DE2311215A1 - Piezoelektrischer keramikkoerper und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

• Piezoelektrischer Keramikkörper und Verfahren zu seiner Herstellung Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Keramikkörper auf der Basis von Pb (Mg1/3Nb2/3) 03 - PbTiO3 PbZrO3 mit einem Zusatz an Mangandioxid und einem weiteren Zusatz, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
• Derartige piezoelektrische Keramikkörper sind aus der US-PS 3 268 453 bekannt.
• Aufgabe der Erfindung ist es, piezoelektrische Keramikkörper anzugeben, die sich vor allem durch einen höheren elektromechanischen Kopplungsfaktor auszeichnen.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der eingang beschriebene piezoelektrische Keramikkörper als Zusatz Magnesiumfluorid in Mengen von 0,05 bis 0,20 Gewichtsprozent enthält.
• Magnesiumfluorid-Zusätze sind aus der US-PS 2 377 910 für keramische Dielektrikumskörper auf der Basis von Bariumtitanat bekannt und dienen dort zur Verbesserung der dielektrischen Eigenschaften.
• Überraschenderweise hat sich erwiesen, daß der erfindungsgemäße Zusatz von Magnesiumfluorid zu dem eingangs beschriebenen bekannten piezoelektrischen Keramikkörper eine Erhöhung des elektromechanischen Kopplungsfaktors zur Folge hat.
• Beim Einsatz piezoelektrischer Keramikkörper in Piltern bzw. Verzögerungsleitungen soll der elektromechanische Kopplungsfaktor möglichst hoch sein, da er für die Betriebsdämpfung maßgebend ist.
• Die Vorteile des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Keramikkörpers werden anhand des folgenden Ausftihrungsbeispieles aufgezeigt.
• Ausführungsbeispiel I Piezoelektrische Keramikkörper der Massezusammensetzung Pb (Mg1/3Nb2/3) 0,25Ti0,42Zr0,3303 + 0,5 Gewichtsprozent MnO2 + 0,1 Gewichtsprozent MgF2 wurden auf folgende Weise hergestellt: Die Aüagangsstoffe wurden zur Homogenisierung gemahlen, zur Reaktion gebracht und ein zweites Mal gemahlen. Daran anschließend erfolgte die Herstellung der Keramikkörper durch einen isostatischen Preßvorgang bei Raumtemperatur und einem Druck von 3,6 x-1C 8 N/m2 und eine dreistündige Sinterung an Luft bei einer Temperatur von 12800 C. Zum Vergleich wurden piezoelektrische Keramikkörper der gleichen Zusammensetzung, jedoch ohne Magnesiumfluoridzusatz auf dieselbe Weise hergestellt.
• Die piezoelektrischen Keramikkörper ohne Magnesiumfluoridzusatz wiesen einen radialen Kopplungsfaktor kr von 0,56 auf; demgegenüber hatten die Keramikkörper mit Magnesiumfluoridzusatz einen radialen Kopplungsfaktor von 0,61, was einer Erhöhung von ca. 10 Prozent gleichkommt.
• Die mechanische Güte Q die bei den Keramikkörpern ohne Magnesiumfluoridzusatz 840 betrug, wies bei MgF2-Zusatz einen leichten Rückgang auf 650 auf.
• Dies ist aber insofern von geringerer Bedeutung, da die Höhe der Schwinggüte Qm beim Einsatz von piezoelektrischen Keramikkörpern in Filtern bzw. Verzögerungsleitungen weniger ins Gewicht fällt. Die Permittivitätszahl £r hatte bei MgF2-Zusatz einen leichten Anstieg von 1300 auf 1480.
• Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von piezoelektrischen Keramikkörpern wird die Sinterung während der ersten 0,5 bis 1,5 Stunden bei einem geringeren Druck als 2000 N/m2 durchgeführt.
• Damit wird der Vorteil erzielt, daß man piezoelektrische Keramikkörper äußerst niedrigerlbrigkeit erhält, wie sie insbesondere bei einem Einsatz als Funktionselemente nach dem Oberflächenwellenprinzip für höhere Frequenzen benötigt werden. Die Porigkeit ist dabei durch den folgenden Ausdruck definiert P = 1 - (9bi /gR) wobei so die gemessene Dichte und die Röntgendichte des Körpers ist.
• Bei dem eniähnten Einsatz von piezoelektrischen Keramikkörpern als Funktionselemente nach dem Oberflächenvellenprinzip werden außerordentliche hohe Anforderungen an die Dichte und Oberflächenbeschaffenheit der verwendeten Keramik gestellt. Bei herkömnlich hergestellter Keramik führt bereits das große Porenvolumen zu erhöhter Dämpfung der Welle in Folge von Streuung an den Störstellen. Erträgliche Dämpfungswerte lassen sich erfahrungsgemäß nur dann erzielen, wenn die Störstellen in ihrer Ausdehnung im Mittel höchstens ein Zehntel der Betriebswellenlänge erreicht.
• Wegen der geringen Eindringtiefe der Oberflächenwellen von etwa 1,5A darf auch die Oberfläche nur eine Rauhigkeit von O,i aufweisen. So dürfen beispielsweise die Poren einer für 36 MHz-Filter (Fernseh-Video-Zwischenfrequenz; A = So/um) eingesetzten Piezokeramik einen Durchmesser von 5/um nicht überschreiten, wobei gleichzeitig der elektromechanische Kopplungsfaktor möglichst hoch sein sollte.
• Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welchem die Sinterung während der ersten 0,5 bis 1,5 Stunden bei N/m2 einen geringeren Druck als 2000 N/m durchgeführt wird, werden anhand des folgenden Ausführungsbeispieles II aufgezeigt.
• Ausführungsbeispiel II Es wurden piezoelektrische Keramikkörper der gleichen Zusammensetzung wie im Ausführungsbeispiel I auf eine Weise hergestellt, die sich lediglich durch die Sinterung von der oben beschriebenen Herstellungsart unterschied. Die Sinterung der Preßlinge erfolgte zuerst 0,5 Stunden bei 2 einem verminderten Druck von C&. 150 N/m2 und daran anschließend 3 Stunden an Luft bei einer Temperatur von 12800 C. Die derart hergestellten pjezoelktrischn Keramikkörper wiesen eine Porigkeit von 0,1 Prozent auf, gegenüber einer Porigkeit von ca. 3,5 bis 4,0 Prozent, weihe die unter Normaldruck gesinterten Keramikkörper hatten.
• Dies wird darauf zurückgeführt, daß durch das Sintern bei vermindertem Druck das Entweichen der im Preßling eingeschlossenen läuft erleichtert wird, und man so zu einer sehr dichten Keramik gelangt. Auch bei der teilweisen Sinterung unter vermindertem Druck wiesen die piezoelektrischen Reramikkörper mit MgF2-Zusatz einen höheren radialen Kopplungsfaktor kr (0,64) als die Keramikkörper ohne MgF2-Zusatz (0,61) auf. Die Werte für die mechanische Güe und die PermittivitätszahlEr stiegen bei MgF2-Zusatz ebenfalls an, nämlich Q von 880 auf 980 und r von 1700 auf 1790.
• Die erfindungsgemäßen piezoelektrischen Keramikkörper zeichnen sich insgesamt gesehen durch gute piezoelektrische Werte aus und können insbesondere dort eingesetzt werden, wo es auf einen hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor ankommt. Erz gut die Herstellung in der erfindungsgemäßen Weise dadurch, daß zu Beginn unter vermindertem Druck gesintert wird, so eignen sich die so erhaltenen piezoelektrischen Keramikkörper vorzüglich für den Einsatz als Funktionselemente nach dem Oberflächenwellenprinzip für höhere Frequenzen.
• 4 Patentansprüche

