RU2358953C2 - Piezoelectric ceramic material - Google Patents
Piezoelectric ceramic material Download PDFInfo
- Publication number
- RU2358953C2 RU2358953C2 RU2007115458/03A RU2007115458A RU2358953C2 RU 2358953 C2 RU2358953 C2 RU 2358953C2 RU 2007115458/03 A RU2007115458/03 A RU 2007115458/03A RU 2007115458 A RU2007115458 A RU 2007115458A RU 2358953 C2 RU2358953 C2 RU 2358953C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- piezoelectric
- ceramic material
- piezoelectric ceramic
- lithium
- electromechanical coupling
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе метаниобата лития и может быть использовано в устройствах дефектоскопического контроля оборудования атомных реакторов, работающих при высоких температурах.The invention relates to piezoelectric ceramic materials based on lithium methaniobate and can be used in inspection devices of equipment of nuclear reactors operating at high temperatures.
Наиболее близким к заявляемому материалу по технической сущности и достигаемому результату является пьезоэлектрический керамический материал на основе метаниобата лития, включающий Li2O, Nb2О5, В2О3, SiO2, CaO. Материал имеет верхний предел рабочих температур Траб=(900+1220)К, пьезомодуль d33=(6,9+13,0)пКл/Н, коэффициент электромеханической связи толщинной моды колебаний kt=0,20, конечное (и низкое) отношение коэффициентов электромеханической связи толщинной kt и планарной kp мод колебаний kt/kp=20, отношение пьезомодулей d33/|d31=20 (низкая анизотропия пьезосвойств). (Смотраков В.Г., Панич А.Е., Полонская A.M., Еремкин В.В., Вусевкер Ю.А. Пьезокерамический материал. // Патент РФ №2040506 от 25.07.1995 по заявке №5058742/33 (приоритет от 14.08.1992), МПК С04В 35/00) (прототип). Для указанного применения материал имеет недостаточно высокие Траб, kt, d33, kt/kp, d33/|d31|.The closest to the claimed material in technical essence and the achieved result is a piezoelectric ceramic material based on lithium methaniobate, including Li 2 O, Nb 2 O 5 , B 2 O 3 , SiO 2 , CaO. The material has an upper working temperature limit T slave = (900 + 1220) K, the piezoelectric module d 33 = (6.9 + 13.0) pC / N, the electromechanical coupling coefficient of the thickness vibration mode k t = 0.20, the final (and low ) the ratio of electromechanical coupling coefficients of thickness k t and planar k p vibration modes k t / k p = 20, the ratio of piezoelectric modules d 33 / | d 31 = 20 (low anisotropy of piezoelectric properties). (Smotrakov V.G., Panich A.E., Polonskaya AM, Eremkin V.V., Vusevker Yu.A. Piezoceramic material. // RF Patent No. 2040506 of 07.25.1995 on Application No. 5058742/33 (priority of 14.08 .1992), IPC С04В 35/00) (prototype). For the indicated application, the material has insufficiently high T slave , k t , d 33 , k t / k p , d 33 / | d 31 |.
Задачей изобретения является получение значений Траб=1400 К, kt=0,32÷0,35, d33=18-20 пКл/Н, kt/kр=d33/|d31|→∞.The objective of the invention is to obtain the values of T slave = 1400 K, k t = 0.32 ÷ 0.35, d 33 = 18-20 pC / N, k t / k p = d 33 / | d 31 | → ∞.
Указанный результат достигается тем, что пьезоэлектрический керамический материал на основе метаниобата лития, включающий Li2O, Nb2O5 и добавки, в качестве добавки содержит SrO при следующем соотношении компонентов, мас.%: Li2O - 9,02÷9,17; Nb2O5 - 86,27÷86,77; SrO - 4,71÷4,06.This result is achieved in that the piezoelectric ceramic material based on lithium methaniobate, including Li 2 O, Nb 2 O 5 and additives, contains SrO as an additive in the following ratio of components, wt.%: Li 2 O - 9.02 ÷ 9, 17; Nb 2 O 5 - 86.27 ÷ 86.77; SrO - 4.71 ÷ 4.06.
