RU2498959C2 - Piezoelectric ceramic material - Google Patents

Piezoelectric ceramic material Download PDF

Info

Publication number
RU2498959C2
RU2498959C2 RU2011145119/03A RU2011145119A RU2498959C2 RU 2498959 C2 RU2498959 C2 RU 2498959C2 RU 2011145119/03 A RU2011145119/03 A RU 2011145119/03A RU 2011145119 A RU2011145119 A RU 2011145119A RU 2498959 C2 RU2498959 C2 RU 2498959C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
piezoelectric ceramic
mno
sro
piezoelectric
ceramic material
Prior art date
Application number
RU2011145119/03A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2011145119A (en
Inventor
Лариса Андреевна Резниченко
Илья Александрович Вербенко
Хизир Амирович Садыков
Светлана Ивановна Дудкина
Анатолий Владимирович Павленко
Константин Петрович Андрюшин
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет)
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 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет)
Priority to RU2011145119/03A priority Critical patent/RU2498959C2/en
Publication of RU2011145119A publication Critical patent/RU2011145119A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2498959C2 publication Critical patent/RU2498959C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to production of piezoelectric ceramic materials and can be used in making high-frequency electromechanical transducers particularly used in ultrasonic delay lines (used in the 20-30 MHz range), highly sensitive single-response crystals operating on thickness vibrations; in devices where weight characteristics are decisive. The piezoelectric ceramic material based on sodium niobate contains sodium, niobium, lithium, strontium, aluminium and manganese oxides, with the following ratio of components, wt %: Na2O 16.28-16.50, Nb2O5 79.61-80.71, Li2O 1.12-1.14, SrO 0.63-0.64, Al2O3 0.31-0.32, MnO2 0.69-2.05. The material is produced using conventional ceramic processing. The firing temperature during synthesis is equal to 1133 K.
EFFECT: material has low relative permittivity of polarised samples, high piezoelectric sensitivity on the thickness vibration mode, sufficiently high mechanical Q-factor, as well as high sound speed, low density and high piezo-anisotropy.
3 ex, 5 tbl

Description

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе ниобата натрия и может быть использовано для создания высокочастотных электромеханических преобразователей, в частности, применяемых в ультразвуковых линиях задержки (эксплуатируемых в частотном диапазоне (20÷30) мГц), высокочувствительных моночастотных резонаторах, работающих на толщинных колебаниях.The invention relates to piezoelectric ceramic materials based on sodium niobate and can be used to create high-frequency electromechanical transducers, in particular, used in ultrasonic delay lines (operated in the frequency range (20 ÷ 30) MHz), high-sensitivity mono-frequency resonators operating in thickness vibrations.

Для указанных применений материал должен обладать низкими значениями относительной диэлектрической проницаемости поляризованных образцов, ε33Т0, (100÷150), высокой пьезочувствительностью, g33, (≈40 мВ·м/Н) на толщинной моде колебаний, достаточно высокой механической добротностью, Qm, (500÷1500).For these applications, the material should have low values of relative permittivity of polarized samples, ε 33 T / ε 0 , (100 ÷ 150), high piezoelectric sensitivity, g 33 , (≈40 mV · m / N) at a thick vibration mode, a sufficiently high mechanical quality factor, Q m , (500 ÷ 1500).

Известен пьезоэлектрический материал на основе ниобата натрия, включающий Na2O, K2O, Nb2O5 и оксидные соединения двух- и трехвалентных элементов (Fe, Co, Ni, Mg, Zn, Cu). Материал имеет ε33Т0=(250÷1343), g33=(13.5÷38.3) мВ·м/Н (Патент ЕР 1630149 (А1) Опубл. 01.03.2006. Авторы: Masato Yamazaki, Kohei Ito, Katsuya Yamagiwa и др.; по заявке № JP 2003153426, приоритет от 29.05.2004. С04В 35/495, С04В 35/499, H01L 41/187). Для указанных применений материал имеет недостаточно низкое значение ε33Т0 и недостаточно высокое значение g33.Known piezoelectric material based on sodium niobate, including Na 2 O, K 2 O, Nb 2 O 5 and oxide compounds of divalent and trivalent elements (Fe, Co, Ni, Mg, Zn, Cu). The material has ε 33 T / ε 0 = (250 ÷ 1343), g 33 = (13.5 ÷ 38.3) mV · m / N (Patent EP 1630149 (A1) Published 01.03.2006. Authors: Masato Yamazaki, Kohei Ito, Katsuya Yamagiwa et al .; application No. JP 2003153426, priority dated May 29, 2004. C04B 35/495, C04B 35/499, H01L 41/187). For these applications, the material has a low enough value of ε 33 T / ε 0 and a low enough value of g 33 .

