RU2185351C2

RU2185351C2 - Piezoelectric ceramic material

Info

Publication number: RU2185351C2
Application number: RU2000117200A
Authority: RU
Inventors: Ю.А. Вусевкер; А.Е. Панич; Ю.Е. Левицкий; В.Ю. Вусевкер; Д.Э. Файнридер; В.Н. Дерезин
Original assignee: Научное конструкторско-технологическое бюро "Пьезоприбор" Ростовского государственного университета
Priority date: 2000-06-27
Filing date: 2000-06-27
Publication date: 2002-07-20

Abstract

FIELD: manufacture of piezoelements for sensors in rocketry and space engineering. SUBSTANCE: material contains components at the following ratio, mole-%: d₃₃, 76.0 to 76.5; PbTiO₃, 19.0 to 20.0; PbZrO₃, 1.5 to 2.0; BiTi_3/4O₃, 0.5 to 1.0; CaTiO₃, 0.5 to 1.0; BaTiO₃, 0.5 to 1.0. EFFECT: enhanced piezoelectric parameters extended to 400 C; extended range of working temperature; enhanced stability of piezoelectric modulus SrTiO₃ at high temperatures and pressures. 3 tbl

Description

Изобретение относится к области пьезоэлектрических керамических материалов и может быть использовано для создания электромеханических преобразователей, работающих в широком диапазоне температур и давлений. The invention relates to the field of piezoelectric ceramic materials and can be used to create electromechanical transducers operating in a wide range of temperatures and pressures.

Известны следующие пьезокерамические материалы на основе цирконата-титаната свинца, работающие при повышенных температурах:
-ЦТС-21 /1/, имеющий параметры:
ε₃₃/ε₀ = 420-600; tgδ ≤ 0,018; K_p=0,27-0,4;
|d₃₁| = (30-60) пКл/H; d₃₃=75-120 пКл/Н; Т_к≥400^oС;
- пьезокерамический материал /2/, имеющий параметры:
ε $\binom{T}{33}$ /ε₀ = 450; tgδ = 0,01; К_p=0,32;
|d₃₁| = 35 пКл/H; d₃₃=75 пКл/Н; Т_к=400^oС.The following piezoelectric ceramic materials based on lead zirconate titanate operating at elevated temperatures are known:
-TsTS-21/1 / having parameters:
ε ₃₃ / ε ₀ = 420-600; tanδ ≤ 0.018; K _p = 0.27-0.4;
| d ₃₁ | = (30-60) pCl / H; d ₃₃ = 75-120 pCl / N; T _to ≥400 ^o C;
- piezoceramic material / 2 /, having parameters:
ε $T$ $\binom{}{33}$ / ε ₀ = 450; tanδ = 0.01; K _p = 0.32;
| d ₃₁ | = 35 pCl / H; d ₃₃ = 75 pCl / N; T _to = 400 ^o C.

Указанные пьезокерамические материалы имеют хорошую пьезоэлектрическую активность, однако их максимальная рабочая температура не превышает 300^oС.These piezoceramic materials have good piezoelectric activity, however, their maximum operating temperature does not exceed 300 ^o C.

Наиболее близким к заявляемому материалу по технической сущности является пьезоэлектрический керамический материал /3/, содержащий ВiTi_3/4О₃, РbТiO₃, PbZrО₃, PbW_1/2Cd_1/2O₃, при следующем соотношении компонентов, мол.%:
РbТiO₃ - 58,25-62,25
PbZrО₃ - 19,25-20,75
PbW_1/2Cd_1/2O₃ - 2,0-2,50
ВiTi_3/4O₃ - 15,0-20,0
имеющий параметры:
ε $\binom{T}{33}$ /ε₀ = 280-320; tgδ = 0,015; К_p=0,16;
|d₃₁| = 15 пКл/H; d₃₃=35-42 пКл/Н; Т_к=442-456^oС.The closest to the claimed material in technical essence is a piezoelectric ceramic material / 3 / containing BiTi _3/4 O ₃ , PbTiO ₃ , PbZrO ₃ , PbW _1/2 Cd _1/2 O ₃ , with the following ratio of components, mol.%:
PbTiO ₃ - 58.25-62.25
PbZrО ₃ - 19.25-20.75
PbW _1/2 Cd _1/2 O ₃ - 2.0-2.50
BiTi _3/4 O ₃ - 15.0-20.0
having parameters:
ε $T$ $\binom{}{33}$ / ε ₀ = 280-320; tanδ = 0.015; K _p = 0.16;
| d ₃₁ | = 15 pCl / H; d ₃₃ = 35-42 pCl / N; T _to = 442-456 ^o C.

