RU2498960C2 - Piezoelectric ceramic material - Google Patents

Piezoelectric ceramic material Download PDF

Info

Publication number
RU2498960C2
RU2498960C2 RU2011145121/03A RU2011145121A RU2498960C2 RU 2498960 C2 RU2498960 C2 RU 2498960C2 RU 2011145121/03 A RU2011145121/03 A RU 2011145121/03A RU 2011145121 A RU2011145121 A RU 2011145121A RU 2498960 C2 RU2498960 C2 RU 2498960C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
piezoelectric ceramic
ceramic material
cdo
frequency
samples
Prior art date
Application number
RU2011145121/03A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2011145121A (en
Inventor
Лариса Андреевна Резниченко
Ольга Николаевна Разумовская
Константин Петрович Андрюшин
Светлана Ивановна Дудкина
Илья Александрович Вербенко
Инна Николаевна Андрюшина
Анатолий Владимирович Павленко
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 RU2011145121/03A priority Critical patent/RU2498960C2/en
Publication of RU2011145121A publication Critical patent/RU2011145121A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2498960C2 publication Critical patent/RU2498960C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to piezoelectric ceramic materials based on sodium niobate and can be used in making low-frequency receivers - hydrophones, microphones, hydro receivers, as well as in making low-frequency electromechanical transducers, which excite metallic resonators with high sound speed. The piezoelectric ceramic material contains sodium, potassium, cadmium and niobium oxides, with the following ratio of components, wt %: Na2O 8.75-9.72, K2O 5.31-5.38, CdO 9.15-10.88, Nb2O5 75.05-75.77. The material is produced using conventional ceramic processing.
EFFECT: material has high relative permittivity of polarised samples, sound speed and mechanical Q-factor.
3 ex, 5 tbl

Description

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе ниобата натрия и может быть использован для создания низкочастотных приемных устройств - гидрофонов, микрофонов, сейсмоприемников, а также для создания низкочастотных электромеханических преобразователей, возбуждающих металлические резонаторы с высокой скоростью звука. Для указанных применений материал должен обладать высокими значениями относительной диэлектрической проницаемости, ε 33 T / ε 0

Figure 00000001
, (1300÷2000), скорости звука, V 1 E
Figure 00000002
, (4.5÷5.5 км/с), механической добротности, Qm, (>1000).The invention relates to piezoelectric ceramic materials based on sodium niobate and can be used to create low-frequency receivers - hydrophones, microphones, geophones, and also to create low-frequency electromechanical converters that excite metal resonators with a high speed of sound. For these applications, the material must have high values of relative permittivity, ε 33 T / ε 0
Figure 00000001
, (1300 ÷ 2000), sound velocity, V one E
Figure 00000002
, (4.5 ÷ 5.5 km / s), mechanical Q factor, Q m , (> 1000).

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий Na2O, Li2O, Nb2O5, PbO, TiO2, ZrO2. Материал имеет ε 33 T / ε 0 = 2000 ÷ 2300

Figure 00000003
, V 1 E = 3.15 ÷ 4.0
Figure 00000004
км/с, Qm=125÷145 (Е.Г. Фесенко, O.H. Разумовская, А.Я. Данцигер, Л.А. Резниченко. Пьезоэлектрический керамический материал // Авторское свидетельство №601260 от 14.12.1977, по заявке 2421001 от 18.11.1976 (приоритет), опубликовано 05.04.1978. Бюллетень №13). Для указанных применений материал имеет недостаточно высокие значения Qm. Кроме того, материал в своем составе содержит токсичный элемент Pb.Known piezoelectric ceramic material based on sodium niobate, including Na 2 O, Li 2 O, Nb 2 O 5 , PbO, TiO 2 , ZrO 2 . Material has ε 33 T / ε 0 = 2000 ÷ 2300
Figure 00000003
, V one E = 3.15 ÷ 4.0
Figure 00000004
km / s, Q m = 125 ÷ 145 (EG Fesenko, OH Razumovskaya, A.Ya. Danziger, L.A. Reznichenko. Piezoelectric ceramic material // Author's certificate No. 601260 of 12/14/1977, according to application 2421001 of 11/18/1976 (priority), published 04/05/1978, Bulletin No. 13). For these applications, the material has not high enough values of Q m . In addition, the material in its composition contains the toxic element Pb.

