DE818965C

DE818965C - Gegen Biegung oder Torsion elektromechanisch empfindlicher Umformungskoerper aus keramischem dielektrischem Material

Info

Publication number: DE818965C
Application number: DEN332A
Authority: DE
Inventors: Hans George Baerwald
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1949-12-28
Filing date: 1949-12-28
Publication date: 1951-10-29

Description

Gegen Biegung oder Torsion elektromechanisch empfindlicher Umformungskörper aus keramischem dielektrischem Material Die Erfindung bezieht sich auf gegen Biegung oder Torsion elektromechanisch empfindliche Körper, die aus keramischem di elektrischem Material bestehen, d. h. Körper, die zur Umwandlung der bei Biegung oder Torsion auftretenden mechanischen Energie in elektrische Energie oder umgekehrt fähig sind und die z. B. auf Basis von Metatitanaten, wie Bariummetatitanat,oder ähnlichen Stoffen zusammengesetzt sind, die als piezoelektrische, keramische Stoffe bezeichnet werden können.
Derartige Stoffe weisen bei ihrer Verwendung häufig nur die gewünschten elektromechanischen Eigenschaften auf, wenn ein polarisierendes Feld angelegt wird. Bei gewissen Stoffen, z. B. bei dem bereits erwähnten Bariummetatitanat, verbleibt jedoch eine hinreichend große remanente Polarisation, wodurch während der Energieumwandlung ein dauerndes Vorpolarisationsfeld entbehrlich ist.
Die fraglichen Umformungskörper können mit Elektroden und Mitteln zur Aufnahme und Abgabe mechanischer Energie versehen, bei der Konstruktion elektromechanischer Vorrichtungen, wie Tonabnehmer, Schreiber, Mikrophone, Lautsprecher und Schalter, verwendet werden.
Der Umformungskörper aus keramischem dielektrischem Material gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß er frei von makroskopischen Unterbrechungen im Material ist und ein Teil des Körpers beim Anlegen einer Gleichspannung elektromechanische Umformungseigenschaften aufweist, die von denjenigen eines anderen Teiles des Körpers verschieden sind, dessen Zusammensetzung von derjenigen des erstgenannten Teiles verschieden ist.
Unter einem von makroskopischen Unterbrechungen im Material freien Körper ist im vorliegenden Fall ein Körper zu verstehen, bei dem infolge der polykristallinischen Mikrostruktur zwar Körnergrenzen vorhanden sind, jedoch die Kontinuität des Materials nicht von makroskopischen Trennungsflächen oder Zwischenschichten gestört ist. Letzteres trifft z. B. wohl zu bei den bekannten Biegungs- oder Torsionskörpern, die aus zwei gesonderten zusammengebauten Teilen bestehen, die mit Hilfe einer Leimschicht zu einem Körper vereinigt sind.
Bei den keramischen Körpern nach der Erfindung tritt nicht der den vorerwähnten bekannten Bauarten innewohnende Nachteil auf, bei denen gesonderte Teile mit Hilfe einer Leimschicht zu einem Ganzen vereinigt sind. Im letztgenannten Fall kann nämlich durch unvollkommenes Festhaften und infolge des Unterschieds in Schubkoeffizienten zwischen der Leimschicht und dem Material der Teile, ein beträchtlicher Teil der mechanischen Energie verlorengehen.
Im allgemeinen kann die Zusammensetzung, die in zwei Teilen des keramischen Körpers verschieden sein muß, gleichmäßig von der einen in die andere übergehen. Es ist aber auch möglich, daß eine sprungweise Änderung der Zusammensetzung auftritt. Jedenfalls soll der molekulare Aufbau oder die Kristallstruktur eine so große Übereinstimmung aufweisen, daß die im wesentlichen von der Kohäsion und der Elastizität bestimmten mechanischen Eigenschaften im ganzen Körper etwa gleich sind.
Der Körper kann z. B. aus einem Teil zusammengesetzt sein, der aus polykristallinischem Bariummetatitanat besteht, während ein anderer Teil aus einem Substitutionsmischkristall desselben besteht, z. B. aus einem Bariumstrontiumtitanat. Gegebenenfalls kann das Material noch geringe Prozentsätze anderer Stoffe enthalten, wie z. B. die Oxyde von Calcium, Aluminium oder Silicium.