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий Na2O, K2O, Li2O, Nb2O5, Ta2O5, Bi2O3, а также оксиды двух-, трех- и четырехвалентных элементов (Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Sn, Sc, Yb, Nd, Sm, и др.). Материал имеет ε33Т0=(765÷856), g33=(32.6÷36.1) мВм/Н (Патент ЕР 1876155 (А1) Опубл. 09.01.2008. Авторы: Shimchiro Kawada, Ryoko Katayama, Katsuhiro Horikawa; по заявке № JP 2005133255, приоритет от 28.04.2005. С04В 35/00, H01L 41/187). Для указанных применений материал имеет недостаточно низкие значения ε33Т0 и недостаточно высокие значения g33.Known piezoelectric ceramic material based on sodium niobate, including Na 2 O, K 2 O, Li 2 O, Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , Bi 2 O 3 , as well as oxides of two-, three- and tetravalent elements (Ca , Sr, Ba, Ti, Zr, Sn, Sc, Yb, Nd, Sm, etc.). The material has ε 33 T / ε 0 = (765 ÷ 856), g 33 = (32.6 ÷ 36.1) mVm / N (Patent EP 1876155 (A1) Publ. 09.01.2008. Authors: Shimchiro Kawada, Ryoko Katayama, Katsuhiro Horikawa; by application No. JP 2005133255, priority dated April 28, 2005. C04B 35/00, H01L 41/187). For these applications, the material has not sufficiently low values of ε 33 T / ε 0 and not sufficiently high values of g 33 .

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий Na2O, K2O, Li2O, Nb2O5, Ta2O5 и оксиды CuO и MnO2. Материал имеет ε33Т0≈1630, g33≈22.2 мВм/Н (Патент ЕР 2113952 (А2) Опубл. 04.11.2009. Авторы: Masahito Fumkawa, Takeo Tsukada, Daisuke Tanaka и др.; по заявке № JP 2008090331, приоритет от 31.03.2008. H01L 41/08, С04В 35/495, H01L 41/187). Для указанных применений материал имеет недостаточно низкие значения ε33Т0 и недостаточно высокие значения g33.Known piezoelectric ceramic material based on sodium niobate, including Na 2 O, K 2 O, Li 2 O, Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 and oxides CuO and MnO 2 . The material has ε 33 T / ε 0 ≈1630, g 33 ≈22.2 mVm / N (Patent EP 2113952 (A2) Published 04.11.2009. Authors: Masahito Fumkawa, Takeo Tsukada, Daisuke Tanaka and others; by application No. JP 2008090331 , priority dated March 31, 2008. H01L 41/08, С04В 35/495, H01L 41/187). For these applications, the material has not sufficiently low values of ε 33 T / ε 0 and not sufficiently high values of g 33 .

Наиболее близким к заявленному материалу но технической сущности и достигаемому результату является пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий Na2O, K2O, Nb2O5, CuO. Состав материала отвечает химической формуле 0.99(K0.5Na0.5NbO3)+0.01CuO. Материал имеет для лучших составов ε33Т0≈237, g33≈46.1 мВ·м/Н, Qm=1408 (Патент ЕР 1032057 (А1). Опубл. 30.08.2000. Автор: Yasuyoshi Saito; по заявкам № JP 2000042095, приоритет от 21.02.2000) (Прототип). Для указанных применений материал имеет недостаточно низкое значение ε33Т0.Closest to the claimed material but technical essence and the achieved result is a piezoelectric ceramic material based on sodium niobate, including Na 2 O, K 2 O, Nb 2 O 5 , CuO. The composition of the material corresponds to the chemical formula 0.99 (K 0.5 Na 0.5 NbO 3 ) + 0.01CuO. The material has for the best compositions ε 33 T / ε 0 ≈237, g 33 ≈46.1 mV · m / N, Q m = 1408 (Patent EP 1032057 (A1). Publ. 30.08.2000. Author: Yasuyoshi Saito; according to applications No. JP 2000042095, priority 02/21/2000) (Prototype). For these applications, the material is not sufficiently low ε 33 T / ε 0 .

Задачей изобретения является снижение ε33Т0 (до значений 120÷140) при сохранении высоких значений g33 (~40 мВм/Н) и достаточно высоких Qm (~500).The objective of the invention is to reduce ε 33 T / ε 0 (to values of 120 ÷ 140) while maintaining high g 33 values (~ 40 mVm / N) and sufficiently high Q m (~ 500).