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий Na2O, Li2O, Nb2O5, CdO. Материал имеет ε 33 T / ε 0 = 1070 ÷ 1240

Figure 00000005
. Для указанных применений материал имеет заниженное значение ε 33 T / ε 0
Figure 00000006
(Е.Г. Фесенко, О.Н. Разумовская, А.Я. Данцигер, Л.А. Резниченко, А.Н. Клевцов. Пьезоэлектрический керамический материал. // Авторское свидетельство №619470 от 21.04.1978, по заявке 2421002 от 18.11.1976 (приоритет), опубликовано 15.08.1978. Бюллетень №30).Known piezoelectric ceramic material based on sodium niobate, including Na 2 O, Li 2 O, Nb 2 O 5 , CdO. Material has ε 33 T / ε 0 = 1070 ÷ 1240
Figure 00000005
. For these applications, the material is undervalued ε 33 T / ε 0
Figure 00000006
(EG Fesenko, O.N. Razumovskaya, A.Ya. Danziger, L.A. Reznichenko, A.N. Klevtsov. Piezoelectric ceramic material. // Copyright certificate No. 619470 of 04/21/1978, according to application 2421002 of 11/18/1976 (priority), published 08/15/1978, Bulletin No. 30).

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий Na2O, Li2O, Nb2O5, PbO. Материал имеет ε 33 T / ε 0 = 330 ÷ 1080

Figure 00000007
, V 1 E = ( 4.89 ÷ 5.15 )
Figure 00000008
км/с, Qm=70÷100. Для указанных применений материал имеет недостаточно высокие значения ε 33 T / ε 0
Figure 00000009
и Qm (Е.Г. Фесенко, Л.А. Резниченко, О.Н. Разумовская, Л.С. Иванова, Л.А. Шилкина, С.И. Дудкина. Пьезоэлектрический керамический материал. // Авторское свидетельство №1425181 от 22.05.1988, по заявке 4215651 от 26.03.1987 (приоритет), опубликовано 23.09.1988. Бюллетень №35).Known piezoelectric ceramic material based on sodium niobate, including Na 2 O, Li 2 O, Nb 2 O 5 , PbO. Material has ε 33 T / ε 0 = 330 ÷ 1080
Figure 00000007
, V one E = ( 4.89 ÷ 5.15 )
Figure 00000008
km / s, Q m = 70 ÷ 100. For these applications, the material is not high enough ε 33 T / ε 0
Figure 00000009
and Q m (E.G. Fesenko, L.A. Reznichenko, O.N. Razumovskaya, L.S. Ivanova, L.A. Shilkina, S.I. Dudkina. Piezoelectric ceramic material. // Copyright certificate No. 1425181 dated 05/22/1988, according to the application 4215651 of 03/26/1987 (priority), published on 09/23/1988, Bulletin No. 35).

Наиболее близким заявляемому материалу по технической сущности и достигаемому результату является пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий Na2O, Li2O, Nb2O5, Sb2O5. Материал имеет ε 33 T / ε 0 = 1510 ÷ 2700

