RU2542008C1 - Пьезоэлектрический керамический материал - Google Patents
Пьезоэлектрический керамический материал Download PDFInfo
- Publication number
- RU2542008C1 RU2542008C1 RU2013159321/03A RU2013159321A RU2542008C1 RU 2542008 C1 RU2542008 C1 RU 2542008C1 RU 2013159321/03 A RU2013159321/03 A RU 2013159321/03A RU 2013159321 A RU2013159321 A RU 2013159321A RU 2542008 C1 RU2542008 C1 RU 2542008C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- piezoelectric
- piezoelectric ceramic
- ceramic material
- nio
- samples
- Prior art date
Links
Landscapes
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам. Технический результат изобретения заключается в снижении механической добротности, относительной диэлектрической проницаемости поляризованных образцов, в повышении пьезомодуля, пьезочувствительности, удельной чувствительности, коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний. Пьезоэлектрический керамический материал содержит следующие элементы, мас.%: Na2O 8,77-8,84; K2O 11,36-11,44; Li2O 0,32-0,33; Ta2O5 11,58-11,67; Sb2O5 3,53-3,56; Nb2O5 62,71-63,17; NiO 0,99-1,73. 3 табл., 3 пр.
Description
Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе соединений натрия, калия, лития и может быть использовано в высокочастотных преобразователях, системах ультразвуковой сварки, устройствах неразрушающего контроля, дефектоскопии.
Для указанных применений материал должен обладать достаточно низким значением относительной диэлектрической проницаемости поляризованных образцов,
, (700-800), достаточно высокими пьезомодулем d33 (≥140 пКл/Н), пьезочувствительностью, g33, (~20 мВ·м/Н), удельной чувствительностью,
, (~5-6 пКл/Н), коэффициентом электромеханической связи планарной моды колебаний, Kp (~0.38), низкой механической добротностью, Qм, (<90).
Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе соединений натрия, калия, лития, включающий Li2CO3, K2CO3, NaHCO3, Nb2O5 и Ta2O5. Состав материала отвечает химической формуле ((K0.5Na0.5)0.9Li0.1)(Nb0.8Ta0.2)O3. Материал имеет для лучших составов
, g33≈11.9 мВм/Н, Qm=273.4, Kp=0.307 [1]. Для указанных применений материал имеет недостаточно низкую Qm и недостаточно высокие значения
, Kp, g33.
Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе соединений натрия, калия, лития, включающий Na2O, K2O, Li2O, Nb2O5, Ta2O5, CuO и MnO2. Материал имеет
, g33≈22.2 мВм/Н [2]. Для указанных применений материал имеет слишком высокие значения
.
Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе соединений натрия, калия, лития, включающий Na(Nb, Ta, Sb)O3, K(Nb, Ta, Sb)O3, Li(Nb, Ta, Sb)O3 с добавками оксидов марганца (MnO2) и редкоземельного элемента - церия (CeO2). Состав материала отвечает химической формуле (Na0.475K0.475Li0.05)(Nb0.92Ta0.05, Sb0.03)O3+0.4%CeO2+0.4%MnO2, то есть включает оксиды Na2O, K2O, Li2O, Nb2O5, Ta2O5, Sb2O5, CeO2 и MnO2. Материал имеет (для лучших составов)
, d33=200 пКл/Н, g33=19 пКл/Н,
пКл/Н, Kp=0.43, Qм=80 [3]. Для указанных применений материал имеет слишком высокое значение
. Кроме того, использование в составе редкоземельного элемента - церия (Ce) приводит к удорожанию материала и изделий из него, что препятствует их массовому применению.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является пьезоэлектрический керамический материал на основе соединений натрия, калия, лития, включающий Na2O, K2O, Li2O, BaO, Bi2O3, TiO2. Состав материала отвечает химической формуле 0.885(Na0.5Bi0.5)TiO3-0.05(K0.5Bi0.5)TiO3-0.015(Li0.5Bi0.5)TiO3-0.05 BaTiO3. Материал имеет
, d33=163 пКл/Н, g33=24 мВ·м/Н,
пКл/Н, Kp=0328, Qм=142.1 [4] (Прототип). Для указанных применений материал имеет недостаточно низкое значение Qм.
