PL223802B1 - Magnetoelektryczny kompozyt ceramiczny - Google Patents

Magnetoelektryczny kompozyt ceramiczny

Info

Publication number
PL223802B1
PL223802B1 PL397945A PL39794512A PL223802B1 PL 223802 B1 PL223802 B1 PL 223802B1 PL 397945 A PL397945 A PL 397945A PL 39794512 A PL39794512 A PL 39794512A PL 223802 B1 PL223802 B1 PL 223802B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
composite
magnetoelectric
mole
magnetic field
ferrite
Prior art date
Application number
PL397945A
Other languages
English (en)
Other versions
PL397945A1 (pl
Inventor
Piotr Guzdek
Original Assignee
Inst Tech Elektronowej
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Inst Tech Elektronowej filed Critical Inst Tech Elektronowej
Priority to PL397945A priority Critical patent/PL223802B1/pl
Publication of PL397945A1 publication Critical patent/PL397945A1/pl
Publication of PL223802B1 publication Critical patent/PL223802B1/pl

Links

Landscapes

  • Magnetic Ceramics (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Description

Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest magnetoelektryczny kompozyt ceramiczny przeznaczony do wytwarzania czujników pola magnetycznego.
Typowe czujniki do pomiaru natężenia pola magnetycznego realizuje się w oparciu o element y indukcyjne lub czujniki wykorzystujące efekt Halla. Niedogodnością czujników indukcyjnych jest silna zależność sygnału wyjściowego od częstotliwości zmian pola magnetycznego, co sprawia, że amplit uda sygnału wyjściowego zanika przy małych częstotliwościach. Z kolei, czujniki pola magnetycznego wykorzystujące efekt Halla, z uwagi na małą amplitudę sygnału wyjściowego, wymagają wyposażenia w precyzyjne i stabilne źródło zasilania oraz dodatkowy, skompensowany termicznie układ wzmacni ający sygnał wyjściowy czujnika. Z drugiej strony, magnetoelektryczne czujniki ceramiczne charakteryzują się prostą budową, dużą niezawodnością i wykazują stosunkowo duże zmiany sygnału wyjściowego, co upraszcza układ aplikacyjny. W materiałach magnetoelektrycznych zewnętrzne pole magnetyczne indukuje polaryzację elektryczną (efekt magnetoelektryczny) poprzez mechaniczne sprzężenie pomiędzy podsystemem magnetostrykcyjnym i piezoelektrycznym. Naprężenia, powstałe u wyniku zmiany rozmiaru domen magnetycznych w materiale magnetostrykcyjnym, powodują wzrost polaryzacji domen elektrycznych w materiale piezoelektrycznym w kierunku rozciągania i spadek polaryzacji domen elektrycznych w kierunku ściskania. Zmiana polaryzacji elektrycznej jest związaną ze zmianą gęstości ładunków elektrycznych w pobliżu ścian domenowych co jest przyczyną indukowania pola elektrycznego w całych domenach. Zazwyczaj materiały jednofazowe wykazują niewielki efekt magnetoelektryczny. Obecnie szczególny nacisk kładzie się na kompozyty ferrytowo-relaksorowe, w których efekt magnetoelektryczny jest znacznie większy niż w materiałach jednofazowych.
Monolityczne magnetoelektryczne czujniki pola magnetycznego wykonuje się w oparciu o kompozyty zawierające: magnetostrykcyjne ferryty rozproszone w piezoelektrycznym materiale ceramicznym.
Znane z literatury są rozwiązania wykorzystujące piezoelektryczne perowskity takie jak BaTiO3, PbTiO3, Pb(Zr,Ti)O3 i ferrimagnetyczne ferryty (NiZnCuCo)Fe2O4. W publikacji K.K. Patankar, V.L. Mathe, R.P. Mahajan, S.A. Patil, Ram Manohar Reddy, K.V. SivaKumar „Dielectric behaviour and magnetoelectric effect in CuFe2O4 - Ba0.8Pb0.2TiO3 composites”, Materials Chemistry and Physics 72 (2001) 23-29 opisano technologię wytwarzania oraz właściwości magnetoelektryczne kompozytów o składzie xBa0.8Pb0.2TiO3 - (1-x)CuFe2O4 (x=0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9). Zarówno ferryt CuFe2O4 jak i ferroelektryk Ba0.8Pb0.2TiO3 wytworzono konwencjonalną metodą reakcji w fazie stałej. Następnie materiały te wymieszano w odpowiednim stosunku wagowym i wykonano kompozyty w formie past ylek, które spiekano w temperaturze 950°C przez 1.5 godziny. Pomiary efektu magnetoelektrycznego w temperaturze pokojowej wykazały, że najwyższy współczynnik magnetoelektryczny na poziomie 230 gV/(cmOe) posiada kompozyt o zawartości Ba0.8Pb0.2TiO3 wynoszącej x=0.7. Współczynnik magnetoelektryczny tych kompozytów praktycznie nie zależy od natężenia stałego pola magnetycznego w zakresie od 0.5 do 6 kOe.