Figure 00000010
, V 1 E = ( 5.50 ÷ 5.65 )
Figure 00000011
км/с, Qm=300÷632 (Е.Г. Фесенко, Л.А. Резниченко, О.Н. Разумовская, Л.С. Иванова, Н.В. Дергунова. Пьезоэлектрический керамический материал. // Авторское свидетельство №1294791 от 8.11.1986, по заявке 3967500 от 14.10.1985 (приоритет), опубликовано 07.03.1987. Бюллетень №9) (прототип). Для указанных применений материал имеет недостаточно высокое значение Qm.The closest claimed material in technical essence and the achieved result is a piezoelectric ceramic material based on sodium niobate, including Na 2 O, Li 2 O, Nb 2 O 5 , Sb 2 O 5 . Material has ε 33 T / ε 0 = 1510 ÷ 2700
Figure 00000010
, V one E = ( 5.50 ÷ 5.65 )
Figure 00000011
km / s, Q m = 300 ÷ 632 (E.G. Fesenko, L.A. Reznichenko, O.N. Razumovskaya, L.S. Ivanova, N.V. Dergunova. Piezoelectric ceramic material. // Copyright certificate No. 1294791 dated 11/08/1986, according to the application 3967500 from 10/14/1985 (priority), published on 03/07/1987, Bulletin No. 9) (prototype). For these applications, the material has a low Q m value.

Задачей изобретения является повышение Qm (до значений >1000) при сохранении высоких значений ε 33 T / ε 0

Figure 00000012
и V 1 E
Figure 00000013
.The objective of the invention is to increase Q m (to values> 1000) while maintaining high values ε 33 T / ε 0
Figure 00000012
and V one E
Figure 00000013
.

Указанный результат достигается тем, что пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий Na2O, Nb2O5, дополнительно содержит K2O и CdO при следующем соотношении компонентов, в масс.%:This result is achieved in that the piezoelectric ceramic material based on sodium niobate, including Na 2 O, Nb 2 O 5 , additionally contains K 2 O and CdO in the following ratio of components, in wt.%:

Na2O=8.75÷9.72,Na 2 O = 8.75 ÷ 9.72, K2O=5.31÷5.38,K 2 O = 5.31 ÷ 5.38, CdO=9.15÷10.88,CdO = 9.15 ÷ 10.88, Nb2O5=75.05÷75.77Nb 2 O 5 = 75.05 ÷ 75.77

Состав материала отвечает формуле (NaaKbCdc)NbO3, гдеThe composition of the material corresponds to the formula (Na a K b Cd c ) NbO 3 , where

a=(0.5÷0.55 мол.%), b=(0.2 мол.%), c=(0.125÷0.15 мол.%). a = (0.5 ÷ 0.55 mol%), b = (0.2 mol%), c = (0.125 ÷ 0.15 mol%).

a+b+2c=100%. a + b + 2c = 100%.

1. Пример 1 изготовления пьезоэлектрического керамического материала (здесь и далее нумерация примеров соответствует таблице1).1. Example 1 of the manufacture of a piezoelectric ceramic material (hereinafter, the numbering of examples corresponds to table1).

Материал изготавливался по обычной керамической технологии следующим образом. В качестве исходных реагентов использовались гидрокарбонаты, карбонаты и оксиды следующих квалификаций: NaHCO3 - «чда», KHCO3 - «ч», Nb2O5 - «NbO-РТ», CdO - «хч».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”, KHCO 3 - “h”, Nb 2 O 5 - “NbO-PT”, CdO - “hch”.

Синтез осуществлялся путем однократного обжига смесей сырьевых компонентов: NaHCO3, KHCO3, Nb2O5, CdO, взятых в количествах (масс %, в случае NaHCO3, KHCO3 в пересчете на соответствующие оксиды): Na2O=6.82, K2O=5.22, Nb2O5=73.63, CdO=14.33; с промежуточным помолом синтезированного продукта. Температуры обжига при синтезе Тсинт.1=1220 K, Тсинт.2=1240 K, длительности изотермических выдержек τсинт.1=5 ч, τсинт.2=10 ч. Спекание образцов в виде столбиков ⌀12 мм, высотой 15÷18 мм осуществлялось при Тсп.=1460 K, длительность изотермической выдержки τсп=1.5 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 K в течение 0.5 ч. Образцы поляризовали в полиэтиленсилоксановой жидкости при температуре 420 K в течение 15 мин. в постоянном электрическом поле напряженностью 3.6 кВ/см.The synthesis was carried out by a single firing of mixtures of raw components: NaHCO 3 , KHCO 3 , Nb 2 O 5 , CdO, taken in quantities (mass%, in the case of NaHCO 3 , KHCO 3 in terms of the corresponding oxides): Na 2 O = 6.82, K 2 O = 5.22, Nb 2 O 5 = 73.63, CdO = 14.33; with intermediate grinding of the synthesized product. The firing temperatures in the synthesis of T synth. 1 = 1220 K, T synt . 2 = 1240 K, the duration of isothermal aging τ synt. 1 = 5 hours, τ synt . 2 = 10 hours. Sintering of samples in the form of columns ⌀12 mm, height 15 ÷ 18 mm was carried out at T sp. = 1460 K, the duration of the isothermal hold cn τ = 1.5 h. 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 420 K for 15 min. in a constant electric field of 3.6 kV / cm.