Claims (4)

1. P a t e n t a n s p r ü c h e 1) Piezoelektrischer Keramikkörper auf der Basis vorn Pb(Mg1/3Nb2/3)03- PbTiO- PbZr03 mit einem Zusatz von Mangandioxid und einem weiteren Zusatz, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß er als weiteren Zusatz Magnesiumfluorid in Nennen von 0,05 bis 0,20 Gewichtsprozent enthält.
2. 2) Piezoelektrischer Keramikkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgende Zusammensetzurg: Pb(Mg1/3Nb2/3)0,25Ti0,42Zr0,33O3 + C,5 Gewichtsprozent Mn02 + 0,1 Gewichtsprozent MgF2.
3. 3) Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Keramikkörpers nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , da3 die Ausgangsstoffe zur Homogenisierung gemahlen, zur Reaktion gebracht und ein zweites Mal gemahlen werden und daran anschließend die Herstellung der Keramikkörper durch einen isostatischen Preßvorgang bei Raumtemperatur und einem Druck von 1,5 x 10 8 bis 3,6 x 1C 8 N/m2 und einer Sinterung in oxidierender Atmosphäre bei einer Temperatur von 1240 bis 13000 C während einer Zeitdauer von 3,5 bis 5 Stunden erfolgt.
4. 4) Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Keramikkörpers nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Sinterung während der ersten 0,5 bis 1,5 Stunden bei einem geringeren Druck als 2000 N/m2 durchgeführt wird.