Znane są także z publikacji S.S. Chougule, B.K. Chougule „Response of dielectric behaviour on ferroelectric rich (y)Ni0.8Zn0.62Cu0.2Fe2O4 +(1-y) PZT ME composites”, Materials Chemistry and Physics 108 (2008) 408-412 kompozyty o składzie yNi0.8Zn0.2Fe2O4 +(1-y) PbZr0.52Ti0.48O3 (y=0, 0.15, 0.30, 0.45, 1) wytwarzane konwencjonalną metodą reakcji w fazie stałej. Badane kompozyty spiekano w temperaturze 1200°C przez 5 godzin. Osiągnięto maksymalny współczynnik magnetoelektryczny dla kompozytu 0.15Ni0.8Zn0.2Fe2O4+0.85PbZr0.52Ti0.48O3 na poziomie 0.8 mV/(cmOe) przy natężeniu stałego pola magnetycznego wynoszącym 0.8 kOe.
Znany jest również z publikacji S. Yu, H. Huang, L. Zhou, Y. Ye, S. Ke, Ceramics International 34 (2008) 701-704, kompozyt ceramiczny zawierający ferroelektryk Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 i ferryt Ni0.8Zn0.2Fe2O4 (NZFO). Składniki zmieszano w proporcjach 5:1. Osiągnięto wysoki współczynnik magnetoelektryczny kompozytu ceramicznego, spiekanego w temperaturze 1250°C przez 2 h. wynoszący 64 mV(cmOe) dla natężenia stałego pola magnetycznego 1.1 kOe oraz 406 mV/(cmOe) dla natężenia stałego pola magnetycznego 0.26 kOe.
W publikacji S.R. Kulkami, C.M. Kanamadi. B.K. Chougule „Dielectric and magnetoelectric properties of (x)Ni0.3Zn0.8Co0.1Cu0.1Fe2O4/(1-x)PbZr0.8Ti0.2O3 composites”. Materials Research Bulletin 40 (2005) 2064-2072, opisano wykonanie kompozytów o bardzo wysokim współczynniku magnetoelektrycznym, wynoszącym nawet 625 mV/(cmOe) dla x=0.25 przy natężeniu stałego pola magnetycznego
PL 223 802 B1
750 Oe. Tak wysoki współczynnik magnetoelektryczny uzyskano dzięki wstępnej polaryzacji elektrycznej kompozytu w polu elektrycznym 3 kV/cm przy temperaturze około 180°C.
Znane są z amerykańskiego patentu nr US 20110077663 z 31.03.2011 narzędzia chirurgiczne zawierające elementy magnetoelektryczne, które mogą być wykorzystywane do małoinwazyjnych zabiegów chirurgicznych. Zgodnie z tym opisem patentowym element magnetoelektryczny składa się z warstw piezoelektrycznych oraz magnetostrykcyjnych i umożliwia sterowanie narzędziem poprzez pole magnetyczne. Pole magnetyczne powoduje odkształcenie warstwy magnetostrykcyjnej i zmianę położenia narzędzia. Do kontroli położenia narzędzia wykorzystywane jest napięcie generowane w warstwie piezoelektrycznej. Jako materiały magnetostrykcyjne stosowane są m.in. ferryty kobaltu, niklu, litu, miedzi i manganu a jako materiał piezoelektryczny PZT, Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 - PbTiO3, Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 - PbTiO3.
Z amerykańskiego opisu patentowego nr US 7,226,666 znany jest ulepszony magnetoelektryczny kompozyt ceramiczny, zawierający warstwę kompozycji piezoelektrycznej, która połączona jest z warstwą magnetostrykcyjną, zawierającą materiał ceramiczny o składzie La0.7Sr0.3MnO3 lub La0,7Ca0.3MnO3. Przy czym warstwa kompozytu magnetostrykcyjnego została osobno uformowana na bazie submikronowych proszków ceramicznych, a następnie po sprasowaniu łącznie z warstwą kompozytu piezoceramicznego, obie warstwy poddano procesowi wypalania. Dzięki warstwowej strukturze kompozytu zmniejszono niekorzystny wpływ prądu upływu materiału ferrytowego na wartość współczynnika magnetoelektrycznego.
Magnetoelektryczny kompozyt według wynalazku zawiera relaksor, w postaci Pb(Fe0.5Ta0.5)O3 w ilości od 30% do 60% molowych, ferroelektryk, w postaci PbTiO3 w ilości od 5% do 10% molowych oraz ferryt, w postaci Ni0.3Zn0.62Cu0.08Fe2O4 w ilości od 35% do 70% molowych. Kompozyt ten zawiera również tlenek manganu (IV) MnO2 w ilości od 1% do 2% molowych.