Указанные результаты достигаются тем, что пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий Na2O и Nb2O5, дополнительно содержит Li2O, SrO, Al2O3 и MnO3 при следующем соотношении компонентов, масс.%:These results are achieved in that the piezoelectric ceramic material based on sodium niobate, including Na 2 O and Nb 2 O 5 , additionally contains Li 2 O, SrO, Al 2 O 3 and MnO 3 in the following ratio of components, wt.%:

Na2O=16.28÷16.50Na 2 O = 16.28 ÷ 16.50 Nb2O5=79.61÷80.71Nb 2 O 5 = 79.61 ÷ 80.71 Li2O=1.12÷1.14Li 2 O = 1.12 ÷ 1.14 SrO=0.63÷0.64SrO = 0.63 ÷ 0.64 Al2O3=0.31÷0.32Al 2 O 3 = 0.31 ÷ 0.32 MnO2=0.69÷2.05MnO 2 = 0.69 ÷ 2.05

Состав материала отвечает формуле:The composition of the material corresponds to the formula:

Li0.86625Na0.12375Sr0.01Nb0.988Al0.01O3+zMnO2, где 0.01≤z≤0.03.Li 0.86625 Na 0.12375 Sr 0.01 Nb 0.988 Al 0.01 O 3 + zMnO 2 , where 0.01≤z≤0.03.

1. Пример изготовления пьезоэлектрического керамического материала.1. An example of the manufacture of a piezoelectric ceramic material.

Материал изготавливался по обычной керамической технологии следующим образом. В качестве исходных реагентов использовались гидрокарбонаты, карбонаты и оксиды следующих квалификаций: NaHCO3 - «чда», Nb2O5 - «NbO-PT», Li2CO3 - «хч», SrO - «хч», Al2O3 - «ч», MnO2 - «ч».The material was manufactured by conventional ceramic technology as follows. Hydrocarbonates, carbonates and oxides of the following qualifications were used as initial reagents: NaHCO 3 - “chda”, Nb 2 O 5 - “NbO-PT”, Li 2 CO 3 - “hch”, SrO - “hh”, Al 2 O 3 - “h”, MnO 2 - “h”.

Синтез осуществлялся путем однократного обжига смесей сырьевых компонентов: NaHCO3, Nb2O5, Li2CO3, SrO, Al2O3, MnO2, взятых в количествах (масс %, в случае NaHCO3, Li2CO3, в пересчете на соответствующие оксиды): Na2O=16.50; Nb2O5=80.72; Li2O=1.14; SrO=0.64; Al2O3=0.31; MnO2=0.69 с промежуточным помолом синтезированного продукта. Температура обжига при синтезе Тсинт.=1123 К, длительность изотермической выдержки τсинт=5 ч. Спекание образцов в виде столбиков Ø12 мм, высотой (15÷18) мм осуществлялось при Тсп.=1433 К, длительность изотермической выдержки, τсп=2 ч. Металлизация (нанесение электродов) производилась 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 поляризовали в полиэтиленсилоксановой жидкости при температуре 400 К в течение 30 мин в постоянном электрическом поле напряженностью 4 кВ/см.The synthesis was carried out by a single firing of mixtures of raw components: NaHCO 3 , Nb 2 O 5 , Li 2 CO 3 , SrO, Al 2 O 3 , MnO 2 taken in quantities (mass%, in the case of NaHCO 3 , Li 2 CO 3 , in in terms of the corresponding oxides): Na 2 O = 16.50; Nb 2 O 5 = 80.72; Li 2 O = 1.14; SrO = 0.64; Al 2 O 3 = 0.31; MnO 2 = 0.69 with intermediate grinding of the synthesized product. The firing temperature in the synthesis of T synt. = 1123 K, the duration of isothermal exposure τ synt = 5 hours. Sintering of the samples in the form of columns Ø12 mm, height (15 ÷ 18) mm was carried out at T sp. = 1433 K, duration isothermal holding, τ h 2 = ch. Metallization (applying electrodes) made by coating the flat surface of the pre-ground portion to a thickness of 1 mm samples silver-containing paste and its subsequent brazing at a temperature T vzhig. = 1070 K for 0.5 h. Samples were polarized in a polyethylene siloxane liquid at a temperature of 400 K for 30 min in a constant electric field of 4 kV / cm.

2. Пример изготовления пьезоэлектрического керамического материала.2. An example of the manufacture of a piezoelectric ceramic material.

Материал изготавливался по обычной керамической технологии следующим образом. В качестве исходных реагентов использовались гидрокарбонаты, карбонаты и оксиды следующих квалификаций: NaHCO3 - «чда», Nb2O5 - «NbO-PT», Li2CO3 - «хч», SrO - «хч», Al2O3 - «ч», MnO2 - «ч».The material was manufactured by conventional ceramic technology as follows. Hydrocarbonates, carbonates and oxides of the following qualifications were used as initial reagents: NaHCO 3 - “chda”, Nb 2 O 5 - “NbO-PT”, Li 2 CO 3 - “hch”, SrO - “hh”, Al 2 O 3 - “h”, MnO 2 - “h”.

