RU2498958C1 - Пьезоэлектрический керамический материал - Google Patents
Пьезоэлектрический керамический материал Download PDFInfo
- Publication number
- RU2498958C1 RU2498958C1 RU2012124131/03A RU2012124131A RU2498958C1 RU 2498958 C1 RU2498958 C1 RU 2498958C1 RU 2012124131/03 A RU2012124131/03 A RU 2012124131/03A RU 2012124131 A RU2012124131 A RU 2012124131A RU 2498958 C1 RU2498958 C1 RU 2498958C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mol
- hydrostatic
- tio
- pbo
- piezoelectric
- Prior art date
Links
Landscapes
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам и может быть использовано в низкочастотных приемных устройствах, гидрофонах, сонарах, работающих в гидростатическом режиме, акустических приемниках, датчиках давления. Состав материала, мас.%: PbO 69,39-69,68, Nb2O5 17,98-19,28, TiO2 7,46-8,73, MgO 1,76-1,90, NiO 1,08-1,14 и ZnO 0,77-0,83, что соответствует фазовому составу: aPbTiO3+bPbNb2/3Mg1/3O3+cPbNb2/3Ni1/3O3+dPbNb2/3Zn1/3O3, где а=30.00÷35.00 (в мол.%), b=41.95÷45.41 (в мол.%), c=13.93÷14.77 (в мол.%), d=9.12÷9.82 (в мол.%), a+b+c+d=100%. Гетеровалентное модифицирование материала на основе PbO (Pb2+), Nb2O5 (Nb5+), TiO2 (Ti4+) и ZnO (Zn2+) оксидами двухвалентных металлов MgO (Mg2+) и NiO (Ni2+) приводит к образованию кислородных вакансий в процессе спекания и к формированию сегнетомягкой структуры, повышению мобильности доменных стенок и, как следствие, повышению диэлектрической проницаемости
, пьезомодуля d33, гидростатического пьезомодуля dh и гидростатической добротности dh·gh и снижению механической добротности Qm за счет усиления внутреннего трения при большой подвижности доменных стенок. 2 табл.
Description
Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе титаната свинца и может быть использовано в низкочастотных приемных устройствах, например, гидрофонах, сонарах, работающих в гидростатическом режиме, а также в других электромеханических преобразователях - акустических приемниках, датчиках давления.
Для указанных применений пьезоэлектрический керамический материал должен иметь высокие значения гидростатического пьезомодуля, dh, (более 100 пКл/Н), гидростатической добротности (гидростатического параметра приема), dh·gh, (более 300·10-15 м2/Н), относительной диэлектрической проницаемости,
, (более 3000), при достаточно высоких значениях пьезомодуля d33 (более 400 пКл/Н), коэффициентах удельной чувствительности,
(более 7,0 пКл/Н) и низкой механической добротности, Qm, (менее 50).
Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната свинца, включающий оксиды PbO, TiO2, ZrO2, Nb2O5, MgO, MnO2. Материал имеет d33=311 пКл/Н, dh=91 пКл/Н,
, Qm=3500, (US 005173460, C04B 35/46, дата публикации 22.12.1992) [1].
Для указанных применений материал имеет недостаточно высокие значения d33, dh,
и слишком высокие значения величины Qm.
Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната свинца, включающий оксиды PbO, TiO2, ZrO2, Nb2O5, MgO, в котором часть Pb ((4÷8)ат.%) замещена Ba или Sr. Материал имеет
, d33=(467÷504) пКл/Н, Qm=640÷855 (US 2005/0178997 A1, H01L 41/04, дата публикации 18.08.2005) [2].
Для указанных применений материал имеет недостаточно низкую Qm.
Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната свинца, включающий оксиды PbO, TiO2, ZrO2, Nb2O5, ZnO, NiO, в котором часть Pb ((0÷5)ат.%) замещена Ba, Sr или Ca. Материал имеет
, d33=(450÷870) пКл/Н,
пКл/Н (US 2007/0252484 A1, H01L 41/187, дата публикации 01.11.2007) [3].