Kompozyt ten zawiera jako składnik ferroelektryczny roztwór stały Pb(Fe0.5Ta0.5)O3 - PbTiO3 i jako składnik ferrimagnetyczny ferryt Ni0.3Zn0.62Cu0.08Fe2O4. Dodatek ferroelektryka PbTiO3 do relaksora Pb(Fe0.5Ta0.5)O3 powoduje korzystne przesunięcie przemiany ferroelektrycznej powstałego roztworu stałego o strukturze perowskitu do temperatury bliskiej pokojowej. Natomiast wprowadzenie do kompozytu dodatku MnO2 ma na celu podwyższenie rezystywności elektrycznej materiału.
Ceramikę otrzymuje się w wyniku spiekania w temperaturze 950-1050°C.
Elementem nowości w kompozycie ceramicznym według wynalazku jest zastosowanie jako składnika ferroelektrycznego relaksorowego ferroelektryka Pb(Fe0.5Ta0.5)O3, który posiada właściwości multiferroiczne oraz jako składnika magnetostrykcyjnego miękkiego ferrytu Ni0.3Zn0.62Cu0.08Fe2O4. Kompozyt ten umożliwia uzyskanie w temperaturze pokojowej dużego współczynnika magnetoelektrycznego (na poziomie 20 mV/(cmOe). Ponadto dzięki zastosowaniu miękkiego ferrytu o stosunkowo dużej rezystywności, o bardzo wąskiej pętli histerezy i wysokim namagnesowaniu nasycenia, kompozyt ten może być wykorzystywany w układach poddawanych działaniu szybko zmiennych pól magnetycznych (straty energii w materiale wyraźnie zależą od tego, w jakim stopniu przewodzi prąd elektryczny i jak szeroka jest pętla histerezy magnetycznej). Ponadto kompozyt ten może być wykorzyst any do wykonania czujników pola magnetycznego, czujników nacisku, czujników drgań oraz magnetoelektrycznych komórek pamięci.
Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na czterech przykładach wykonania.
P r z y k ł a d wykonania I
Wykonano ceramiczny kompozyt magnetoelektryczny zawierający 51% molowych relaksora Pb(Fe0.5Ta0.5)O3, 9% molowych ferroelektryka PbTiO3 i 38% molowych ferrytu Ni0.3Zn0.62Cu0.08Fe2O4. Jako dodatek podnoszący rezystywność ceramiki wprowadzono 2% molowych MnO2.
P r z y k ł a d wykonania II
Wykonano ceramiczny kompozyt magnetoelektryczny zawierający 35% molowych relaksora Pb(Fe0.5Ta0.5)O3, 6% molowych ferroelektryka PbTiO3 i 57% molowych ferrytu Ni0.3Zn0.62Cu0.08Fe2O4 oraz jako dodatek podnoszący rezystywność ceramiki wprowadzono 2% molowych MnO2.
P r z y k ł a d wykonania III
Wykonano ceramiczny kompozyt magnetoelektryczny zawierający 51% molowych relaksora Pb(Fe0.5Ta0.5)O3, 9% molowych ferroelektryka PbTiO3 i 40% molowych ferrytu Ni0.3Zn0.62Cu0.08Fe2O4.
P r z y k ł a d zastosowania IV
Wykonano ceramiczny kompozyt magnetoelektryczny zawierający 51% molowych relaksora Pb(Fe0.5Ta0.5)O3, 9% molowych ferroelektryka PbTiO3 i 38% molowych ferrytu Ni0.3Zn0.62Cu0.08Fe2O4. Jako dodatek podnoszący rezystywność ceramiki wprowadzono 2% molowych MnO2.
PL 223 802 B1
W przykładach, syntezę poszczególnych składników kompozytu magnetoelektrycznego przeprowadzono na drodze konwencjonalnej reakcji w fazie stałej. Syntezę ferrytu Ni0.3Zn0.62Cu0.08Fe2O4 przeprowadzono w temperaturze 1050°C przez 4 h. Do syntezy ferroelektrycznego relaksora Pb(Fe0.5Ta0.5)O3 o strukturze perowskitu zastosowano dwuetapową metodę wolframitową, która pozwala uniknąć tworzenia się niepożądanych faz o strukturze pirochloru. Najpierw przeprowadzono reakcję Fe2O3 i Ta2O5 w temperaturze 1000°C przez 5 h, a następnie reakcję PbO z wolframitem FeTaO4 w temperaturze 850°C przez 5 h. Poszczególne produkty syntezy nieorganicznych związków mielono w młynku kulowym firmy Fritsch w alkoholu izopropylowym przez 8 h. Relaksor Pb(Fe0.5Ta0.5)O3 mieszano z 15% molowymi normalnego ferroelektryka PbTiO3 w celu przesunięcia ferroelektrycznej przemiany fazowej w kierunku wyższych temperatur.
Z otrzymanych materiałów ceramicznych sporządzono mieszaninę, z której uformowano kompozytowe pastylki poddane następnie spiekaniu w temperaturze 950°C przez 2 h. Po tej operacji termicznej pastylki kompozytu miały grubość 1 mm. Dla sprawdzenia właściwości kompozyt ten umies zczono w stałym polu magnetycznym, którego wartość zmieniano od 100 Oe do 750 Oe. Napięcie uzyskane pomiędzy naniesionymi na kompozyt elektrodami z pasty srebrnej rosło liniowo wraz ze wzr ostem natężenia stałego pola magnetycznego. Ta cecha, potwierdza możliwość wykorzystania magn etoelektrycznego kompozytu według wynalazku do pomiaru natężenia stałego pola magnetycznego w podanym zakresie.