2. Пример 4 изготовления пьезоэлектрического керамического материала.2. Example 4 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», KHCO3 - «ч», Nb2O5 - «NbO-РТ», CdO - «хч».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”, KHCO 3 - “h”, Nb 2 O 5 - “NbO-PT”, CdO - “hch”.

Синтез осуществлялся путем однократного обжига смесей сырьевых компонентов: NaHCO3, KHCO3, Nb2O5, CdO, взятых в количествах (масс %, в случае NaHCO3, KHCO3 в пересчете на соответствующие оксиды): Na2O=9.23, K2O=5.34, Nb2O5=75.42, CdO=10.01; с промежуточным помолом синтезированного продукта. Температуры обжига при синтезе Тсинт.1=1220 K, Тсинт.2=1240 K, длительности изотермических выдержек τсинт.1=5 ч, τсинт.2=10 ч. Спекание образцов в виде столбиков ⌀12 мм, высотой 15÷18 мм осуществлялось при Тсп.=1460 K, длительность изотермической выдержки τсп=1.5 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 K в течение 0.5 ч. Образцы поляризовали в полиэтиленсилоксановой жидкости при температуре 420 K в течение 15 мин. в постоянном электрическом поле напряженностью 3.0 кВ/см.The synthesis was carried out by a single firing of mixtures of raw components: NaHCO 3 , KHCO 3 , Nb 2 O 5 , CdO, taken in quantities (mass%, in the case of NaHCO 3 , KHCO 3 in terms of the corresponding oxides): Na 2 O = 9.23, K 2 O = 5.34, Nb 2 O 5 = 75.42, CdO = 10.01; with intermediate grinding of the synthesized product. The firing temperatures in the synthesis of T synth. 1 = 1220 K, T synt . 2 = 1240 K, the duration of isothermal aging τ synt. 1 = 5 hours, τ synt . 2 = 10 hours. Sintering of samples in the form of columns ⌀12 mm, height 15 ÷ 18 mm was carried out at T sp. = 1460 K, the duration of the isothermal hold cn τ = 1.5 h. 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 420 K for 15 min. in a constant electric field with a voltage of 3.0 kV / cm.

3. Пример 7 изготовления пьезоэлектрического керамического материала.3. Example 7 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», KHCO3 - «ч», Nb2O5 - «NbO-РТ», CdO - «хч».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”, KHCO 3 - “h”, Nb 2 O 5 - “NbO-PT”, CdO - “hch”.