Указанный материал имеет хорошую температурную стабильность пьезоэлектрических характеристик в рабочем диапазоне температур (изменение пьезомодуля d₃₃ составляет 9-17%).The specified material has good temperature stability of the piezoelectric characteristics in the operating temperature range (the change in the piezoelectric module d ₃₃ is 9-17%).

Однако, верхняя граница рабочего диапазона температур не превышает 350^oС. Кроме того, материал имеет недостаточно высокую пьезоэлектрическую активность.However, the upper limit of the operating temperature range does not exceed 350 ^o C. In addition, the material has a relatively low piezoelectric activity.

Заявляемое изобретение позволяет получить пьезоэлектрический керамический материал с повышенными значениями пьезоэлектрических параметров и расширенным до 400^oС диапазоном рабочих температур. Заявляемый материал также имеет хорошую стабильность пьезоэлектрического параметра d₃₃ при воздействии высоких (до 400^oС) температур и одноосного сжатия до 150 МПа.The claimed invention allows to obtain a piezoelectric ceramic material with increased values of the piezoelectric parameters and expanded to 400 ^o With a range of operating temperatures. The inventive material also has good stability of the piezoelectric parameter d ₃₃ when exposed to high (up to 400 ^o C) temperatures and uniaxial compression up to 150 MPa.

Указанный технический эффект достигается тем, что пьезокерамический материал, включающий в себя титанат висмута ВiТi_3/4O₃, титанат свинца РbТiO₃ и цирконат свинца РbZrO₃, дополнительно содержит титанат кальция СаТiO₃, титанат бария ВаТiO₃ и титанат стронция SrТiO₃, при следующем соотношении компонентов, мол.%:
РbТiO₃ - 76,0-76,5
PbZrO₃ - 19,0-20,0
ВiТi_3/4O₃ - 1,5-2,0
СаТiO₃ - 0,5-1,0
ВаТiO₃ - 0,5-1,0
SrТiO₃ - 0,5-1,0
Такое соотношение компонентов и наличие титанатов кальция, бария и стронция повышает пьезоэлектрическую активность (К_p=0,2; |d₃₁| = 20 пКл/H; d₃₃= 60 пКл/Н) и повышает температуру точки Кюри, расширяя тем самым диапазон рабочих температур до 400^oС. Кроме того, материал работает в условиях одновременного воздействия одноосного сжатия до 150 МПа и высокой температуры (до 400^oС).The indicated technical effect is achieved in that the piezoceramic material, which includes bismuth titanate BiTi _3/4 O ₃ , lead titanate PbTiO ₃ and lead zirconate PbZrO ₃ , additionally contains calcium titanate CaTiO ₃ , barium titanate BaTiO ₃ and strontium titanate SrТiO ₃ , the following ratio of components, mol.%:
PbTiO ₃ - 76.0-76.5
PbZrO ₃ - 19.0-20.0
ViTi _3/4 O ₃ - 1.5-2.0
CaTiO ₃ - 0.5-1.0
BaTiO ₃ - 0.5-1.0
SrТiO ₃ - 0.5-1.0
This ratio of components and the presence of calcium, barium and strontium titanates increases the piezoelectric activity (K _p = 0.2; | d ₃₁ | = 20 pC / H; d ₃₃ = 60 pC / N) and increases the temperature of the Curie point, thereby expanding the range operating temperatures up to 400 ^o C. In addition, the material operates under conditions of simultaneous uniaxial compression up to 150 MPa and high temperature (up to 400 ^o C).

Изобретение осуществляется следующим образом. The invention is as follows.

В качестве исходных компонентов используются оксиды металлов, которые смешиваются в водной среде в течение 48 часов. После обезвоживания проводится синтез, который осуществляется в две стадии с промежуточным помолом. Температура первого синтеза 840^oС, второго 870^oС. Общее время выдержки 7 часов. После второго синтеза материал вновь измельчается, а затем формируется в изделие.As initial components, metal oxides are used, which are mixed in an aqueous medium for 48 hours. After dehydration, synthesis is carried out, which is carried out in two stages with intermediate grinding. The temperature of the first synthesis is 840 ^o C, the second 870 ^o C. The total exposure time is 7 hours. After the second synthesis, the material is again crushed, and then formed into a product.