В качестве исходных компонентов использованы оксиды и карбонаты следующих квалификаций: Li2CO3 - «хч», Nb2O5 - «Нбо-Пт», SrO - «чда».Oxides and carbonates of the following qualifications were used as initial components: Li 2 CO 3 - “hch”, Nb 2 O 5 - “Nbo-Fri”, SrO - “chda”.
1. Пример изготовления пьезоэлектрического материала1. An example of the manufacture of a piezoelectric material
Материал изготавливается по обычной керамической технологии следующим образом. Синтез осуществляется путем двукратных обжигов смеси Li2O 9,02 мас.%,The material is manufactured by conventional ceramic technology as follows. The synthesis is carried out by double firing a mixture of Li 2 O 9,02 wt.%,
Nb2O5 86,27 мас.%, SrO 4,71 мас.%, с промежуточным помолом синтезированного продукта. Температуры обжигов , , длительности изотермических выдержек τ1=τ2=14,4·103 с. Спекание образцов диаметром 12÷15 мм, высотой 3-5 мм осуществляется двукратными обжигами, при этом первый обжиг при производят под давлением 10 МПа в течение 0,3·103 с, а второй - без давления при Тсп.2 1300 К в течение 7,2·103 с. Металлизация (нанесение электродов) производится путем нанесения на плоские поверхности предварительно сошлифованных до толщины 1 мм образцов серебросодержащей пасты и последующего ее вжигания при температуре Твжиг=1070 К в течение 1,8·103 с. Образцы поляризуют в полиэтиленсилоксановой жидкости при температуре 450 К в течение 2,4·103 с в постоянном электрическом поле напряженностью 70 кВ/см.Nb 2 O 5 86.27 wt.%, SrO 4.71 wt.%, With intermediate grinding of the synthesized product. Firing temperatures , , the duration of isothermal exposure τ 1 = τ 2 = 14,4 · 10 3 s Sintering of samples with a diameter of 12 ÷ 15 mm, a height of 3-5 mm is carried out by double firing, with the first firing at produced under a pressure of 10 MPa for 0.3 · 10 3 s, and the second without pressure at T SP 2 1300 K for 7.2 · 10 3 s. Metallization (deposition of electrodes) is carried out by applying silver-containing paste samples previously ground to a thickness of 1 mm to flat surfaces and annealing them at a temperature T annealing = 1070 K for 1.8 · 10 3 s. Samples are polarized in a polyethylene siloxane liquid at a temperature of 450 K for 2.4 · 10 3 s in a constant electric field with an intensity of 70 kV / cm.
Электрофизические характеристики определяют в соответствии с ОСТ 11.0444-87, пьезомодуль d33 измеряют квазистатическим методом.The electrophysical characteristics are determined in accordance with OST 11.0444-87, the piezoelectric module d 33 is measured by a quasistatic method.
2. Пример изготовления пьезоэлектрического материала.2. An example of the manufacture of a piezoelectric material.
Материал изготавливается по обычной керамической технологии следующим образом. Синтез осуществляется путем двукратных обжигов смеси Li2O 9,17 мас.%, Nb2O5 86,77 мас.%, SrO 4,06 мас.% с промежуточным помолом синтезированного продукта. Температуры обжигов Тсинт.1 1120 К, Тсинт.2 1170 К, длительности изотермических выдержек τ1=τ2=14,4·103 с. Спекание образцов диаметром 12-15 мм, высотой 3-5 мм осуществляется двукратными обжигами, при этом первый обжиг при производят под давлением 10 МПа в течение 0,3·103 с, а второй - без давления при в течение 7,2·103 с. Металлизация (нанесение электродов) производится путем нанесения на плоские поверхности предварительно сошлифованных до толщины 1 мм образцов серебросодержащей пасты и последующего ее вжигания при температуре Твжиг=1070 К в течение 1,8·103 с. Образцы поляризуют в полиэтиленсилоксановой жидкости при температуре 450 К в течение 2,4·103 с в постоянном электрическом поле напряженностью 70 кВ/см.The material is manufactured by conventional ceramic technology as follows. The synthesis is carried out by double firing a mixture of Li 2 O 9.17 wt.%, Nb 2 O 5 86.77 wt.%, SrO 4.06 wt.% With intermediate grinding of the synthesized product. Firing temperatures T synth. 11 1120 K, T synth. 2 1170 K, isothermal exposure durations τ 1 = τ 2 = 14.4 · 10 3 s. Sintering of samples with a diameter of 12-15 mm, a height of 3-5 mm is carried out by double firing, with the first firing at produced under a pressure of 10 MPa for 0.3 · 10 3 s, and the second without pressure at within 7.2 · 10 3 s. Metallization (deposition of electrodes) is carried out by applying silver-containing paste samples previously ground to a thickness of 1 mm to flat surfaces and annealing them at a temperature T annealing = 1070 K for 1.8 · 10 3 s. Samples are polarized in a polyethylene siloxane liquid at a temperature of 450 K for 2.4 · 10 3 s in a constant electric field with an intensity of 70 kV / cm.