Синтез осуществлялся путем однократного обжига смесей сырьевых компонентов: NaHCO3, KHCO3, Nb2O5, CdO, взятых в количествах (масс %, в случае NaHCO3, KHCO3 в пересчете на соответствующие оксиды): Na2O=11.65, K2O=5.48, Nb2O5=77.18, CdO=5.69; с промежуточным помолом синтезированного продукта. Температуры обжига при синтезе Тсинт.1=1220 K, Тсинт.2=1240 K, длительности изотермических выдержек τсинт.1=5 ч, τсинт.2=10 ч. Спекание образцов в виде столбиков ⌀12 мм, высотой 15÷18 мм осуществлялось при Тсп.=1410 K, длительность изотермической выдержки τсп=1.5 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 K в течение 0.5 ч. Образцы поляризовали в полиэтиленсилоксановой жидкости при температуре 420 K в течение 15 мин. в постоянном электрическом поле напряженностью 3.5 кВ/см.The synthesis was carried out by a single firing of mixtures of raw components: NaHCO 3 , KHCO 3 , Nb 2 O 5 , CdO, taken in quantities (mass%, in the case of NaHCO 3 , KHCO 3 in terms of the corresponding oxides): Na 2 O = 11.65, K 2 O = 5.48, Nb 2 O 5 = 77.18, CdO = 5.69; with intermediate grinding of the synthesized product. The firing temperatures in the synthesis of T synth. 1 = 1220 K, T synt . 2 = 1240 K, the duration of isothermal aging τ synt. 1 = 5 hours, τ synt . 2 = 10 hours. Sintering of samples in the form of columns ⌀12 mm, height 15 ÷ 18 mm was carried out at T sp. = 1410 K, the duration of the isothermal hold cn τ = 1.5 h. 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 420 K for 15 min. in a constant electric field of 3.5 kV / cm.

Электрофизические характеристики определяли в соответствии с ОСТ 11.0444-87. Измерялись относительные диэлектрические проницаемости поляризованных образцов, ε 33 T / ε 0

Figure 00000014
0 - диэлектрическая постоянная) образцов, механическая добротность, Qm, скорость звука, V 1 E
Figure 00000015
.Electrical characteristics were determined in accordance with OST 11.0444-87. The relative permittivities of polarized samples were measured, ε 33 T / ε 0
Figure 00000014
0 - dielectric constant) of samples, mechanical quality factor, Q m , speed of sound, V one E
Figure 00000015
.

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.

Полученных экспериментальные данные (фиг.1, табл.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 No. 3-5) show 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 concentration values.

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 табл.1 (фиг.1), к снижению Qm, ε 33 T / ε 0

Figure 00000016
при сохранении V 1 E
Figure 00000017
.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 (figure 1), to reduce Q m ε 33 T / ε 0
Figure 00000016
when saving V one E
Figure 00000017
.

Предлагаемый пьезоэлектрический керамический материал получают по обычной керамической технологии без использования дорогостоящего метода горячего прессования (как в прототипе). Это значительно упрощает и удешевляет технологический процесс.The proposed piezoelectric ceramic material is obtained by conventional ceramic technology without the use of an expensive method of hot pressing (as in the prototype). This greatly simplifies and reduces the cost of the process.

Данные, приведенные на фиг.1, 2 (табл.1, 2), подтверждают преимущества пьезоэлектрического керамического материала по сравнению с материалом-прототипом, а именно, повышение Qm (в полтора раза) до значений 1000÷1060 при сохранении высоких ε 33 T / ε 0 = 1356 ÷ 2024

Figure 00000018
и V 1 E
Figure 00000019
(4.56÷4.74) км/с. Эффект повышения Qm достигается по существу дополнительным введением в материал, включающий Na2O и Nb2O5, оксидов калия и кадмия.The data shown in figures 1, 2 (table 1, 2) confirm the advantages of a piezoelectric ceramic material compared with the prototype material, namely, an increase in Q m (one and a half times) to values of 1000 ÷ 1060 while maintaining high ε 33 T / ε 0 = 1356 ÷ 2024
Figure 00000018
and V one E
Figure 00000019
(4.56 ÷ 4.74) km / s. The effect of increasing Q m is achieved essentially by the additional introduction of potassium and cadmium oxides into the material, including Na 2 O and Nb 2 O 5 .