Задачей изобретения является снижение Qм (до значений 70-90) при сохранении достаточно низких значений
(700-800), высоких Kp (0.36-0.38), g33 (~20 мВм/Н),
, (~5-6 пКл/Н).
Указанные результаты достигаются тем, что пьезоэлектрический керамический материал на основе соединений натрия, калия, лития дополнительно содержит Ta2O5, Sb2O5, NiO, Nb2O5 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Na2O | 8.77-8.84 |
K2O | 11.36-11.44 |
Li2O | 0.32-0.33 |
Ta2O5 | 11.58-11.67 |
Sb2O5 | 3.53-3.56 |
NiO | 0.99-1.73 |
Nb2O5 | 62.71-63.17 |
Состав материала отвечает формуле:
LiaKbNacNbdTamSbnO3+zNiO, где a=0.04, b=0.4416, c=0.5184, d=0.864, m=0.096, n=0.04, a+b+c=1, d+m+n=1, 0.01≤z≤0.00175.
Комбинированное модифицирование материала на основе соединений натрия, калия и лития разновалентными катионами приводит к усложнению структуры материала, в частности, за счет усиления кристаллохимического беспорядка в A- и B-позициях исходного соединения, и появлению катионных вакансий. Последнее, способствуя облегчению доменных переориентаций, увеличивает подвижность доменной структуры, усиливает внутреннее трение при большой мобильности доменных стенок и, как следствие, уменьшает Qm, так как последняя обратно пропорциональна внутреннему трению [5]. Кроме того, образование при неизовалентных замещениях ионов новых структурных элементов - точечных дефектов (вакансий), участвующих в массопереносе и усиливающих диффузионные процессы при синтезе и спекании объектов, а также высокая стереохимическая активность и эмиссионная способность Ni(II) (обусловленные его малоразмерностью и особенностями электронной структуры), усиленные в многокомпонентных системах микродефектностью составов [6], способствуют улучшенной спекаемости керамик.
1. Пример изготовления пьезоэлектрического керамического материала.
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-PT», Li2CO3 - «хч», Ta2O5 - «TaO-1», Sb2O5 - «хч», NiO - «ч». Синтез осуществлялся путем однократного обжига смесей сырьевых компонентов: NaHCO3, KHCO3, Nb2O5, Li2CO3, Ta2O5, Sb2O5, NiO, взятых в количествах (мас.%, в случае NaHCO3, KHCO3, Li2CO3 в пересчете на соответствующие оксиды): Na2O=8.84; K2O=11.44; Nb2O5=63.17; Li2O=0.33; Ta2O5=11.67; Sb2O5=3.56, NiO=0.99 с промежуточным помолом синтезированного продукта. Температура обжига при синтезе, Тсинт=1223 К, длительность изотермической выдержки, τсинт=5 ч. Спекание образцов в виде столбиков ⌀12 мм, высотой 15-18 мм осуществлялось при Тсп=1413 К, 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 К в течение 0.5 ч. Образцы поляризовали в полиэтиленсилоксановой жидкости при температуре 410 К в течение 40 мин в постоянном электрическом поле напряженностью 4 кВ/см.
2. Пример изготовления пьезоэлектрического керамического материала.
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-PT», Li2CO3 - «хч», Ta2O5 - «TaO-1», Sb2O5 - «хч», NiO - «ч». Синтез осуществлялся путем однократного обжига смесей сырьевых компонентов: NaHCO3, KHCO3, Nb2O5, Li2CO3, Ta2O5, Sb2O5, NiO, взятых в количествах (мас.%, в случае NaHCO3, KHCO3, Li2CO3 в пересчете на соответствующие оксиды): Na2O=8.82; K2O=11.41; Nb2O5=63.02; Li2O=0.32; Ta2O5=11.64; Sb2O5=3.55, NiO=1.24 с промежуточным помолом синтезированного продукта. Температура обжига при синтезе, Тсинт=1223 К, длительность изотермической выдержки, τсинт=5 ч. Спекание образцов в виде столбиков ⌀12 мм, высотой 15-18 мм осуществлялось при Тсп=1413 К, 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 К в течение 0.5 ч. Образцы поляризовали в полиэтиленсилоксановой жидкости при температуре 410 К в течение 40 мин. в постоянном электрическом поле напряженностью 4 кВ/см.
