RU2542004C1 - Пьезоэлектрический керамический материал - Google Patents
Пьезоэлектрический керамический материал Download PDFInfo
- Publication number
- RU2542004C1 RU2542004C1 RU2013159074/03A RU2013159074A RU2542004C1 RU 2542004 C1 RU2542004 C1 RU 2542004C1 RU 2013159074/03 A RU2013159074/03 A RU 2013159074/03A RU 2013159074 A RU2013159074 A RU 2013159074A RU 2542004 C1 RU2542004 C1 RU 2542004C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- piezoelectric ceramic
- nio
- tio
- ceramic material
- piezoelectric
- Prior art date
Links
Landscapes
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам. Технический результат изобретения заключается в снижении относительной диэлектрической проницаемости и температуры спекания материала. Пьезоэлектрический керамический материал содержит следующие компоненты, мас.%: PbO 64,36-64,43; Nb2O5 22,72-23,04; TiO2 3,43-3,80; BaO 2,32-2,33; MgO 0,19-0,22; NiO 0,35-0,40; ZnO 6,17-6,18. 2 пр., 3 табл.
Description
Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе титаната свинца и может быть использовано в низкочастотных электромеханических преобразователях - актюаторах, нанопозиционерах, пневматических насосах, активных гасителях вибрации, передающих гидроакустических антеннах, а также в вибровозбудителях перемещения и приборах медицинской диагностики.
Для указанных применений материал должен иметь значения относительной диэлектрической проницаемости (
), пьезомодулей |d31|>200 пКл/Н или |d31|обр.>200 пм/В, при достаточно высоких коэффициентах электромеханической связи планарной моды колебаний Kp~0,5, низких механической добротности Qm <100 и скорости звука
.
Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната свинца, включающий PbTiO3, PbZrO3, PbSb3/4/Li1/4O3, PbW1/2B1/2O3 (В=Mg, Ni, Zn). Материал имеет
, Кр =0,59-0,71, |d31|=(300-320) пКл/Н,
. [1]. Для указанных применений материал имеет недостаточно высокие значения
.
Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната свинца, включающий PbTiO3, PbZrO3, PbSb3/4/Li1/4O3, PbW1/2Mg1/2O3, SrTiO3. Материал имеет
, Кр=0,53-0,72, |d31|=(156-356) пКл/Н,
, Qm=58-120 [2]. Для указанных применений материал имеет недостаточно высокие значения
.
Недостатком всех указанных аналогов является также спекание их дорогостоящим методом горячего прессования с приложением к заготовке высоких давлений (200-800)кг/см2. Высокая стоимость технологической оснастки метода, её низкая износостойкость и цикличность метода значительно удорожают технологический процесс и стоимость материалов. Кроме того, метод горячего прессования основан на использовании уникального непромышленного оборудования, внедрение которого в производство предполагает значительно более высокие уровни квалификации рабочих и общей технологической культуры на предприятии. Переход от этой технологии к обычной керамической в подобных материалах приводит к потере ~40% пьезосвойств [3].
Наиболее близким к заявляемому материалу по технической сущности и достигаемому результату является пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната свинца, содержащий оксиды свинца, ниобия, бария, магния, никеля, цинка при следующем соотношении компонентов: PbO=66.58-66.71 масс.%; Nb2O5=19.17-19.82 масс.%; TiO2=7.23-7.86 масс.%; BaO=2.41-2.42 масс.%; MgO=1.89-1.96 масс.%; NiO=1.14-1.18 масс.%; ZnO=0.83-0.86 масс.%. Состав материала отвечает формуле: a(Pb0.95Ва0.05)TiO3 + b(Pb0.95Ba0.05)Nb2/3Mg1/3O3 + с(Pb0.95Ва0.05)Nb2/3Ni1/3О3 + d(Pb0.95Ba0.05)Nb2/3Zn1/3O3, где a=28.75-31.25 (в мол.%), b=44.55-46.27 (в мол.%), с=14.56-14.98 (в мол.%), d=9.65-10.00 (в мол.%), а+b+с+d=100%. Материал имеет (для лучших составов)
, Кр=0.60-0.62, |d31|=(326-331) пКл/Н,
,
, Qm=29-33,
,
при температуре спекания Тсп=1453 К [4] (Прототип). Для указанных применений материал имеет слишком высокие значения относительной диэлектрической проницаемости
и температуры спекания, Тсп.
