmern, Mikrophonen und Spannungserzeugern in Zündsystemen geeignet. Bei dieser Verwendung der Keramik ist es wünschenswert, daß die piezoelektrische
»5 Keramik eine hohe mechanische Festigkeit aufweist, damit Erzeugnisse, die diese Keramik verwenden, hohe
Zuverlässigkeit über weite Zeitbereiche und bei hoher
mechanischer Beanspruchung aufweisen.
Zusätzlich zu den oben angeführten Eigenschaften
bringen die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen Keramik guter physikalischer Qualität hervor, die gut polarisiert. Daher ist verständlich, daß das Quaternär-System Pb(Zn13Nb2Z3)O3-Pb(Sn1Z3Nb2Zs)O8-PbTiO3-PbZrO3
ausgezeichnete piezoelektrische keramische Gegenstände bildet.
Es ist einsichtig, daß die erfindungsgemäß verwendeten Ausgangsmaterialien nicht auf die oben beschriebenen beschränkt sind. An Stelle der oben ange- führten Ausgangsmaterialien können solche Oxyde verwendet werden, die zwecks Bildung der geforderten Zusammensetzungen sich leicht bei gehobenen Temperaturen zersetzen. Die Erfindung wird nur durch die Patentansprüche begrenzt.

Claims (1)

kalzinierten Zwischenprodukte der Rohbestandteite Patentansprüche: und die Herstellungserzeugnisse wie aus gesinterter Keramik hergestellte elektromechanische Wandler.
1. Piezoelektrische Keramik, dadurch ge- Die Verwendung piezoelektrischer Materialien in kennzeichnet, daß sie im wesentlichen aus 5 verschiedenen Wandlerausföhningen bei der Erzeueinem Material besteht, daß durch folgende Formel gung, Messung und Abtastung von Tönen, Erschüttedargestellt wird: rangen, Schwingungen, Druck und bei Hochspannuiigs-
xtvj-in mi, λ /ν xiw ^ τ- rr rx erzeugung usw. ist in den letzten Jahren sehr ange-
PbiZn^Nb^(Sn1Z1Nb-JeTIcZr0O3 ^J «^^ j^^j. ^6 Keramikwandler sind
wobei A, B, C und D in den Bereichen A = 0,03 io weitgehend verwendet worden. Aber wegen der mög-
bis 0,49; B = 0,01 bis 0,25; C = 0,25 bis 0,625; liehen Kostenverminderung und der leichten Verwen-
D = 0,25 bis 0,625 liegen und A+B+C+D = 1 dung bei der Herstellung von Keramikgege.nständen
sind. verschiedener Formen und Größen und wegen ihrer
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