Электрофизические характеристики определяют в соответствии с ОСТ 11.0444-87, пьезомодуль d33 измеряют квазистатическим методом.The electrophysical characteristics are determined in accordance with OST 11.0444-87, the piezoelectric module d 33 is measured by a quasistatic method.
На фиг.1, где изображена таблица 1, приведены основные характеристики материала в зависимости от состава, а на фиг.2, где изображена таблица 2, приведены основные электрофизические характеристики для оптимального состава предлагаемого материала.Figure 1, where table 1 is shown, shows the main characteristics of the material depending on the composition, and figure 2, which shows table 2, shows the main electrophysical characteristics for the optimal composition of the proposed material.
Полученные экспериментальные данные (фиг.1, табл.1, примеры 4, 5) свидетельствуют о том, что пьезоэлектрический керамический материал предлагаемого состава обладает оптимальными с точки зрения решаемой технической задачи характеристиками в указанном интервале величин компонентов.The obtained experimental data (Fig. 1, Table 1, examples 4, 5) indicate that the piezoelectric ceramic material of the proposed composition has optimal characteristics from the point of view of the technical problem to be solved in the indicated range of component values.
Данные, приведенные на фиг.2 (табл.2), подтверждают преимущества предлагаемого пьезоэлектрического керамического материала по сравнению с материалом-прототипом, а именно повышение верхнего предела рабочих температур Траб. до 1400 К, отношений пьезомодулей d33/|d31| и коэффициентов электромеханической связи толщинной и планарной мод колебаний kt/kp до бесконечности за счет «сведения» к нулю |d31| и kp, повышение значений пьезохарактеристик d33 и kt. Механическая добротность Qm материала меньше 100, относительная диэлектрическая проницаемость ε33 т/εо~50, диэлектрические потери <2% (tgδ·102=1,9). Расширение интервалов концентраций составляющих компонентов (примеры 1, 2, 3, 6, 7 табл.1.) приводит к снижению Траб, d33/|d31|, kt/kp, d33, kt.The data shown in figure 2 (table 2), confirm the advantages of the proposed piezoelectric ceramic material compared with the material of the prototype, namely the increase in the upper limit of the operating temperature T slave. up to 1400 K, piezoelectric module ratios d 33 / | d 31 | and electromechanical coupling coefficients of the thickness and planar vibration modes k t / k p to infinity due to the "reduction" to zero | d 31 | and k p , increasing the values of the piezoelectric characteristics d 33 and k t . The mechanical quality factor Q m of the material is less than 100, the relative dielectric constant is ε 33 t / ε о ~ 50, and the dielectric loss is <2% (tanδ · 10 2 = 1.9). The expansion of the ranges of concentrations of the constituent components (examples 1, 2, 3, 6, 7 of Table 1.) leads to a decrease in T slave , d 33 / | d 31 |, k t / k p , d 33 , k t .