Задачей изобретения является снижение
и до значений
при сохранении достаточно высоких |d31| (>200) пКл/Н, (>200 пм/В),
(>2.80 пм/В), Кр (>0.42), низких Qm (<50),
(>0.78·10-11 Н/м2),
(<3.1 км/с), а также снижение Тсп материала до ~1350 К.
Указанные результаты достигаются тем, что пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната свинца, включающий PbO, Nb2O5, TiO2, MgO, NiO, отличается соотношением компонентов и содержит их в следующих количествах, в масс. %:
PbO 64.36-64.43 | MgO 0.19-0.22 | |
Nb2O5 22.72-23.04 | NiO 0.35-0.40 | |
TiO2 3.43-3.80 | ZnO 6.17-6.18 | |
BaO 2.32-2.33 |
Состав материала отвечает формуле:
a(Pb0.95Ва0.05)TiO3+b(Pb0.95Ba0.05)Nb2/3Mg1/3O3+с(Pb0.95Ва0.05)Nb2/3Ni1/3О3+d(Pb0.95Ba0.05)Nb2/3Zn1/3O3, где a=14,38-15,63 (в мол.%), b=4,69-5,31 (в мол.%), c=4,69-5,31 (в мол.%), а+b+с+d=100%.
Уменьшение содержания Ni2+ (в предложенном материале по сравнению с прототипом), обладающего минимальным радиусом и максимальной электроотрицательностью среди низкозарядных ионов, расположенных в В-позиции (табл.1), приводит к снижению степени ковалентности и прочности В-O связей, что способствует уменьшению активационного барьера, и, в соответствии с уравнением скорости реакции Яндера
, усилению диффузионных процессов, возрастанию их скорости, а, следовательно, снижению Тсп. [5]. Снижение содержания Ni2+ приводит также к частичному подавлению дополнительного вклада в дипольный момент системы стереохимически активной внешней d8 - электронной оболочки Ni2+ и, как следствие, к уменьшению
[6].
1. Пример изготовления пьезоэлектрического керамического материала.
Материал изготавливается по обычной керамической технологии следующим образом. В качестве исходных реагентов использовались оксиды следующих квалификаций: PbO, TiO2 - «ч»; BaCO3, NiO, MgO, ZnO - «ч.д.а.», Nb2O5 - «Нбо-Пт». Синтез осуществляется путем двухкратных обжигов смесей, масс. %: PbO=64.29, Nb2O5=23.34, TiO2=3.18, ВаО=2.32, MgO=0.24, NiO=0.45, ZnO=6.17 с промежуточным помолом синтезированного продукта. Температуры обжигов Tсинт.1=1173 К, Тсинт.2=1223 К, длительности изотермических выдержек τ1=τ2=4 ч. Спекание образцов в виде столбиков ⌀12 мм, высотой 15-18 мм осуществляется при Тсп.=1350 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.
2. Пример изготовления пьезоэлектрического керамического материала.
Материал изготавливается по обычной керамической технологии следующим образом. В качестве исходных реагентов использовались оксиды следующих квалификаций: PbO, TiO2 - «ч»; BaCO3, NiO, MgO, ZnO - «ч.д.а.», Nb2O5 - «Нбо-Пт». Синтез осуществляется путем двухкратных обжигов смесей, масс. %: PbO=64.36, Nb2O5=23.03, TiO2=3.49, BaO=2.33, MgO=0.22, NiO=0.40, ZnO=6.17 с промежуточным помолом синтезированного продукта. Температуры обжигов Тсинт.1=1173 К, Тсинт.2=1243 К, длительности изотермических выдержек τ1=τ2=4 ч. Спекание образцов в виде столбиков ⌀12 мм, высотой 15-18 мм осуществляется при Тсп.=1343 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 (ПС-5) жидкости при температуре 410 К в течение 40 мин в постоянном электрическом поле напряженностью 3 кВ/см.