Наиболее близким к заявляемому материалу по технической сущности и достигаемому результату является пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната свинца, включающий оксиды PbO, Nb2O5, TiO2, ZnO, BaO (либо SrO) (US 5527480, C04B 35/46, дата публикации 18.06.1996) [4], принимаемый за прототип. Состав прототипа отвечает химической формуле aPb(Zn1/3Nb2/3)O3-bPbTiO3-cMTiO3 (М-Ва или Sr), где 60≤a≤87,5, 9,5≤b≤20, 1≤с≤20, a+b+с=100 (a, b, с - мол.%). Прототип имеет для лучших составов
, d33=540 пКл/Н, |d31|=228 пКл/Н, dh=84 пКл/Н, dh·gh=279·10-15 м2/Н.
Для указанных применений материал имеет недостаточно высокие значения
, dh и dh·gh. Кроме того, материал, в основном, получают лабораторным золь-гельным методом.
Задачей изобретения является повышение значений относительной диэлектрической проницаемости до
; гидростатического пьезомодуля до dh>100 пКл/Н и гидростатической добротности до dh·gh>300 10-15 м2/Н при сохранении достаточно высоких значений пьезомодуля d33>400 пКл/Н коэффициента удельной чувствительности
пКл/Н и низкой механической добротности Qm<50. При этом материал должен быть получен по обычной керамической технологии, допускающей его массовое производство.
Указанные результаты достигаются тем, что пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната свинца, включающий PbO, Nb2O5, TiO2, ZnO, согласно изобретению дополнительно содержит MgO, и NiO при следующем соотношении компонентов, в масс.%:
PbO 69,39-69,68 | MgO 1,76-1,90 |
Nb2O5 17,98-19,28 | NiO 1,08-1,14 |
TiO2 7,46-8,73 | ZnO 0,77-0,83 |
Состав материала отвечает формуле:
aPbTiO3+bPbNb2/3Mg1/3O3+cPbNb2/3Ni1/3O3+dPbNb2/3Zn1/3O3, где a=30.00÷35.00 (в мол.%), b=41.95÷45.41 (в мол.%), с=13.93÷14.77 (в мол.%), d=9.12÷9.82 (в мол.%), a+b+c+d=100%.
Гетеровалентное модифицирование материала на основе PbO (Pb2+), Nb2O5 (Nb5+), TiO2 (Ti4+) и ZnO (Zn2+) оксидами двухвалентных металлов MgO (Mg2+) и NiO (Ni2+) приводит к образованию кислородных вакансий в процессе спекания и к формированию более сегнетомягкой структуры, повышению мобильности доменных стенок и, как следствие, повышению диэлектрической проницаемости,
, пьезомодуля, d33, гидростатического пьезомодуля, dh и гидростатической добротности, dh·gh, и снижению механической добротности, Qm, за счет усиления внутреннего трения при большой подвижности доменных стенок.
В табл.1 приведены значения электрофизических параметров пьезоэлектрического керамического материала в зависимости от состава.
В табл.2 приведены сравнительные электрофизические параметры прототипа и оптимального состава заявляемого пьезоэлектрического керамического материала.
В качестве исходных реагентов использовались оксиды следующих квалификаций: PbO, TiO2 - «ч»; NiO, MgO, ZnO - «ч.д.а.», Nb2O5 - «Нбо-Пт».
Пьезоэлектрический керамический материал изготавливается по обычной керамической технологии следующим образом. Синтез осуществляется путем двухкратных обжигов смесей, масс %: PbO 69,11-69,97, Nb2O5 16,67-20,57, TiO2 6,19-10,02, MgO 1,64-2,01, NiO 0,99-1,24, ZnO 0,72-0,88 с промежуточным помолом синтезированного продукта. Температуры обжигов Тсинт.1=1173 К, Тсинт.2=1223-1243 К, длительности изотермических выдержек τ1=τ2=4 ч. Спекание образцов в виде столбиков ⌀12 мм, высотой 15÷18 мм осуществляется при Тсп.=1473-1493 К, длительность изотермической выдержки τ=2 ч. 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 0,5 ч. Образцы поляризуют в полиэтиленсилоксановой жидкости при температуре 410 К в течение 40 мин. в постоянном электрическом поле напряженностью 3 кВ/см.
В соответствии с ОСТ 11.0444-87 определяли электрофизические характеристики: относительные диэлектрические проницаемости поляризованных
образцов, прямые пьезомодули - (|d31|) и (d33), механическую добротность (Qm). Значения гидростатического пьезомодуля, dh, определяли по формуле dh=d33+2·d31, а гидростатической чувствительности, gh,:
, где ε0=8,85*10-12 Ф/м.