Ein besonderer Vorteil des Aufbaus eines Umformungskörpers aus Bariumtitanat und Bariumstrontiumtitanat ist noch der, daß das gemischte Titanat bei den Betriebstemperaturen eine höhere Dielektrizitätskonstante als das erstgenannte haben kann. Infolgedessen wird in diesem Fall eine Signalspannung ein stärkeres Feld in dem aus Bariumtitanat bestehenden Teil erzeugen, der die größte elektromechanische Empfindlichkeit hat, wodurch die Nutzwirkung des Umformungskörpers gesteigert wird.
Wenn ein Teil des Körpers elektrisch leitend ist, wird eine Signalspannung ein stärkeres Feld in einem nichtleitenden elektromechanisch empfindlichen Teil erzeugen, wodurch die Nutzwirkung des Umformungskörpers gleichfalls erhöht werden kann.
Als keramische Rohstoffe zur Herstellung der Körper kommen neben den erwähnten Titanaten und ähnlichen Stoffen selbst auch Gemische von Stoffen in Betracht, die bei Erhitzung in dieselben übergehen können.
Zur Herstellung des keramischen Körpers kann auf die in der keramischen Technik bekannte Weise eine Platte aus einem keramischen Rohstoff, z. B. Bariummetatitanat, und auch eine aus einem anderen Rohstoff, z. B. Bariumstrontiumtitanat, gebildet werden. Danach werden die gebildetere Platten aufeinander gelegt und das Ganze gesintert. Bei der Sinterung wird dann die Trennfläche zwischen den beiden verschieden zusammengesetzten Teilen vollständig aufgehoben. Wenn eine Gleichspannung angelegt wird, wird in verschiedenen Teilen des erhaltenen Körpers eine verschiedene Vorpolarisation erzeugt. Die elektromechanische Empfindlichkeit des aus Bariumtitanat bestehenden Teils übersteigt beträchtlich diejenigen des anderen Teils.
Mit Rücksicht auf die erwünschte, weitgehendste Aufhebung der Trennfläche zwischen den zwei Teilen verschiedener Zusammensetzung im Körper, wird ein Verfahren bevorzugt, bei dem das Auftreten makroskopischer Trennflächen auch in Zwischenstufen völlig vermieden wird. Zu diesem Zweck kann ein Körper aus Bariummetatitanat gebildet und dieser Körper an einer Oberfläche derart chemisch behandelt werden, daß die Zusammensetzung an dieser Oberfläche geändert wird. Dies kann z. B. durch Behandlung mit einem Stoff erfolgen, der mit dem Bariummetatitanat reagiert oder mit diesem einen Mischkristall oder eine feste Lösung bildet.
Ein zur erwähnten Behandlung in Betracht kommender Stoff ist Strontiumoxyd, vorzugsweise Strontiumtitanat. Der Stoff kann z. B. gegebenenfalls mit einem pulverigen Sinterungsmittel gemischt, auf der aus Bariumetatitanat bestehenden Platte angeordnet werden, während der darauf folgenden Sinterung wird der auf die Oberfläche aufgebrachte Stoff in die Platte bis zu einer Tiefe eindringen, die von der aufgebrachten Menge und von dem bei der Sinterung durchlaufenden Temperaturzyklus abhängig ist. Bis zu dieser Tiefe ändert sich die Zusammensetzung des Materials unter $ildung von Bariumstrontiumtitanat. Beim Anlegen einer Gleichspannung wird dieser Teil eine niedrigere Polarisation als das ungeänderte Bariummetatitant im übrigen Teil des Körpers haben. Wenn das Molekularverhältnis zwischen dem Strontiumtitanat und dem Bariumtitanat im modifizierten Teil des Körpers über z5:75 oder 30 :7o liegt, wird der so zusammengesetzte Teil praktisch keine remanente Polarisation aufweisen.
Ein anderer Stoff, der die Eigenschaften des Bariumtitanats örtlich zu ändern vermag, ist z. B. Zinnoxyd, das unter Bildung von Stannat reagieren kann. Zum Sichern der erwünschten Änderung der Eigenschaften kann mit einer geringeren Menge Zinnoxyd ausgekommen werden, als es bei Verwendung von Strontiumoxyd erforderlich ist.