Эффект повышения указанных параметров достигается, по существу, введением в метаниобат лития (LiNbO3) пирониобата стронция (Sr2Nb2O7), имеющего более высокую, чем в LiNbO3, температуру Кюри , слоистую кристаллическую структуру и ориентированную (текстурированную) зеренную структуру, наследуемые предлагаемым материалом. Благоприятствует повышению указанных параметров и использование на стадии рекристаллизации (образования зеренной структуры) при кратковременного воздействия извне приложенного давления («ковка»), способствующего текстурированию материала и, как следствие, усилению пьезоотклика.The effect of improving these parameters is achieved substantially by introducing a lithium metaniobate (LiNbO 3) pironiobata strontium (Sr 2 Nb 2 O 7) having a higher than the LiNbO 3, the Curie temperature , a layered crystalline structure and oriented (textured) grain structure, inherited by the proposed material. The use at the stage of recrystallization (formation of a grain structure) at short-term exposure from outside the applied pressure (“forging”), which contributes to the texturing of the material and, as a result, to enhance the piezoelectric response.
Предлагаемый пьезоэлектрический керамический материал получают по обычной керамической технологии без использования стеклообразующих добавок (В2О3, SiO2), примененных в прототипе, значительно усложняющих (ввиду их кристаллохимических особенностей) технологический процесс. Кроме того, использование токсичных соединений бора резко ограничивает круг возможных применений пьезокерамики (Директива 2002/95/ЕС Европейского парламента с пересмотром от 27 января 2003 года об использовании опасных материалов в электронике и электронных приборах). В нашем случае, простой химический состав предлагаемого материала, не содержащий легколетучих токсичных веществ, позволяет упростить и удешевить процесс производства пьезокерамических изделий.The proposed piezoelectric ceramic material is obtained by conventional ceramic technology without the use of glass-forming additives (B 2 O 3 , SiO 2 ) used in the prototype, which significantly complicate the process (due to their crystal-chemical features). In addition, the use of toxic boron compounds sharply limits the range of possible applications of piezoceramics (Directive 2002/95 / EC of the European Parliament as revised on January 27, 2003 on the use of hazardous materials in electronics and electronic devices). In our case, the simple chemical composition of the proposed material, which does not contain volatile toxic substances, allows us to simplify and cheapen the process of manufacturing piezoceramic products.
Указанные параметры нового материала позволят его использовать в более широком диапазоне температур, а бесконечная анизотропия пьезосвойств в сочетании с низкой механической добротностью Qm приведет к повышению отношения сигнал/шум и подавлению паразитных резонансов (ложных колебаний), искажающих форму рабочего сигнала и ухудшающих характеристики изготовленных из этих материалов датчиков. Это благоприятствует повышению разрешающей способности и чувствительности материалов и датчиков. Достижение бесконечной анизотропии пьезосвойств не сопряжено с развитием в керамиках микротрещин, как это имеет место в других высокотемпературных материалах с высокими отношениями kt/kp и d33/|d31|. Это является следствием качественно-количественного элементного состава предлагаемого материала и особенностей его кристаллической и зеренной структур. Низкие значения относительной диэлектрической проницаемости ε33 т/εо и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ материала позволяют его использовать в СВЧ-технике, а низкий удельный вес d - в устройствах, где весовые характеристики являются решающими.The indicated parameters of the new material will allow it to be used in a wider temperature range, and the infinite anisotropy of the piezoelectric properties combined with low mechanical Q factor Q m will lead to an increase in the signal-to-noise ratio and suppression of spurious resonances (false oscillations), which distort the shape of the working signal and worsen the characteristics made of these sensor materials. This is conducive to increasing the resolution and sensitivity of materials and sensors. The achievement of infinite anisotropy of the piezoelectric properties is not associated with the development of microcracks in ceramics, as is the case in other high-temperature materials with high ratios k t / k p and d 33 / | d 31 |. This is a consequence of the qualitatively-quantitative elemental composition of the proposed material and the features of its crystalline and grain structures. The low relative permittivity ε 33 t / ε о and the dielectric loss tangent tanδ of the material allow it to be used in microwave technology, and the low specific gravity d is used in devices where weight characteristics are decisive.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007115458/03A RU2358953C2 (en) | 2007-04-25 | 2007-04-25 | Piezoelectric ceramic material |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007115458/03A RU2358953C2 (en) | 2007-04-25 | 2007-04-25 | Piezoelectric ceramic material |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2007115458A RU2007115458A (en) | 2008-10-27 |