Высокое значение относительной диэлектрической проницаемости ε 33 T / ε 0

Figure 00000020
, предлагаемого керамического материала (>2000) определяет его основное назначение - низкочастотные приемные устройства - гидрофоны, микрофоны, сейсмоприемники, а также для создания низкочастотных электромеханических преобразователей, возбуждающих металлические резонаторы с высокой скоростью звука. Это следует, прежде всего, из того, что твердые растворы (TP) на основе ниобатов щелочных металлов (НЩМ) могут использоваться в качестве резонансных элементов пьезоэлектрических преобразователей в высокочастотных (ВЧ) (3.0÷30.0 МГц) и (ОВЧ) и (30.0÷300.0) МГц, среднечастотном (СЧ) (0.3÷3.0) МГц; низкочастотном (НЧ) (30.0÷300.0) кГц) и ультранизкочастотном (ОНЧ) (<30.0 кГц) диапазонах. Классификация электромагнитных волн по частотным диапазонам представлена в (Носов Ю.Н., Кукаев А.А. Энциклопедия отечественных антенн. / Справочное издание. М., 2001. С.49): высокие частоты (ВЧ) - (3.0÷30.0) МГц; очень высокие частоты (ОНЧ) - (30.0÷300.0) МГц; средние частоты (СЧ) - (300.0÷3000.0) кГц; низкие частоты (НЧ) - (30.0÷300.0) кГц; очень низкие частоты (ОНЧ) - (3.0÷30.0) кГц.High relative permittivity ε 33 T / ε 0
Figure 00000020
The proposed ceramic material (> 2000) determines its main purpose - low-frequency receivers - hydrophones, microphones, geophones, and also for creating low-frequency electromechanical transducers that excite metal resonators with a high speed of sound. This follows, first of all, from the fact that solid solutions (TP) based on alkali metal niobates (NSM) can be used as resonant elements of piezoelectric transducers in high-frequency (HF) (3.0 ÷ 30.0 MHz) and (VHF) and (30.0 ÷ 300.0) MHz, mid-frequency (MF) (0.3 ÷ 3.0) MHz; 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 (Nosov Yu.N., Kukaev A.A. Encyclopedia of domestic antennas. / Reference edition. M., 2001. P.49): high frequencies (HF) - (3.0 ÷ 30.0) MHz ; very high frequencies (VLF) - (30.0 ÷ 300.0) MHz; middle frequencies (MF) - (300.0 ÷ 3000.0) kHz; low frequencies (LF) - (30.0 ÷ 300.0) kHz; very low frequencies (VLF) - (3.0 ÷ 30.0) kHz.

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/ωC, где Ri - емкостное сопротивление преобразователя, Ом; ω - круговая частота, Гц; C - емкость, Ф, можно приблизительно оценить интервалы значений емкости C=1/2πfRi для указанных диапазонов частот, а, следовательно, и относительной диэлектрической проницаемости поляризованных элементов, ε 33 T / ε 0 = k C

Figure 00000021
, где k - коэффициент, зависящий от размеров элементов, ε0=8.85·10-12 Ф - диэлектрическая проницаемость вакуума; при k=1, ε 33 T / ε 0 = C
Figure 00000022
.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 / ωC, where R i is the capacitance of the converter, Ohm; ω is the circular frequency, Hz; C is the capacitance, Ф, it is possible to approximately estimate the intervals of the capacitance values C = 1 / 2πfR i for the indicated frequency ranges, and, consequently, the relative dielectric constant of polarized elements, ε 33 T / ε 0 = k C
Figure 00000021
where k is a coefficient depending on the size of the elements, ε 0 = 8.85 · 10 -12 F is the dielectric constant of the vacuum; for k = 1, ε 33 T / ε 0 = C
Figure 00000022
.

На фиг 3-5 (табл.3-5) приведены значения относительной диэлектрической проницаемости ε 33 T / ε 0

Figure 00000023
, реализуемые на объемных керамических образцах.Fig 3-5 (table 3-5) shows the values of the relative dielectric constant ε 33 T / ε 0
Figure 00000023
sold on bulk ceramic samples.