Eine weitere Möglichkeit zur Änderung der elektromechanischen Eigenschaften in einem Teil des keramischen Körpers besteht in örtlicher Reduktion. Wenn z. B. eine aus Bariumtitanat hergestellte Platte an einer Seite einer reduzierenden Gasatmosphäre ausgesetzt wird, entsteht örtlich teilweise reduziertes Bariumtitanat, das ein sog. Halbleiter ist. Ein solcher Umformungskörper hat den bereits vorerwähnten Vorteil einer größeren Nutzwirkung.
Auch kann der z. B. aus Bariumtitanat hergestellte Körper zur Gänze reduzierend gesintert werden, worauf der erhaltene leitende Körper während einiger Zeit in einer oxydierenden Atmosphäre geheizt wird, so daß ein Körper mit einem leitenden Kern entsteht, der von nicht leitendem Material umgeben wird. Hat man in dieser Weise einen plattenförmigen Körper hergestellt, so verbleibt nach Entfernung der Randteile ein aus drei Schichten bestehender Körper, der aus einer Zwischenschicht aus leitendem, teilweise reduziertem Material und zwei Außenschichten von elektromechanisch sehr empfindlichem Material besteht. Bei einem derartigen Umformungskörper besteht die Möglichkeit, die elektromechanisch empfindlichen Teile entgegengesetzt zu polarisieren; zu diesem Zweck können der leitende Zwischenteil mit einem Pol und die beiden anderen Teile gemeinsam mit dem anderen Pol der polarisierenden Spannungsquelle verbunden werden.
Zur Herstellung der keramischen Körper gemäß der Erfindung kann auch mit Erfolg folgendes Verfahren Anwendung finden. Auf einem Träger wird zunächst eine Schicht des einen Materials und danach eine Schicht des Materials verschiedener Zusammensetzung angebracht. Dies kann z. B. dadurch erfolgen, daß der Träger sukzessive in Dispersionen der verschiedenen keramischen Rohstoffe eingetaucht wird; nach Trocknen wird der Träger entfernt und es wird gesintert.
Bei Verwendung eines Trägers aus nicht hitzebeständigem Material, z. B. Papier oder thermoplastischem Filmmaterial, kann die Entfernung durch Verbrennung während der Sinterung stattfinden.
Zur Sicherstellung einer gleichmäßigen Ablagerung des dispergierten Rohstoffs auf den Träger beim Eintauchen in eine Dispersion wird auf dem Träger vorzugsweise zunächst ein Stoff angebracht, der den keramischen Rohstoff aus der Dispersion ausflocken lassen kann. Es ist vorteilhaft, vor der Anordnung der zweiten Schicht auf dem Träger die erste zu trocknen. Gegebenenfalls kann in der Zwischenzeit die Benetzung mit dem Ausflockungsmittel wiederholt werden.
Bei diesem Verfahren wird eine Dispersion des keramischen Rohstoffs, gegebenenfalls mit einem Bindemittel, wie z. B. Polyvinylalkohol oder arabischem Gummi, in einem geeigneten Mittel, z. B. Wasser, verwendet, in dem vorzugsweise ein Dispergiermittel aufgelöst ist, z. B. naphthalensulfonsaures Natrium.
Als Flockungsmittel kommt z. B. Ammoniumpentaborat in Betracht, das auf dem Träger durch Eintauchen in eine wässerige Lösung desselben, gegebenenfalls unter Hinzufügung z. B. von Äthylalkohol als Benetzungsmittel, angebracht werden kann. Andere zu diesem Zweck geeignete Lösungen sind konzentrierte, wässerige Lösungen von Ameisensäure oder Essigsäure, verdünnt mit Äthylalkohol oder Aceton; verwendbar sind ebenfalls Lösungen von Calciumchlorid oder Calciumnitrat in einem Gemisch von Aceton und Alkohol.