Полученные экспериментальные данные (табл.1, примеры 3-5) свидетельствуют о том, что пьезоэлектрический керамический материал предлагаемого состава обладает совокупностью электрофизических параметров, отвечающих задаче изобретения (
, dh>100 пКл/Н, dh·gh>300·10-15 м2/Н, d33>400 пКл/Н,
пКл/Н, Qm<50). Выход за пределы заявленных концентраций компонентов приводит к значительному снижению целевых параметров, в частности, dh и dh·gh.
Данные, приведенные в табл.2, подтверждают преимущества предлагаемого пьезоэлектрического керамического материала по сравнению с материалом - прототипом, а именно, повышение dh, dh·gh и
до значений ~110 пКл/Н, 333-10-15 м2/Н и 4100 (в лучшем составе - пример №4 табл.1), соответвественно, при сохранении высоких d33 и
, низких Qm.
Эффект повышения электрофизических параметров достигается по существу дополнительным введением в материал, включающий PbO, Nb2O5, TiO2, оксидов MgO, NiO, ZnO.
Высокие значения
, dh и dh·gh материала определяют основное его назначение - использование в различных низко- и среднечастотных (<1 МГц) преобразователях (в том числе, и в сонарах). Высокие значения гидростатического параметра приема dh·gh необходимы для повышения чувствительности гидрофонов и сонаров на основе разработанного материала. Кроме того, высокие значения вышеуказанных параметров, а также удельной чувствительности
делают возможным эффективное использование керамического материала в системах пассивной гидролокации.
Высокая
материала способствуют снижению сопротивления преобразователя (R=1/ωС), что улучшает его согласование с нагрузкой. При повышении емкости с указанной целью путем увеличения поверхности преобразователя повышение
оказывается полезным и для снижения габаритов, что важно при разработке гидроакустических устройств. Кроме того, достаточно высокие значения
материала позволяют не использовать различного рода предусилители в схеме работы целевого устройства, за счет снижения потерь электрического сигнала. Низкая механическая добротность Qm разработанного материала способствует подавлению ложных колебаний, что необходимо при использовании материала в устройствах работающих в режиме приема (например, в гидрофонах).
Кроме того, за счет высоких значений пьезоэлектрических коэффициентов керамики на основе разработанного материала могут быть использованы в устройствах низкочастотной пьезоэлектрической виброметрии. В частности, высокоэффективные пьезоэлектрические виброметры на основе разработанного материала могут применятся при испытаниях аэрокосмических конструкций на флаттер (сочетание самовозбуждающихся незатухающих изгибающих и крутящих колебаний элементов конструкции самолета, либо несущего винта вертолета, возникающих при достижении некоторой скорости, зависящей от характеристик данного летательного аппарата) и бафтинг (вынужденные колебания всей конструкции или ее частей, вызванные периодическим срывом турбулентных вихрей с расположенных впереди конструктивных элементов при их обтекании). Точное определение указанных характеристик необходимо для создания безопасных и надежных конструкций планеров и отдельных частей летательных аппаратов. Кроме того, повышение требований к конструкциям современных планеров ведет за собой и необходимость более детальной их проверки. Так, одним из требований, выдвигаемым к истребителю пятого поколения является сверхманевренность (способность некоторых самолетов сохранять устойчивость и управляемость на закритических углах атаки с высокими перегрузками). Достижение последней возможно при повышенных нагрузках на элементы силовой конструкции самолета, что, в свою очередь, делает необходимым более тщательные их испытания, в том числе, с помощью пьезоэлектрической виброметрии. Кроме того, необходимость фиксирования малых колебаний, делает возможным применение высокоэффективных пьезоэлектрических устройств при оценке работы авиационных двигателей различных конструкций.
Керамики на основе разработанного материала могут также использоваться в качестве возбудителей волн Лэмба при лазерной диагностике (дефектоскопии) материалов для аэрокосмической техники. Высокие пьезосвойства разработанного материала позволяют создавать устройства демпфирования малых паразитных колебаний в элементах аэрокосмических конструкций.