Claims (1)

  1. Magnetoelektryczny kompozyt ceramiczny zawierający spiekane proszki relaksora, ferroelektryka i ferrytu, znamienny tym, że zawartość relaksora, w postaci Pb(Fe0.5Ta0.5)O3 wynosi od 30% do 60% molowych, zawartość ferroelektryka, w postaci PbTiO3 wynosi od 5% do 10% molowych a zawartość ferrytu, w postaci Ni0.3Zn0.62Cu0.08Fe2O4 wynosi od 35% do 70% molowych, ponadto kompozyt zawiera tlenek manganu (IV) MnO2 w ilości od 1% do 2% molowych.
PL397945A 2012-01-31 2012-01-31 Magnetoelektryczny kompozyt ceramiczny PL223802B1 (pl)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL397945A PL223802B1 (pl) 2012-01-31 2012-01-31 Magnetoelektryczny kompozyt ceramiczny

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL397945A PL223802B1 (pl) 2012-01-31 2012-01-31 Magnetoelektryczny kompozyt ceramiczny

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL397945A1 PL397945A1 (pl) 2013-08-05
PL223802B1 true PL223802B1 (pl) 2016-11-30

Family

ID=48904198

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL397945A PL223802B1 (pl) 2012-01-31 2012-01-31 Magnetoelektryczny kompozyt ceramiczny

Country Status (1)

Country Link
PL (1) PL223802B1 (pl)