Таким образом, при повышенных частотах необходимы достаточно высокие значения емкости (относительной диэлектрической проницаемости) для снижения сопротивления преобразователя, что улучшает его согласование с нагрузкой. Высокие значения ε 33 T / ε 0

Figure 00000024
полезны и для снижения габаритов, что важно при разработке гидроакустических устройств. Высокие Qm материалов определяют высокую эффективность электромеханических преобразователей на их основе (т.е. низкие потери на внутреннее трение, 1/Qm) (А.Я. Данцигер, О.Н. Разумовская, Л.А. Резниченко, С.И. Дудкина. Высокоэффективные пьезокерамические материалы. Оптимизация поиска. / Ростов-на-Дону: Пайк. 1995. 92 с.).Thus, at higher frequencies, sufficiently high capacitance values (relative permittivity) are needed to reduce the resistance of the converter, which improves its coordination with the load. High values ε 33 T / ε 0
Figure 00000024
useful for downsizing, which is important when developing sonar devices. High Q m materials determine the high efficiency of electromechanical converters based on them (i.e., low losses due to internal friction, 1 / Q m ) (A.Ya. Danziger, O.N. Dudkina. Highly effective piezoceramic materials. Search optimization. / Rostov-on-Don: Pike. 1995. 92 p.).

Из вышеуказанного 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 above 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 inventive piezoelectric ceramic material meets the patentability criterion of "inventive step".

Предлагаемый пьезоэлектрический керамический материал обеспечивает результат, не вызывает затруднений при изготовлении, предлагает использование основных (доступных и дешевых) материалов (реактивов) и стандартного оборудования, соответствующего промышленному методу обычной керамической технологии (без использования дорогостоящего, затратного метода горячего прессования (К. Окадзаки. Технология керамических диэлектриков. / Пер. с яп. М.: Энергия. 1976. 336 с.)), что свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «промышленная применимость».The proposed piezoelectric ceramic material provides the result, does not cause difficulties in manufacturing, offers the use of basic (affordable and cheap) materials (reagents) and standard equipment that corresponds to the industrial method of conventional ceramic technology (without using the expensive, expensive method of hot pressing (K. Okazaki. Technology ceramic dielectrics. / Transl. from Japanese. M .: Energy. 1976. 336 p.)), which indicates the conformity of the claimed technical solution to the criterion identity "industrial applicability".

Claims (1)

Пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий Na2O, Nb2O5, отличающийся тем, что дополнительно содержит K2O и CdO при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Na2O 8,75÷9,72 K2O 5,31÷5,38 CdO 9,15÷10,88 Nb2O5 75,05÷75,77
Piezoelectric ceramic material based on sodium niobate, including Na 2 O, Nb 2 O 5 , characterized in that it further contains K 2 O and CdO in the following ratio of components, wt.%:
Na 2 O 8.75 ÷ 9.72 K 2 O 5.31 ÷ 5.38 Cdo 9.15 ÷ 10.88 Nb 2 O 5 75.05 ÷ 75.77
RU2011145121/03A 2011-11-09 2011-11-09 Piezoelectric ceramic material RU2498960C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011145121/03A RU2498960C2 (en) 2011-11-09 2011-11-09 Piezoelectric ceramic material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011145121/03A RU2498960C2 (en) 2011-11-09 2011-11-09 Piezoelectric ceramic material

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2011145121A RU2011145121A (en) 2013-05-20
RU2498960C2 true RU2498960C2 (en) 2013-11-20

Family

ID=48788754

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011145121/03A RU2498960C2 (en) 2011-11-09 2011-11-09 Piezoelectric ceramic material

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2498960C2 (en)

Cited By (5)

* 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
RU2588242C1 (en) * 2015-04-13 2016-06-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Институт химии твердого тела Уральского Отделения Российской Академии наук" Method for production of dielectric material based on cadmium niobate
RU2681759C1 (en) * 2017-12-11 2019-03-12 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский политехнический университет" (Московский Политех) Method of preparation of mixture for piezoelectric ceramic materials
RU2751323C1 (en) * 2020-10-21 2021-07-13 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Южный федеральный университет" Low frequency sodium niobate piezoelectric ceramic material
RU2751324C1 (en) * 2020-10-21 2021-07-13 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Южный федеральный университет» High-frequency piezoelectric ceramic material based on sodium niobate