Источники информации:
1. US 5173460, НКИ 501/134; 501/135; 501/136, МПК C04B 35/495, 35/499, 035/46, H01L 41/187, 41/18, дата публикации 22.12.1992;
2. US 2005/0178997 A1 НКИ 252/62.9PZ, 310/311, 501/134, 501/136, 252/062.9PZ, 501/134, 501/136, 310/311, МПК H01L 041/04, C04B 035/46, C04B 035/48, C04B 035/49, дата публикации 18.08.2005.
3. US 2007/0252484 A1, НКИ 310/358, МПК H01L 41/187 20060101 H01L 041/187; C04B 35/00 20060101 C04B 035/00, дата публикации 01.11.2007.
4. US 5527480, НКИ 252/62.9PZ, 264/614, 264/621, 501/136, МПК C04B 35/495, C04B 35/497, H01L 41/187, H01L 41/18, C04B 035/46, C04B 035/64, дата публикации 18.06.1996 - прототип.
Таблица 1 | ||||||||||||||
Зависимость электрофизических параметров заявляемого пьезоэлектрического керамического материала от концентрации компонентов | ||||||||||||||
N п/п | Состав, масс.% | Электрофизические параметры | ||||||||||||
PbO | Nb2O5 | TiO2 | MgO | NiO | ZnO |
|
d33, пКл/Н | |d31|, пКл/Н | dh, пКл/Н | gh 10-3, Вм/Н | dh·gh, 10-15, м2/Н | |
QM | |
1 | 69,11 | 20,57 | 6,19 | 2,01 | 1,24 | 0,88 | 5500 | 280 | 130 | 20 | 0,41 | 8 | 3,78 | 28 |
2 | 69,26 | 19,93 | 6,82 | 1,96 | 1,17 | 0,86 | 4700 | 370 | 170 | 30 | 0,72 | 22 | 5,44 | 32 |
3 | 69,39 | 19,28 | 7,46 | 1,90 | 1,14 | 0,83 | 4400 | 490 | 186 | 118 | 3,03 | 357 | 7,38 | 37 |
4 | 69,54 | 18,63 | 8,09 | 1,83 | 1,11 | 0,80 | 4100 | 530 | 210 | 110 | 3,03 | 333 | 8,28 | 42 |
5 | 69,68 | 17,98 | 8,73 | 1,76 | 1,08 | 0,77 | 3300 | 410 | 154 | 102 | 3,49 | 356 | 9,22 | 49 |
6 | 69,82 | 17,32 | 9,38 | 1,69 | 1,05 | 0,74 | 2800 | 310 | 120 | 70 | 2,8 | 196 | 5,85 | 70 |
7 | 69,97 | 16,66 | 10,02 | 1,64 | 0,99 | 0,72 | 2200 | 250 | 110 | 40 | 2,0 | 80 | 5,33 | 105 |
Таблица 2 | |||||||||
Сравнительные электрофизические параметры прототипа и заявляемого пьезоэлектрического керамического материала | |||||||||
N п/п | Материал |
|
d33, пКл/Н | |d31|, пКл/Н | dh, пКл/Н | gh 10-3, Вм/Н | dh·gh, 10-15, м2/Н | |
QM |
1 | Прототип US 5527480 | 2860 | 540 | 228 | 84 | 3,30 | 279 | 10,09 | - |
2 | Состав №4 | 4100 | 530 | 210 | 110 | 3,03 | 333 | 8,28 | 42 |
Claims (1)
- Пьезоэлектрический керамический материал, включающий PbO, Nb2O5, TiO2, отличающийся тем, что дополнительно содержит MgO, NiO и ZnO при следующем соотношении компонентов, мас.%:
PbO 69,39-69,68 Nb2O5 17,98-19,28 TiO2 7,46-8,73 MgO 1,76-1,90 NiO 1,08-1,14 ZnO 0,77-0,83
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012124131/03A RU2498958C1 (ru) | 2012-06-08 | 2012-06-08 | Пьезоэлектрический керамический материал |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012124131/03A RU2498958C1 (ru) | 2012-06-08 | 2012-06-08 | Пьезоэлектрический керамический материал |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2498958C1 true RU2498958C1 (ru) | 2013-11-20 |
Family
ID=49710103
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012124131/03A RU2498958C1 (ru) | 2012-06-08 | 2012-06-08 | Пьезоэлектрический керамический материал |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2498958C1 (ru) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2580116C1 (ru) * | 2014-12-11 | 2016-04-10 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" | Пьезоэлектрический керамический материал |
RU2597352C1 (ru) * | 2015-08-06 | 2016-09-10 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" | Пьезоэлектрический керамический материал |
RU2604359C1 (ru) * | 2015-11-25 | 2016-12-10 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" | Композиционный пьезокерамический материал |
WO2022260557A1 (ru) | 2021-06-10 | 2022-12-15 | Олег Ильич ЭПШТЕЙН | Модификатор и способ изменения электрофизических и магнитных свойств керамики |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5527480A (en) * | 1987-06-11 | 1996-06-18 | Martin Marietta Corporation | Piezoelectric ceramic material including processes for preparation thereof and applications therefor |