Обжиг изделий проводится при температуре 1230-1260^oС в течение 2-3 часов в защитной атмосфере РbO (используется свинецсодержащая засыпка). После механической обработки поверхностей образцов на них наносятся электроды.The products are fired at a temperature of 1230-1260 ^o C for 2-3 hours in a protective atmosphere of PbO (used lead-containing filling). After machining the surfaces of the samples, electrodes are applied to them.

Поляризация осуществляется в полиэтилсилоксановой жидкости при температуре 170^oС в течение 30 минут в поле с напряженностью 4 кВ/мм. Измерение электрофизических параметров производится в соответствии с ОСТ 11 0444-87; пьезомодуль d₃₃ определяется в квазистатическом режиме. Основные электрофизические параметры заявляемого материала и материала-прототипа приведены в таблице 1. Данные, приведенные в таблице 1, подтверждают преимущество предлагаемого пьезокерамического материала по сравнению с материалом-прототипом, а именно - повышение пьезоэлектрической активности (увеличение значений К_p, d₃₁, d₃₃), повышение температуры точки Кюри и, следовательно, расширение диапазона рабочих температур. Кроме того, возможно применение материала в условиях воздействия одноосного сжатия до 150 МПа.Polarization is carried out in a polyethylsiloxane liquid at a temperature of 170 ^o C for 30 minutes in a field with a strength of 4 kV / mm Measurement of electrical parameters is carried out in accordance with OST 11 0444-87; the piezoelectric module d ₃₃ is determined in a quasistatic mode. The main electrophysical parameters of the claimed material and the prototype material are shown in table 1. The data shown in table 1 confirm the advantage of the proposed piezoceramic material compared with the prototype material, namely, an increase in piezoelectric activity (increase in the values of K _p , d ₃₁ , d ₃₃ ), increasing the temperature of the Curie point and, consequently, expanding the range of operating temperatures. In addition, it is possible to use the material under conditions of uniaxial compression up to 150 MPa.

В таблице 2 приведены основные характеристики предлагаемого материала в зависимости от состава. Table 2 shows the main characteristics of the proposed material depending on the composition.

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что пьезокерамический материал предлагаемого состава обладает оптимальными характеристиками, с точки зрения решаемой технической задачи, в интервале величин, указанном в формуле изобретения. The obtained experimental data indicate that the piezoceramic material of the proposed composition has optimal characteristics, from the point of view of the technical problem being solved, in the range of values specified in the claims.

В таблице 3 приведены экспериментальные данные, подтверждающие работоспособность материала в условиях воздействия одноосного сжатия до 150 МПа. Table 3 shows the experimental data confirming the performance of the material under the influence of uniaxial compression up to 150 MPa.

Применение изобретения перспективно при изготовлении пьезоэлементов, используемых в качестве рабочих элементов датчиков с повышенными требованиями к стабильности коэффициента преобразования при совместном воздействии высокой температуры и высокого статического давления. В частности, перспективно применение изобретения на объектах ракетно-космической техники. The application of the invention is promising in the manufacture of piezoelectric elements used as working elements of sensors with increased requirements for the stability of the conversion coefficient when combined with high temperature and high static pressure. In particular, the application of the invention at the objects of rocket and space technology is promising.

Источники информации. Sources of information.

1. ОСТ 110444-87. Материалы пьезокерамические. Технические условия. 1. OST 110444-87. Piezoceramic materials. Technical conditions

2. SU, авторское свидетельство 975681, кл. С 04 В 35/46, 1982. 2. SU, copyright certificate 975681, cl. C 04 V 35/46, 1982.

3. SU, авторское свидетельство 1073227, кл. С 04 В 35/46, 1984. 3. SU, copyright certificate 1073227, cl. C 04 V 35/46, 1984.

Claims

Piezoelectric ceramic material, including BiTi _3/4 O ₃ , PbTiO ₃ , PbZrO ₃ , characterized in that it additionally contains CaTiO ₃ , BaTiO ₃ and SrTiO ₃ in the following ratio of components, mol. %:
PbTiO ₃ - 76.0-76.5
PbZrO ₃ - 19.0-20.0
BiTi _3/4 O ₃ - 1.5-2.0
CaTiO ₃ - 0.5-1.0
BaTiO ₃ - 0.5-1.0
SrTiO ₃ - 0.5-1.0