Синтез осуществлялся путем однократного обжига смесей сырьевых компонентов: NaHCO3, Nb2O5, Li2CO3, SrO, Al2O3, MnO2, взятых в количествах (масс %, в случае NaHCO3, Li2CO3 в пересчете на соответствующие оксиды): Na2O=16.39; Nb2O5=80.17; Li2O=1.13; SrO=0.63; Al2O3=0.31; MnO2=1.37 с промежуточным помолом синтезированного продукта. Температура обжига при синтезе, Тсинт.=1133 К, длительность изотермической выдержки, τсинт=5 ч. Спекание образцов в виде столбиков Ø12 мм, высотой (15÷18) мм осуществлялось при Тсп.=1442 К, длительность изотермической выдержки, τсп=2 ч. Металлизация (нанесение электродов) производилась 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 поляризовали в полиэтиленсилоксановой жидкости при температуре 400 К в течение 30 мин в постоянном электрическом поле напряженностью 4 кВ/см.The synthesis was carried out by a single firing of mixtures of raw components: NaHCO 3 , Nb 2 O 5 , Li 2 CO 3 , SrO, Al 2 O 3 , MnO 2 taken in quantities (mass%, in the case of NaHCO 3 , Li 2 CO 3 in terms of on the corresponding oxides): Na 2 O = 16.39; Nb 2 O 5 = 80.17; Li 2 O = 1.13; SrO = 0.63; Al 2 O 3 = 0.31; MnO 2 = 1.37 with intermediate grinding of the synthesized product. The firing temperature during synthesis, T synt. = 1133 K, the duration of isothermal exposure, τ synt = 5 hours. Sintering of samples in the form of columns Ø12 mm, height (15 ÷ 18) mm was carried out at T sp. = 1442 K, duration isothermal holding, τ h 2 = ch. Metallization (applying electrodes) made by coating the flat surface of the pre-ground portion to a thickness of 1 mm samples silver-containing paste and its subsequent brazing at a temperature T vzhig. = 1070 K for 0.5 h. Samples were polarized in a polyethylene siloxane liquid at a temperature of 400 K for 30 min in a constant electric field of 4 kV / cm.

3. Пример изготовления пьезоэлектрического керамического материала.3. An example of the manufacture of a piezoelectric ceramic material.

Материал изготавливался но обычной керамической технологии следующим образом. В качестве исходных реагентов использовались гидрокарбонаты, карбонаты и оксиды следующих квалификаций: NaHCO3 - «чда», Nb2O5 - «NbO-PT», Li2CO3 - «хч», SrO - «хч», Al2O3 - «ч», MnO2 - «ч».The material was manufactured using conventional ceramic technology as follows. Hydrocarbonates, carbonates and oxides of the following qualifications were used as initial reagents: NaHCO 3 - “chda”, Nb 2 O 5 - “NbO-PT”, Li 2 CO 3 - “hch”, SrO - “hh”, Al 2 O 3 - “h”, MnO 2 - “h”.

Синтез осуществлялся путем однократного обжига смесей сырьевых компонентов: NaHCO3, Nb2O5, Li2CO3, SrO, Al2O3, MnO2, взятых в количествах (масс %, в случае NaHCO3, Li2CO3 в пересчете на соответствующие оксиды): Na2O=16.28; Nb2O5=79.61; Li2O=1.12; SrO=0.63; Al2O3=0.31; MnO2=2.05 с промежуточным помолом синтезированного продукта.The synthesis was carried out by a single firing of mixtures of raw components: NaHCO 3 , Nb 2 O 5 , Li 2 CO 3 , SrO, Al 2 O 3 , MnO 2 taken in quantities (mass%, in the case of NaHCO 3 , Li 2 CO 3 in terms of to the corresponding oxides): Na 2 O = 16.28; Nb 2 O 5 = 79.61; Li 2 O = 1.12; SrO = 0.63; Al 2 O 3 = 0.31; MnO 2 = 2.05 with intermediate grinding of the synthesized product.