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU619470A1 (en) * 1976-11-18 1978-08-15 Ростовский Ордена Трудового Красного Знамени Государственный Университет Piezoelectric ceramic material
SU1294791A1 (en) * 1985-10-14 1987-03-07 Ростовский государственный университет им.М.А.Суслова Piezoelectric ceramic material
EP1630149A1 (en) * 2003-05-29 2006-03-01 Ngk Spark Plug Co., Ltd. Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric element including the same
KR100790407B1 (en) * 2006-10-12 2008-01-02 한국전기연구원 Composition of lead-free piezoelectric ceramics and method for manufacturing the same
RU2360890C2 (en) * 2006-06-05 2009-07-10 Общество с ограниченной ответственностью "Вектор 06" (ООО "Вектор 06") Pyroelectric ceramic material

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU619470A1 (en) * 1976-11-18 1978-08-15 Ростовский Ордена Трудового Красного Знамени Государственный Университет Piezoelectric ceramic material
SU1294791A1 (en) * 1985-10-14 1987-03-07 Ростовский государственный университет им.М.А.Суслова Piezoelectric ceramic material
EP1630149A1 (en) * 2003-05-29 2006-03-01 Ngk Spark Plug Co., Ltd. Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric element including the same
RU2360890C2 (en) * 2006-06-05 2009-07-10 Общество с ограниченной ответственностью "Вектор 06" (ООО "Вектор 06") Pyroelectric ceramic material
KR100790407B1 (en) * 2006-10-12 2008-01-02 한국전기연구원 Composition of lead-free piezoelectric ceramics and method for manufacturing the same

Cited By (5)

* 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
RU2588242C1 (en) * 2015-04-13 2016-06-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Институт химии твердого тела Уральского Отделения Российской Академии наук" Method for production of dielectric material based on cadmium niobate
RU2681759C1 (en) * 2017-12-11 2019-03-12 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский политехнический университет" (Московский Политех) Method of preparation of mixture for piezoelectric ceramic materials
RU2751323C1 (en) * 2020-10-21 2021-07-13 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Южный федеральный университет" Low frequency sodium niobate piezoelectric ceramic material
RU2751324C1 (en) * 2020-10-21 2021-07-13 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Южный федеральный университет» High-frequency piezoelectric ceramic material based on sodium niobate

Also Published As

Publication number Publication date
RU2011145121A (en) 2013-05-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2024029118A (en) Bulk ultrasound (BAW) resonator
RU2498960C2 (en) Piezoelectric ceramic material
CN1507152A (en) Piezoelectric resonance wave filter and duplexer
RU2498959C2 (en) Piezoelectric ceramic material
CN111490748A (en) Film bulk acoustic resonator
JPS6340491B2 (en)
CN1338821A (en) Surface wave device
Bowen et al. Piezoelectric properties of internally electroded PZT multilayers
RU2498961C2 (en) Piezoelectric ceramic material
GB2350478A (en) Piezoelectric device
JP3803207B2 (en) Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric transformer
Chen et al. The piezoelectric and dielectric properties of Ca-additive Sm-modified PbTiO3 ceramics intended for surface acoustic wave devices
EP0034342B1 (en) Piezoelectric oxide material
JPS61154211A (en) Ceramic resonator
RU2358953C2 (en) Piezoelectric ceramic material
RU2764404C1 (en) High-frequency piezoelectric ceramic material based on lead titanate-zirconate
RU2542012C1 (en) Piezoelectric ceramic material
JPS63187907A (en) Piezo-resonator
JPS6098711A (en) Thickness-shear vibrator
Chu et al. The influence of Cd doping on the surface acoustic wave properties of Sm-modified PbTiO3 ceramics
JPS6132837B2 (en)
RU2542008C1 (en) Piezoelectric ceramic material
JP6357180B2 (en) Porcelain composition, piezoelectric element, vibrator, and method for manufacturing piezoelectric element
RU2751324C1 (en) High-frequency piezoelectric ceramic material based on sodium niobate
Chu et al. Strontium doping effects on the characteristics of Sm-modified PbTiO3 ceramics

Legal Events

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

Effective date: 20171110