3. Пример изготовления пьезоэлектрического керамического материала
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-PT», Li2CO3 - «хч», Ta2O5 - «TaO-1», Sb2O5 - «хч», NiO - «ч». Синтез осуществлялся путем однократного обжига смесей сырьевых компонентов: NaHCO3, KHCO3, Nb2O5, Li2CO3, Ta2O5, Sb2O5, NiO, взятых в количествах (мас.%, в случае NaHCO3, KHCO3, Li2CO3 в пересчете на соответствующие оксиды): Na2O=8.77; K2O=11.36; Nb2O5=62.71; Li2O=0.32; Ta2O5=11.58; Sb2O5=3.53, NiO=1.73 с промежуточным помолом синтезированного продукта. Температура обжига при синтезе, Тсинт=1203 К, длительность изотермической выдержки, τсинт=5 ч. Спекание образцов в виде столбиков ⌀12 мм, высотой 15-18 мм осуществлялось при Тсп.=1413 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 К в течение 0,5 ч. Образцы поляризовали в полиэтиленсилоксановой жидкости при температуре 410 К в течение 40 мин в постоянном электрическом поле напряженностью 4 кВ/см.
Электрофизические характеристики определяли в соответствии с ОСТ 11.0444-87. Измерялись относительная диэлектрическая проницаемость поляризованных образцов,
(ε0 - диэлектрическая постоянная), пьезомодули, |d31| и d33, коэффициент электромеханической связи планарной моды колебаний, Kp, механическая добротность, Qm, скорость звука,
. 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
; удельную чувствительность - по формуле
; акустический импеданс, Za, по формуле
.
В табл.1 приведены основные характеристики материала в зависимости от состава, а в табл.2 приведены основные электрофизические характеристики оптимальных составов предлагаемого материала.
Полученные экспериментальные данные (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 концентраций компонентов, выход за пределы которого приводит к ухудшению параметров.
Данные, приведенные в табл.1-2, подтверждают преимущества предлагаемого пьезоэлектрического керамического материала по сравнению с материалом - прототипом, а именно снижение Qm (почти вдвое) до значений ~70-90 при сохранении достаточно низких значений относительной диэлектрической проницаемости
, достаточно высоких значений пьезомодуля d33~(130-150) пКл/Н, пьезочувствительности g33~20 мВ·м/Н, удельной чувствительностью
пКл/Н, коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний Kp~0.36-0.38.
Эффект снижения Qm достигается, по существу, дополнительным введением в материал, включающий Na2O, K2O, Li2O, оксидов Ta2O5, Sb2O5, Nb2O5, NiO.
Достаточно низкое значение относительной диэлектрической проницаемости
предлагаемого пьезоэлектрического керамического материала определяет основное его назначение - использование в высокочастотных преобразователях. Это следует, прежде всего, из того, что 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. Классификация электромагнитных волн по частотным диапазонам представлена в [7]. При условии согласования преобразователя с нагрузкой (Ri=Rн) (обычно реализуемое в выпускаемой промышленностью радиоэлектронной аппаратуре выходное сопротивление Rн~50 Ом для высоких 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=1/27πfRi; для указанных диапазонов частот, а следовательно, и относительной диэлектрической проницаемости поляризованных элементов,
, где k - коэффициент, зависящий от размеров элементов, ε0=8.85·10-12 Ф - диэлектрическая проницаемость вакуума; при k=1,
.
В таблице 3 приведены значения относительной диэлектрической проницаемости,
, реализуемые в объемных керамических образцах в ВЧ-диапазоне. Там же (*) приведен комментарий к таблице. Таким образом, при частотах 3.98-4.55 МГц необходимы значения
для снижения сопротивления преобразователя, что улучшает его согласование с нагрузкой.