Температура обжига при синтезе, Тсинт.=1133 К, длительность изотермической выдержки τсинт=5 ч. Спекание образцов в виде столбиков Ø12 мм, высотой (15÷18) мм осуществлялось при Тсп.=1445 К, длительность изотермической выдержки, τсп=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 поляризовали в полиэтиленсилоксановой жидкости при температуре 400 К в течение 30 мин в постоянном электрическом поле напряженностью 4 кВ/см.The firing temperature during synthesis, T synt. = 1133 K, the duration of the isothermal exposure τ synt = 5 hours. Sintering of the samples in the form of columns Ø12 mm, height (15 ÷ 18) mm was carried out at T sp. = 1445 K, duration isothermal holding, τ h 2 = ch. Metallization (applying electrodes) is produced by coating the flat surface of the pre-ground portion to a thickness of 1 mm samples silver-containing paste and its subsequent brazing at a temperature T vzhig. = 1070 K for 0.5 h. Samples were polarized in a polyethylene siloxane liquid at a temperature of 400 K for 30 min in a constant electric field of 4 kV / cm.

Электрофизические характеристики определяли в соответствии с ОСТ 11.0444-87. Измерялись относительные диэлектрические проницаемости поляризованных образцов, ε33Т00 - диэлектрическая постоянная) образцов, пьезомодули, |d31| и d33, коэффициент электромеханической связи планарной моды колебаний, Кр, механическая добротность, Qm, скорость звука, V1E. Пьезомодуль d33 определяли квазистатическим методом. Измерение экспериментальной плотности образцов, ρэксп, осуществляли методом гидростатического взвешивания в октане. Пьезочувствительность на толщинной моде колебаний, g33, рассчитывали по формуле g33=d3333Т. Акустический импеданс, Za, рассчитывали по формуле Zaэксп.V1E.Electrical characteristics were determined in accordance with OST 11.0444-87. The relative permittivities of polarized samples were measured, ε 33 T / ε 00 is the dielectric constant) of the samples, piezoelectric modules, | d 31 | and d 33 , the electromechanical coupling coefficient of the planar oscillation mode, K p , mechanical quality factor, Q m , sound speed, V 1 E. Piezomodule d 33 was determined by the quasistatic method. The experimental density of the samples, ρ exp, was measured by hydrostatic weighing in octane. The piezosensitivity in the thick mode of vibration, g 33 , was calculated by the formula g 33 = d 33 / ε 33 T. The acoustic impedance, Z a, was calculated by the formula Z a = ρ exp. V 1 E.

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 оптимальных составов 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 of the optimal compositions of the proposed material.

Полученные экспериментальные данные (фиг.1, таблица 1, примеры №№3-5) свидетельствуют о том, что пьезоэлектрический керамический материал предлагаемого состава обладает оптимальными, с точки зрения решаемой технической задачи, характеристиками в указанном интервале величин концентраций.The obtained experimental data (Fig. 1, table 1, examples Nos. 3-5) indicate that the piezoelectric ceramic material of the proposed composition has optimal, from the point of view of the technical problem being solved, characteristics in the indicated range of concentrations.

Таким образом, положительный эффект предлагаемого материала обусловлен его качественным и количественным составом, что подтверждают также примеры №№1, 2, 6, 7, демонстрирующие ухудшение свойств за пределами предлагаемой области концентраций компонентов. Нарушение этих пределов приводит, как видно из таблицы 1, к росту ε33Т0 и снижению d33 и g33.Thus, the positive effect of the proposed material is due to its qualitative and quantitative composition, which is also confirmed by examples No. 1, 2, 6, 7, demonstrating the deterioration of properties outside the proposed range of concentrations of the components. Violation of these limits leads, as can be seen from table 1, to an increase in ε 33 T / ε 0 and a decrease in d 33 and g 33 .

Предлагаемый пьезоэлектрический керамический материал получают по обычной керамической технологии, легко адаптируемой к промышленным условиям, без использования дорогостоящего метода горячего прессования, часто применяемого для изготовления подобных высокочастотных материалов (1. Данцигер А.Я., Разумовская О.Н., Резниченко Л.А., Дудкина С.И. Высокоэффективные пьезокерамические материалы. Оптимизация поиска. Ростов-на-Дону: Изд-во "Пайк". 1995. - 94 с.). Это значительно упрощает и удешевляет технологический процесс.The proposed piezoelectric ceramic material is obtained by conventional ceramic technology, easily adaptable to industrial conditions, without the use of the expensive hot pressing method, often used for the manufacture of such high-frequency materials (1. Danziger A.Ya., Razumovskaya ON, Reznichenko L.A. , Dudkina SI Highly effective piezoceramic materials. Search optimization. Rostov-on-Don: Publishing house Pike. 1995. - 94 p.). This greatly simplifies and reduces the cost of the process.