Also Published As

Publication number Publication date
PL397945A1 (pl) 2013-08-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Shen et al. High room-temperature pyroelectric property in lead-free BNT-BZT ferroelectric ceramics for thermal energy harvesting
Sharma et al. Structural, dielectric, ferromagnetic, ferroelectric and ac conductivity studies of the BaTiO3–CoFe1. 8Zn0. 2O4 multiferroic particulate composites
Wang et al. Pb (In1/2Nb1/2) O3-PbZrO3-PbTiO3 ternary ceramics with temperature-insensitive and superior piezoelectric property
Zhang et al. Dielectric and piezoelectric properties of niobium-modified BiInO3–PbTiO3 perovskite ceramics with high Curie temperatures
Leontsev et al. Origin and magnitude of the large piezoelectric response in the lead-free (1–x) BiFeO3–xBaTiO3 solid solution
Krishnaiah et al. Effect of CoFe2O4 mole percentage on multiferroic and magnetoelectric properties of Na0. 5Bi0. 5TiO3/CoFe2O4 particulate composites
Perumal et al. Investigations on electrical and energy storage behaviour of PZN-PT, PMN-PT, PZN–PMN-PT piezoelectric solid solutions
Rawat et al. Structural, dielectric, ferroelectric and magnetic properties of (x) CoFe 2 O 4-(1-x) BaTiO 3 composite
Rani et al. Structural, dielectric and magnetoelectric studies of [0.5 Ba (Zr0. 2Ti0. 8) O3-0.5 (Ba0. 7Ca0. 3) TiO3]-Ni0. 8Zn0. 2Fe2O4 multiferroic composites
Kanamadi et al. Dielectric and magnetic properties of (x) CoFe2O4+(1− x) Ba0. 8Sr0. 2TiO3 magnetoelectric composites
Hao et al. Phase transitions, relaxor behavior, and electrical properties in (1− x)(Bi0. 5Na0. 5) TiO3–x (K0. 5Na0. 5) NbO3 lead-free piezoceramics
Kumar et al. Dielectric, ferroelectric, energy storage, and pyroelectric properties of Mn-doped (Pb 0.93 La 0.07)(Zr 0.82 Ti 0.18) O 3 anti-ferroelectric ceramics
Sharma et al. Investigation on the effect of ferrite content on the multiferroic properties of (1-x) Ba0. 95Sr0. 05TiO3–(x) Ni0. 7Zn0. 2Co0. 1Fe2O4 ceramic composite
Zhang et al. Microstructure and electrical properties of niobium doped Bi4Ti3O12 layer-structured piezoelectric ceramics
Jiang et al. Phase structure, piezoelectric and multiferroic properties of SmCoO3-modified BiFeO3-BaTiO3 lead-free ceramics
Wang et al. MnCO3 modified PMN-PZT piezoelectric ceramics with enhancing mechanical quality factor and low loss
Chauhan et al. Crystal structure and improved dielectric, magnetic, ferroelectric and magneto-electric properties of x CoFe2O4−(1− x) BaTiO3 multiferroic composites
Chougule et al. Studies on electrical properties and the magnetoelectric effect on ferroelectric-rich (x) Ni0. 8Zn0. 2Fe2O4+ (1− x) PZT ME composites
Yu et al. Effect of sintering temperature on magnetoelectric coupling in 0.2 Ni0. 9Zn0. 1Fe2O4-0.8 Ba0. 9Sr0. 1TiO3 composite ceramics
Kanamadi et al. Synthesis and characterization of CoFe2O4–Ba0. 9Sr0. 1TiO3 magnetoelectric composites with dielectric and magnetic properties
Kadam et al. Dielectric behavior and magnetoelectric effect in Ni0. 75Co0. 25Fe2O4+ Ba0. 8Pb0. 2TiO3 ME composites
Kwon et al. Sintering temperature dependent piezoelectric properties of (Bi, na) TiO3–(Ba, Sr) TiO3 ceramics
Kulkarni et al. Magnetic and dielectric properties of Ni0. 8Co0. 1Cu0. 1Fe2O4+ PZT composites
Rani et al. Study of 0.1 Ni0. 8Zn0. 2Fe2O4− 0.9 Pb1− 3x/2LaxZr0. 65Ti0. 35O3 magnetoelectric composites
PL223802B1 (pl) Magnetoelektryczny kompozyt ceramiczny