Электрофизические характеристики определяли в соответствии с ОСТ 11.0444-87: измерялись относительные диэлектрические проницаемости поляризованных (
) и неполяризованных (ε/ε0) образцов, прямые пьезомодули - (|d31|) и (d33), коэффициент электромеханической связи планарной моды колебаний (Кр), механическая добротность (Qm), модуль Юнга (
), скорость звука (
), температура сегнетоэлектрического фазового перехода (температура Кюри) (Тк), тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ), пьезоэлектрический коэффициент (пьезочувствительность) (g31). Обратный статический пьезомодуль (|d31|обр.) измерен на установке, включающей прецизионную микрометрическую стойку для закрепления пьезоэлемента и измерительного датчика, стабилизированный источник электрического напряжения с плавной и дискретной регулировкой и цифровой индикацией выходного напряжения (диапазон напряжений 0-1500 В), измерительный индуктивный преобразователь перемещения с цифровой индикацией показаний и возможностью их вывода на самописец и компьютер.
В табл.2 приведены основные характеристики материала в зависимости от состава, а в табл.3 приведены основные электрофизические характеристики для оптимальных составов предлагаемого материала.
Полученные экспериментальные данные (табл.2, 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 компонентов.
Данные, приведенные в табл.2-3, подтверждают преимущества предлагаемого пьезоэлектрического керамического материала по сравнению с материалом-прототипом, а именно, снижение
до значений ~5000 при сохранении высоких Кр, |d31|,
,
, низких Qm,
и
, а также снижение Тсп.
Эффект снижения
и Тсп достигается по существу уменьшением в материале, включающем PbO, Nb2O5, TiO2, MgO, NiO, содержания NiO.
Предлагаемый пьезоэлектрический керамический материал получают по обычной керамической технологии без использования дорогостоящего метода горячего прессования (как в аналогах), что значительно упрощает и удешевляет технологический процесс. Этому же способствует и снижение Тсп, обеспечивающее уменьшение энергозатрат и, как следствие, снижение себестоимости продукции. Кроме того, снижение Тсп устраняет необходимость внедрения в технологический цикл сложной аппаратуры, позволяющей контролировать содержание паров свинца в рабочей камере и помещениях цехов. Потери свинца в результате возгонки приводят к нарушению стехиометрии и деградации целевых свойств материала, а также превышению его концентрации в атмосфере технологических помещений, чем наносится серьёзный урон здоровью технического персонала.
Высокая
материала определяет основное его назначение - использование в низкочастотных (<100 кГц) электромеханических преобразователях. Это следует, прежде всего, из соотношения между емкостным сопротивлением R, частотой ω и емкостью С преобразователя: R=file:///lcoCω. Действительно, при пониженных частотах необходимо повышение емкости (за счет
) для снижения сопротивления преобразователя, 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. Одной из причин сравнительно больших размеров гидроакустических излучателей (и приемников) являются низкие рабочие частоты, способствующие уменьшению затухания звука в водной среде. Резонансный размер пьезопреобразователя t связан с длиной волны λ и, следовательно, со скоростью звука ν и частотой f соотношением: t=λ/2=ν/2/. Таким образом, для уменьшения размера гидроакустических преобразователей (к чему приводит снижение f) желательно снижение скорости звука в пьезокерамике, что реализуется в нашем случае (табл.2-3).
Достаточно высокие значения коэффициента электромеханической связи Кр определяют высокую эффективность электроакустических преобразователей в режиме излучения. Кроме работы на низких частотах, предлагаемый материал может быть использован в приборах медицинской диагностики, работающих на нагрузку с низкоомным входным сопротивлением, которое обеспечивает согласование с ней преобразователя. В таких устройствах низкая механическая добротность Qm разработанного материала способствует подавлению ложных колебаний.