Данные, приведенные на фиг.1, 2 (табл.1, 2), подтверждают преимущества предлагаемого пьезоэлектрического керамического материала по сравнению с материалом-прототипом, а именно, снижение ε33Т0 почти вдвое до значений (121÷135), при сохранении высокой пьезочувствителыюсти g33=(42.0÷42.6) мВм/Н на толщинной моде колебаний и достаточно высоких значений механической добротности, Qm (516÷558).The data shown in figure 1, 2 (table 1, 2) confirm the advantages of the proposed piezoelectric ceramic material compared with the prototype material, namely, the reduction of ε 33 T / ε 0 is almost doubled to values (121 ÷ 135), while maintaining a high piezoelectric sensitivity g 33 = (42.0 ÷ 42.6) mVm / N in the thickness mode of vibration and sufficiently high values of mechanical Q factor, Q m (516 ÷ 558).

Эффект снижения ε33Т0 достигается, по существу, дополнительным введением Li2O, SrO, Al2O3 и MnO2.The effect of reducing ε 33 T / ε 0 is achieved essentially by the additional introduction of Li 2 O, SrO, Al 2 O 3 and MnO 2 .

Все указанные параметры материала позволяют использовать его в более высокочастотном диапазоне по сравнению с интервалом частот, в котором могут применяться описанные аналоги и прототип.All of these material parameters allow it to be used in a higher frequency range than the frequency interval in which the described analogues and prototype can be used.

Это следует, прежде всего, из того, твердые растворы на основе ниобатов щелочных металлов (НЩМ) могут использоваться в качестве резонансных элементов пьезоэлектрических преобразователей в высокочастотных (ВЧ) (3.0÷30.0) МГц и очень высокочастотных (ОВЧ) (30.0÷300.0) МГц диапазонах, среднечастотном (СЧ) (0.3÷3.0) МГц диапазоне; низкочастотном (НЧ) (30.0÷300.0) кГц и ультранизкочастотном (ОНЧ) (<30.0 кГц) диапазонах. Классификация электромагнитных волн по частотным диапазонам представлена в (2. Носов Ю.Н., Кукаев А.А. Энциклопедия отечественных антенн. Справочное издание. М. 2001. С.49).This follows, first of all, from the fact that solid solutions based on alkali metal niobates (NLM) can be used as resonant elements of piezoelectric transducers in high-frequency (HF) (3.0 ÷ 30.0) MHz and very high-frequency (VHF) (30.0 ÷ 300.0) MHz ranges, mid-frequency (MF) (0.3 ÷ 3.0) MHz range; low-frequency (LF) (30.0 ÷ 300.0) kHz and ultra-low-frequency (VLF) (<30.0 kHz) ranges. Classification of electromagnetic waves by frequency ranges is presented in (2. Nosov Yu.N., Kukaev A.A. Encyclopedia of domestic antennas. Reference publication. M. 2001. P.49).

При условии согласования преобразователя с нагрузкой (Ri=Rн) (обычно реализуемое в выпускаемой промышленностью радиоэлектронной аппаратуре выходное сопротивление Rн~50 Ом для высоких и средних частот и 1000 Ом для низких частот), используя формулу для емкостного сопротивления преобразователя: Ri=1/ωС, где Ri - емкостное сопротивление преобразователя, Ом; ω - круговая частота, Гц; С - емкость, Ф; - можно приблизительно оценить интервалы значений емкости С=1/2πfRi для указанных диапазонов частот, а, следовательно, и относительной диэлектрической проницаемости поляризованных элементов, ε33Т0=k·C, где k - коэффициент, зависящий от размеров элементов, ε0=8.85·10-12 Ф - диэлектрическая проницаемость вакуума; при k=1, ε33Т0=С.Provided that the converter is matched to the load (R i = R n ) (usually the output impedance R n ~ 50 Ohms for high and medium frequencies and 1000 Ohms for low frequencies commonly used in commercial electronic equipment), using the formula for the capacitance of the converter: R i = 1 / ωС, where R i is the capacitance of the converter, Ohm; ω is the circular frequency, Hz; C is the capacity, f; - you can approximately estimate the intervals of the capacitance values C = 1 / 2πfR i for the indicated frequency ranges, and, therefore, the relative dielectric constant of polarized elements, ε 33 T / ε 0 = k · C, where k is a coefficient depending on the sizes of the elements, ε 0 = 8.85 · 10 -12 F is the dielectric constant of the vacuum; at k = 1, ε 33 T / ε 0 = С.

На фиг.3-5, где изображены таблицы 3-5, приведены значения относительной диэлектрической проницаемости, ε33Т0, реализуемые в объемных керамических образцах в различных частотных диапазонах. Там же (*) приведены комментарии к таблицам.Figure 3-5, which shows tables 3-5, shows the values of the relative dielectric constant, ε 33 T / ε 0 , implemented in bulk ceramic samples in different frequency ranges. There (*) are comments on the tables.