RU2358953C2 true RU2358953C2 (en) | 2009-06-20 |
Family
ID=41026104
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007115458/03A RU2358953C2 (en) | 2007-04-25 | 2007-04-25 | Piezoelectric ceramic material |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2358953C2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2712083C1 (en) * | 2019-07-24 | 2020-01-24 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" | Piezoelectric ceramic material based on lithium metaniobate |
RU2728056C1 (en) * | 2019-07-24 | 2020-07-28 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" | Lead-free piezoelectric ceramic material |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114773058B (en) * | 2022-03-24 | 2023-06-20 | 华南理工大学 | Negative ion functional material and preparation method and application thereof |
-
2007
- 2007-04-25 RU RU2007115458/03A patent/RU2358953C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ДАНЦИГЕР А.Я. и др. Высокоэффективные пьезокерамические материалы. - Ростов-на-Дону: АО "КНИГА", 1994, 30 с. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2712083C1 (en) * | 2019-07-24 | 2020-01-24 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" | Piezoelectric ceramic material based on lithium metaniobate |
RU2728056C1 (en) * | 2019-07-24 | 2020-07-28 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" | Lead-free piezoelectric ceramic material |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2007115458A (en) | 2008-10-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN103172374B (en) | Piezoelectric ceramics and piezoelectric element | |
Yang et al. | Investigation of CuO‐Doped NKN Ceramics with High Mechanical Quality Factor Synthesized by a B‐Site Oxide Precursor Method | |
CN102850050A (en) | Low temperature sintering piezoelectric ceramic material and preparation method thereof | |
Choy et al. | Electromechanical and ferroelectric properties of (Bi 1/2 Na 1/2) TiO 3-(Bi 1/2 K 1/2) TiO 3-(Bi 1/2 Li 1/2) TiO 3-BaTiO 3 lead-free piezoelectric ceramics for accelerometer application | |
CN109437895A (en) | A kind of preparation method of lead zirconate titanate-lead magnesio-niobate piezoelectric ceramics | |
RU2358953C2 (en) | Piezoelectric ceramic material | |
Siponkoski et al. | High performance piezoelectric composite fabricated at ultra low temperature | |
CN1298672C (en) | Bismuth-sodium titanate-bismuth potassium titanate barium zirconate titanate lead free piezoelectric ceramics | |
KR101310450B1 (en) | Lead-free piezoelectric ceramic composition with high mechanical quality | |
Chen et al. | Structure and electrical properties of perovskite layer (1− x) Sr2Nb2O7‐x (Na0. 5Bi0. 5) TiO3 high‐temperature piezoceramics | |
RU2498958C1 (en) | Piezoelectric ceramic material | |
KR20100033002A (en) | Composition of lead-free piezoelectric ceramics for ultrasonic vibrator | |
KR101091192B1 (en) | Composition and fabrication method of lead-free piezoelectric ceramics for low temperature firing | |
Choy et al. | Study of compressive type accelerometer based on lead-free BNKBT piezoceramics | |
CN102701740A (en) | Method for preparing potassium sodium niobate functional ceramic film on glass base surface by using laser | |
Zhao et al. | Effect of Bi3+ and Ti4+ substitution on PbNb2O6 piezoelectric ceramics | |
CN105236964B (en) | A kind of barium, magnesium, piezoelectric ceramics of tungsten substitution A modifications of lead zirconate titanate and preparation method thereof | |
Chao et al. | Effects of BiFeO3 addition on electrical properties and temperature stability of low temperature sintered PZT–PFW–PMN ceramics | |
CN101239825B (en) | Method for increasing Ba0.5Sr1.5Na0.6K0.4Nb5O15 ceramic piezoelectric constant | |
KR20080004903A (en) | Piezoelectric ceramics, method of manufacturing the same and piezoelectric device | |
KR101306472B1 (en) | Lead-free piezoelectric ceramic composition | |
KR20090040089A (en) | Piezoelectric material and method of manufacturing the same | |
Shi et al. | Introduction of Sr (In0. 5Ta0. 5) O3 to modulate phase structure and optoelectronic properties of (K0. 5Na0. 5) NbO3 ceramics | |
RU2453518C2 (en) | Piezoceramic material | |
KR101012143B1 (en) | Composition of lead-free piezoelectric ceramics for sensor and actuator and making method for the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100426 |