Рассматриваемые материалы могут применяться также в преобразователях, использующих обратный пьезоэффект - в вибровозбудителях перемещения. Это - линейные и шаговые двигатели малой мощности, преобразователи для юстирования зеркал в системах оптической связи, астрономии.
Источники информации
[1] А.с. СССР № 485996 C04B 35/00, H01L 7/02, дата публикации 09.06.1975.
[2] А.с. СССР №812784, МПК C04B 35/00, дата публикации 14.11.1980.
[3] К.П. Андрюшин, Л.А. Резниченко и др. Фазовый состав и пьезоэлектрические характеристики твердых растворов системы
// Сб-к материалов 12-го Международного междисциплинарного симпозиума "Порядок, беспорядок и свойства оксидов" ("ODPO-2009"). Ростов-на-Дону. - 2009. - Т.1. - С.33-37.
[4] Патент RU 2440955. МПК H01L 41/18, H01L 41/187, H02N 2/00, дата публикации 27.01.2012 (Прототип).
[5] К. Окадзаки Технология керамических диэлектриков. // М.: Энергия. 1976. - 336 с.
Таблица 1 | ||||||
Основные характеристики ионов. | ||||||
Катион | r, Ǻ | ЭО, ккал/г·ат | ΔЭС*) для A-O и B-О связей | Ковалентность связей А-О, В-О, в % | Конфигурация валентных электронов в атоме | |
в положении А | в положении В | |||||
Pb2+ | 1.26 | 170 | 360 | 27.5 | (6s2)6р2 | |
Ва2+ | 1.38 | 115 | 415 | 15.0 | 6s2 | |
Ti4+ | 0.64 | 260 | 270 | 51.4 | 3d24s2 | |
Nb5+ | 0.66 | 240 | 290 | 46.0 | 4d35s2 | |
Zn2+ | 0.83 | 208 | 320 | 38 | (3d10)4s2 | |
Mg2+ | 0.74 | 175 | 355 | 28.8 | 3s2 | |
Ni2+ | 0.74 | 220 | 310 | 40.7 | (3d8)4s2 | |
О2- | 1.36 | 530 | (2s22p2)2p2 | |||
*) ΔЭО - разность ЭО катионов и кислорода |
Таблица 2 | ||||||||||||||||
N п/п | Состав, масс. % | Электрофизические параметры | ||||||||||||||
PbO | Nb2O5 | TiO2 | BaO | MgO | NiO | ZnO |
|
Kp | |d31|, пКл/Н | |
|
Qm | |
|
tgδ, % (E=50 В/см) | |
1 | 64,29 | 2,32 | 23,35 | 3,18 | 0,45 | 0,24 | 6,17 | 5655 | 0,38 | 184 | 176 | 2.34 | 44 | 0,812 | 3,222 | 5,27 |
2 | 64,33 | 2,32 | 23,19 | 3,34 | 0,42 | 0,23 | 6,17 | 5532 | 0,42 | 201 | 195 | 2.62 | 38 | 0,746 | 3,071 | 5,06 |
3 | 64,36 | 2,32 | 23,04 | 3,49 | 0,40 | 0,22 | 6,17 | 5070 | 0,42 | 215 | 210 | 2.95 | 39 | 0,727 | 3,037 | 4,11 |
4 | 64,40 | 2,33 | 22,87 | 3,64 | 0,38 | 0,20 | 6,18 | 5029 | 0,48 | 224 | 220 | 3.10 | 42 | 0,707 | 3,002 | 4,00 |
5 | 64,43 | 2,33 | 22,72 | 3,80 | 0,35 | 0,19 | 6,18 | 4979 | 0,45 | 207 | 202 | 2.86 | 50 | 0,733 | 3,065 | 3,82 |
6 | 64,46 | 2,33 | 22,57 | 3,95 | 0,33 | 0,18 | 6,18 | 4885 | 0,35 | 160 | 155 | 2.22 | 58 | 0,705 | 2,991 | 3,60 |
7 | 64,50 | 2,33 | 22,40 | 4,10 | 0,31 | 0,17 | 6,19 | 4821 | 0,28 | 144 | 141 | 2.03 | 69 | 0,711 | 2,968 | 3,44 |
Claims (1)
- Пьезоэлектрический керамический материал, включающий PbO, Nb2O5, TiO2, MgO, NiO, отличающийся тем, что содержит меньшее количество NiO, масс.%:
PbO 64.36-64.43 MgO 0.19-0.22 Nb2O5 22.72-23.04 NiO 0.35-0.40 TiO2 3.43-3.80 ZnO 6.17-6.18 BaO 2.32-2.33
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013159074/03A RU2542004C1 (ru) | 2013-12-30 | 2013-12-30 | Пьезоэлектрический керамический материал |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013159074/03A RU2542004C1 (ru) | 2013-12-30 | 2013-12-30 | Пьезоэлектрический керамический материал |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2542004C1 true RU2542004C1 (ru) | 2015-02-20 |
Family