Разработанный пьезоэлектрический керамический материал может быть использован для создания высокочастотных электромеханических преобразователей, применяемых, в частности, в ультразвуковых линиях задержки (эксплуатируемых в частотном диапазоне 20÷30 мГц), высокочувствительных моночастотных резонаторах, работающих на толщинных колебаниях.The developed piezoelectric ceramic material can be used to create high-frequency electromechanical transducers, used, in particular, in ultrasonic delay lines (operated in the frequency range 20–30 MHz), highly sensitive mono-frequency resonators operating on thick vibrations.

Кроме указанных выше низких значений ε33Т0, высоких g33 и достаточно высоких Qm, материал обладает:Besides the aforementioned low values ε 33 T / ε 0, 33 g of high and sufficiently high Q m, the material is:

- высокой скоростью звука (V1E≈5.8 км/с), что позволяет получать заданную частоту на менее тонких пластинах. Это упрощает технологию изготовления ВЧ-устройств за счет возможности увеличения их резонансных размеров (это, в свою очередь, выгодно и с точки зрения уменьшения емкости преобразователя);- high speed of sound (V 1 E ≈5.8 km / s), which allows to obtain a given frequency on less thin plates. This simplifies the manufacturing technology of RF devices due to the possibility of increasing their resonant sizes (this, in turn, is beneficial from the point of view of reducing the capacity of the converter);

- низкой плотностью (ρэксп≈4.5 г/см3), что приводит, с одной стороны, к значительному снижению веса изделий, а с другой - к уменьшению акустического импеданса (Zaэксп V1E=22.8÷25.7 mrayl), необходимому для согласования с акустической нагрузкой;- low density (ρ exp ≈4.5 g / cm 3 ), which leads, on the one hand, to a significant reduction in the weight of products, and on the other, to a decrease in acoustic impedance (Z a = ρ exp V 1 E = 22.8 ÷ 25.7 mrayl) required to match the acoustic load;

- высокой анизотропией пьезосвойств (d33/|d31|~4÷5), что позволяет улучшить отношение сигнал/шум и упростить технологию, исключив операцию резки материала на субэлементы;- high anisotropy of the piezoelectric properties (d 33 / | d 31 | ~ 4 ÷ 5), which allows to improve the signal-to-noise ratio and simplify the technology, excluding the operation of cutting the material into subelements;

- достаточно высокие температуры Кюри, Тк, (620÷640 К) материала позволяют его использовать в широкой области температур.- sufficiently high Curie temperatures, T k (620 ÷ 640 K) of the material allow it to be used in a wide temperature range.

Из вышесказанного следует, что технический результат изобретения достигается новой совокупностью существенных признаков как вновь введенных, так и известных, следовательно, заявляемый пьезоэлектрический керамический материал соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».From the foregoing, it follows that the technical result of the invention is achieved by a new set of essential features both newly introduced and known, therefore, the claimed piezoelectric ceramic material meets the patentability criterion of "inventive step".

Предлагаемый пьезоэлектрический керамический материал обеспечивает технический результат, не вызывает затруднений при изготовлении, предполагает использование основных (доступных и дешевых) материалов (реагентов) и стандартного оборудования, что свидетельствует о соответствии заявленного технического решения критерию патентоспособности «промышленная применяемость».The proposed piezoelectric ceramic material provides a technical result, does not cause difficulties in manufacturing, involves the use of basic (affordable and cheap) materials (reagents) and standard equipment, which indicates that the claimed technical solution meets the patentability criterion of "industrial applicability".

Claims (1)

Пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий Na2O и Nb2O5, отличающийся тем, что дополнительно содержит Li2O, SrO, Аl2O3 и МnO2 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Na2O 16,28÷16,50 Nb2O5 79,61÷80,71 Li2O 1,12÷14 Аl2O3 0,31÷0,32 МnО2 0,69÷2,05 SrO 0,63÷0,64
Piezoelectric ceramic material based on sodium niobate, including Na 2 O and Nb 2 O 5 , characterized in that it further contains Li 2 O, SrO, Al 2 O 3 and MnO 2 in the following ratio of components, wt.%:
Na 2 O 16.28 ÷ 16.50 Nb 2 O 5 79.61 ÷ 80.71 Li 2 O 1.12 ÷ 14 Al 2 O 3 0.31 ÷ 0.32 MnO 2 0.69 ÷ 2.05 Sro 0.63 ÷ 0.64
RU2011145119/03A 2011-11-09 2011-11-09 Piezoelectric ceramic material RU2498959C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011145119/03A RU2498959C2 (en) 2011-11-09 2011-11-09 Piezoelectric ceramic material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011145119/03A RU2498959C2 (en) 2011-11-09 2011-11-09 Piezoelectric ceramic material