Nachdem der z. B. aus Papier bestehende Träger mit den keramischen Rohstoffen bedeckt worden ist, wird gesintert, wobei der Träger verschwindet. Vor oder nach der Sinterung wird das Ganze zur Erzielung keramischer Körper geeigneter Bemessung in Stücke aufgeteilt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Gegen Biegung oder Torsion elektromechanisch empfindlicher Umformungskörper aus keramischem dielektrischem Material, dadurch gekennzeichnet, daß er frei von makroskopischen Unterbrechungen im Material ist und ein Teil des Körpers beim Anlegen einer Gleichspannung elektromechanische Umformungseigenschaften aufweist, die von denen eines anderen Teils des Körpers verschieden sind, dessen Zusammensetzung von derjenigen des erstgenannten Teils verschieden ist.
2. Umformungskörper nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß er auf Basis von Metatitanaten zusammengesetzt ist.
3. Umformungskörper nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Körpers eine und ein anderer Teil desselben Körpers, mit vom ersteren abweichender Zusammensetzung, keine remanente Polarisation hat.
4. Umformungskörper nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil eine niedrigere Dielektrizitätskonstante als ein anderer Teil hat.
5. Umformungskörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil mit niedrigerer Dielektrizitätskonstante elektromechanisch am empfindlichsten ist.
6. Umformungskörper nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil aus Bariummetatitanat und ein anderer Teil aus einem Substitutionsmischkristall desselben besteht.
7. Umformungskörper nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil elektrisch leitend ist. B.
Umformungskörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß er aus zwei elektromechanisch empfindlichen Teilen besteht, zwischen den sich ein elektrisch leitender Teil befindet.
9. Verfahren zur Herstellung eines Umformungskörpers nach einem der Ansprüche i bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper durch Zusammensintern vereinzelt geformter Teile verschiedener Zusammensetzung erhalten wird. io.
Verfahren zur Herstellung eines Umformungskörpers nach einem der Ansprüche i bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Rohstoff homogener Zusammensetzung geformt wird und in einem Teil desselben die Zusammensetzung örtlich modifiziert und das Ganze gesintert wird. ii.
Verfahren nach Anspruch io, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche ein pulveriger Stoff aufgebracht wird und die Änderung der Zusammensetzung während der Sinterung des Körpers erfolgt.
12. Verfahren zur Herstellung eines Umformungskörpers nach einem der Ansprüche ¢ oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrizitätskonstante eines Teils des Körpers durch Mischkristallbildung gesteigert wird.
13- Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Körper aus einer Bariummetatitanatmasse geformt und die Dielektrizitätskonstante eines Teils desselben durch Behandlung mit Strontiumtitanat erhöht wird.
14. Verfahren zur Herstellung eines Umformungskörpers nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des geformten Körpers örtlich durch Reduktion elektrisch leitend gemacht wird.
15. Verfahren zur Herstellung eines Umformungskörpers nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der geformte Körper reduzierend erhitzt und der so erhaltene leitende Körper örtlich durch Oxydation isolierend gemacht wird.
16. Verfahren zur Herstellung eines Umformungskörpers nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Körper geformt und in einer reduzierenden Atmosphäre gesintert wird, wonach der so erhaltene leitende Körper in einer oxydierenden Atmosphäre erhitzt wird, so daß nach Entfernung der Randteile ein Körper mit einem leitenden Zwischenteil und nicht leitenden Außenschichten entsteht, wobei letztere entgegengesetzt polarisiert werden können.
17. Verfahren zur Herstellung eines Umformungskörpers nach einem der Ansprüche r bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Schichten aus keramischen Rohstoffen verschiedener Zusammensetzung auf einem Träger angebracht werden, der Träger entfernt und das Ganze gesintert wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein nicht hitzebeständiger Träger verwendet wird, der beim Sintern verschwindet. Z9.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Rohstoffe auf dem Träger durch Eintauchen in eine Dispersion derselben angebracht werden, die vorzugsweise außerdem ein Bindemittel enthält. 2o.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis Z9, dadurch gekennzeichnet, daß vor Anbringung einer Schicht aus keramischem Rohstoff auf dem Träger ein Stoff aufgebracht wird, der den keramischen Stoff aus einer Dispersion desselben ausflocken läßt.
21. Verfahren nach Anspruch 2o, dadurch gekennzeichnet, daß beim Anbringen des Stoffes mit ausflockender Wirkung, mit Hilfe einer Lösung desselben, ein Benetzungsrnittel verwendet wird.