ID=53288869
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013159074/03A RU2542004C1 (ru) | 2013-12-30 | 2013-12-30 | Пьезоэлектрический керамический материал |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2542004C1 (ru) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0869514A1 (en) * | 1996-08-02 | 1998-10-07 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd | A method for manufacturing a dielectric ceramic composition, dielectric ceramic and multilayer high frequency device |
JP2006265031A (ja) * | 2005-03-23 | 2006-10-05 | Tdk Corp | 圧電磁器組成物 |
RU2440955C2 (ru) * | 2010-03-10 | 2012-01-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Норма" (ООО "Норма") | Пьезоэлектрический керамический материал |
RU2440954C2 (ru) * | 2010-03-10 | 2012-01-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Пьезооксид" (ООО "Пьезооксид") | Пьезоэлектрический керамический материал |
-
2013
- 2013-12-30 RU RU2013159074/03A patent/RU2542004C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0869514A1 (en) * | 1996-08-02 | 1998-10-07 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd | A method for manufacturing a dielectric ceramic composition, dielectric ceramic and multilayer high frequency device |
JP2006265031A (ja) * | 2005-03-23 | 2006-10-05 | Tdk Corp | 圧電磁器組成物 |
RU2440955C2 (ru) * | 2010-03-10 | 2012-01-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Норма" (ООО "Норма") | Пьезоэлектрический керамический материал |
RU2440954C2 (ru) * | 2010-03-10 | 2012-01-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Пьезооксид" (ООО "Пьезооксид") | Пьезоэлектрический керамический материал |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2009256186A (ja) | 圧電材料 | |
CN103172374B (zh) | 压电陶瓷和压电元件 | |
Bah et al. | Ultrasonic transducers based on undoped lead-free (K0. 5Na0. 5) NbO3 ceramics | |
JP4044943B2 (ja) | 圧電セラミック材 | |
RU2440954C2 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
JP2009298621A (ja) | 圧電材料、圧電素子 | |
JPH09165262A (ja) | 圧電体磁器組成物 | |
RU2440955C2 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
RU2498958C1 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
RU2542004C1 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
RU2498959C2 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
RU2498960C2 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
RU2358953C2 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
Chen et al. | Promotion of piezoelectric properties of lead zirconate titanate ceramics with (Zr, Ti) partially replaced by Nb2O5 | |
KR20100033002A (ko) | 초음파 진동자용 무연 압전세라믹스 조성물 | |
RU2498961C2 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
RU2542012C1 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
RU2453518C2 (ru) | Пьезокерамический материал | |
RU2542008C1 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
KR20110068365A (ko) | 무연 압전 세라믹 조성물 | |
RU2580116C1 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
RU2542009C1 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
RU2259973C2 (ru) | Шихта для получения пьезокерамического материала | |
RU2561439C2 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
JPS6132837B2 (ru) |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181231 |