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2011145119A RU2011145119A (en) 2013-05-20
RU2498959C2 true RU2498959C2 (en) 2013-11-20

Family

ID=48788753

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011145119/03A RU2498959C2 (en) 2011-11-09 2011-11-09 Piezoelectric ceramic material

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2498959C2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2548278C1 (en) * 2014-02-04 2015-04-20 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" Piezoelectric ceramic material
RU2551156C1 (en) * 2013-12-30 2015-05-20 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" Piezoelectric ceramic material
RU2561439C2 (en) * 2014-01-09 2015-08-27 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" Piezoelectric ceramic material
RU2728056C1 (en) * 2019-07-24 2020-07-28 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" Lead-free piezoelectric ceramic material

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU694478A1 (en) * 1978-05-24 1979-10-30 Ростовский Ордена Трудового Красного Знамени Государственный Университет Piezoelectric ceramic material
SU1428744A1 (en) * 1986-11-18 1988-10-07 Рижский политехнический институт им.А.Я.Пельше Piezoelectric ceramic material
EP1032057A1 (en) * 1999-02-24 2000-08-30 Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho Alkali metal-containing niobate-based piezoelectric material composition and a method for producing the same
CN1810711A (en) * 2005-01-24 2006-08-02 四川大学 Lead-less lithium sodium potassium niobate piezoelectric ceramic with high curie point and its prepn
KR100790407B1 (en) * 2006-10-12 2008-01-02 한국전기연구원 Composition of lead-free piezoelectric ceramics and method for manufacturing the same

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU694478A1 (en) * 1978-05-24 1979-10-30 Ростовский Ордена Трудового Красного Знамени Государственный Университет Piezoelectric ceramic material
SU1428744A1 (en) * 1986-11-18 1988-10-07 Рижский политехнический институт им.А.Я.Пельше Piezoelectric ceramic material
EP1032057A1 (en) * 1999-02-24 2000-08-30 Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho Alkali metal-containing niobate-based piezoelectric material composition and a method for producing the same
CN1810711A (en) * 2005-01-24 2006-08-02 四川大学 Lead-less lithium sodium potassium niobate piezoelectric ceramic with high curie point and its prepn
KR100790407B1 (en) * 2006-10-12 2008-01-02 한국전기연구원 Composition of lead-free piezoelectric ceramics and method for manufacturing the same

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2551156C1 (en) * 2013-12-30 2015-05-20 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" Piezoelectric ceramic material
RU2561439C2 (en) * 2014-01-09 2015-08-27 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" Piezoelectric ceramic material
RU2548278C1 (en) * 2014-02-04 2015-04-20 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" Piezoelectric ceramic material
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
RU2011145119A (en) 2013-05-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4568848A (en) Acoustic surface wave devices containing piezoelectric ceramics
RU2498959C2 (en) Piezoelectric ceramic material
Ito et al. Temperature‐compensated PbTiO3 ceramics for surface acoustic wave applications
KR19990072724A (en) Piezoelectric Ceramic Composition
KR101043041B1 (en) Composition of lead-free piezoelectric ceramics for Ultrasonic vibrator
RU2498960C2 (en) Piezoelectric ceramic material
JPH09165262A (en) Piezoelectric porcelain composition
Tsai et al. Electrical properties and temperature behavior of ZnO-doped PZT–PMnN modified piezoelectric ceramics and their applications on therapeutic transducers
US4605876A (en) Piezoelectric ceramic energy trapping electronic device
RU2498961C2 (en) Piezoelectric ceramic material
JP2009078964A (en) Method for producing piezoelectric ceramic
JP2002167276A (en) Piezoelectric ceramic composition and piezoresonator
RU2440955C2 (en) Piezoelectric ceramic material
JP4992796B2 (en) Oscillator
Chen et al. The piezoelectric and dielectric properties of Ca-additive Sm-modified PbTiO3 ceramics intended for surface acoustic wave devices
RU2542012C1 (en) Piezoelectric ceramic material
JP2003034574A (en) Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric resonator
KR100944888B1 (en) Piezoelectric porcelain composition and oscillator
Chu et al. The influence of Cd doping on the surface acoustic wave properties of Sm-modified PbTiO3 ceramics
JPS6358782B2 (en)
RU2751324C1 (en) High-frequency piezoelectric ceramic material based on sodium niobate
RU2597352C1 (en) Piezoelectric ceramic material
JP5094284B2 (en) Piezoelectric ceramic and piezoelectric element
Hackenberger et al. Advanced piezoelectric materials for medical ultrasound transducers
JP2010180073A (en) Piezoelectric porcelain composition and oscillator

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20161110