RU2165116C1 (ru) * | 2000-01-17 | 2001-04-10 | Научное конструкторско-технологическое бюро "Пьезоприбор" Ростовского государственного университета | Пьезокерамический материал |
EP1575100B1 (en) * | 2004-03-03 | 2008-07-30 | Ngk Insulators, Ltd. | Piezoelectric/electrostrictive ceramic composition and piezoelectric/electrostrictive film type device |
RU2440955C2 (ru) * | 2010-03-10 | 2012-01-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Норма" (ООО "Норма") | Пьезоэлектрический керамический материал |
-
2012
- 2012-06-08 RU RU2012124131/03A patent/RU2498958C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5527480A (en) * | 1987-06-11 | 1996-06-18 | Martin Marietta Corporation | Piezoelectric ceramic material including processes for preparation thereof and applications therefor |
RU2165116C1 (ru) * | 2000-01-17 | 2001-04-10 | Научное конструкторско-технологическое бюро "Пьезоприбор" Ростовского государственного университета | Пьезокерамический материал |
EP1575100B1 (en) * | 2004-03-03 | 2008-07-30 | Ngk Insulators, Ltd. | Piezoelectric/electrostrictive ceramic composition and piezoelectric/electrostrictive film type device |
RU2440955C2 (ru) * | 2010-03-10 | 2012-01-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Норма" (ООО "Норма") | Пьезоэлектрический керамический материал |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2580116C1 (ru) * | 2014-12-11 | 2016-04-10 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" | Пьезоэлектрический керамический материал |
RU2597352C1 (ru) * | 2015-08-06 | 2016-09-10 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" | Пьезоэлектрический керамический материал |
RU2604359C1 (ru) * | 2015-11-25 | 2016-12-10 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" | Композиционный пьезокерамический материал |
WO2022260557A1 (ru) | 2021-06-10 | 2022-12-15 | Олег Ильич ЭПШТЕЙН | Модификатор и способ изменения электрофизических и магнитных свойств керамики |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2498958C1 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
Lee et al. | High-frequency ultrasonic transducer based on lead-free BSZT piezoceramics | |
Kannappan et al. | Elastic and mechanical properties of glass specimen by ultrasonic method | |
JPS5939913B2 (ja) | 圧電性磁器の製造方法 | |
RU2440954C2 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
RU2358953C2 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
JP5499305B1 (ja) | 圧電磁器組成物 | |
RU2440955C2 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
KR20100033002A (ko) | 초음파 진동자용 무연 압전세라믹스 조성물 | |
CN101798219A (zh) | 用于水声换能器的压电陶瓷及其制备方法 | |
US4062790A (en) | Piezoelectric ceramic compositions | |
JPH0940461A (ja) | 圧電磁器組成物 | |
JP6388804B2 (ja) | 広帯域化高感度aeセンサー | |
Nagata et al. | Large‐Amplitude piezoelectric properties of KNbO− 3‐based lead‐free ferroelectric ceramics | |
Liu et al. | Broadband ultrasonic transducer based on textured lead-free NKN-based piezoceramics | |
RU2596837C1 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
RU2751323C1 (ru) | Низкочастотный пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия | |
JPS5948969A (ja) | 超音波探触子用酸化物圧電材料 | |
RU2542004C1 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
Ogawa et al. | Poling field dependence of longitudinal and transverse wave velocities, Young's modulus, and Poisson's ratio in piezoelectric ceramics | |
RU2259973C2 (ru) | Шихта для получения пьезокерамического материала | |
RU2542012C1 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
Kurusingal et al. | Lead-free ceramic transducers for sonar applications | |
RU2580116C1 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
JPS5841790B2 (ja) | 酸化物圧電材料 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170609 |