Достаточно высокие значения Kp (~0.38), d33 (≥140 пКл/Н), g33 (~20 мВ·м/Н),
(~5-6 пКл/Н), достаточно низкие значения
(700-800) и низкая Qм, (<90) позволяют использовать представленный материал в ультразвуковых преобразователях систем ультразвуковой сварки, устройств неразрушающего контроля и дефектоскопии.
Высокая анизотропия пьезосвойств (d33/|d31|~3) в сочетании с низкой Qm способствует повышению отношение сигнал/шум и подавлению паразитных резонансов (ложных колебаний), искажающих форму рабочего сигнала и ухудшающих характеристики изготовленных из этого пьезокерамического материала устройств.
Кроме того, снижению Тсп с 1443 К (прототип) до 1413 К (предлагаемый материал) позволяет сохранить стехиометрический состав керамики за счет снижения возможности улетучивания легких малоразмерных катионов Na, Li, а процесс изготовления материала при этом становится менее затратным.
Источники информации
1. EP 1032057 A1, JP 2000042095, C04B 35/00, H01L 41/187, дата публикации 30.08.2000.
2. EP 2113952 A2, JP 2008090331, H01L 41/08, C04B 35/495, H01L 41/187, дата публикации 04.11.2009.
3. Т. Lee, K.W. Kwok, H.L. Li, H.L.W. Chan. Lead-free alkaline niobate-based transducer for ultrasonic wirebonding applications. // Sensor and Actuators A. 2009. №150. P.268.
4. H.L.W. Chan, S.H. Choy, C.P. Chong, H.L. Li, P.C.K. Liu. Bismuth sodium titanate based lead-free ultrasonic transducer for microelectronics wirebonding applications. // Ceramics International 2008. №34. P. 774-775 (Прототип).
5. А.Я. Данцигер, O.H. Разумовская, Л.А. Резниченко и др. Многокомпонентные системы сегнетоэлектрических сложных оксидов: физика, кристаллохимия, технология. Аспекты дизайна пьезоэлектрических материалов. Ростов-на-Дону. Изд-во Рост. Ун-та. 2001. Т.1. - 408 с.
6. Л.А. Резниченко, О.Н. Разумовская, С.И. Дудкина. Аномальное поведение диэлектрической проницаемости в сегнетопьезоэлектрических материалах на основе ЦТС с участием Ni (II) и Cd (II) - содержащих компонентов. // Сб-к трудов Международной научно-практической конференции "Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения" ("Пьезотехника-99"). Ростов-на-Дону, Азов. - 1999. - Т.1. -С 109-123.
7. Носов Ю.Н., Кукаев А.А. Энциклопедия отечественных антенн. Справочное издание. М., 2001, с.49.
Таблица 2 | ||||||||||
N п/п | Материал |
|
Kp | |d31|, пКл/Н | d33′, пКл/Н | |
QM | |
g33 мВ·м/Н | Za, mrayl |
1 | Прототип | 766 | 0,328 | - | 163 | 5.88 | 142.1 | 24.01 | 26.41 | |
2 | Предлагаемый материал (пример №5 из табл.1) | 759 | 0.37 | 49 | 138 | 5.00 | 73 | 4.498 | 20.52 | 20.33 |
Таблица 3 | ||||||||
Высокие и очень высокие частоты: при Rн=Ri=50 Ом | ||||||||
f, МГц | 15.92-10.61 | 10.61-7.95 | 7.95-6.37 | 6.37-5.31 | 5.31-4.55 | 4.55-3.98 | 3.98-3.53 | 3.53-3.18 |
|
200-300 | 300-400 | 400-500 | 500-600 | 600-700 | 700-800 | 800-900 | 900-1000 |
* - частотный диапазон (4.55-3.98) МГц может быть реализован использованием пьезокерамических материалов на основе НЩМ со значениями |
Claims (1)
- Пьезоэлектрический керамический материал на основе соединений натрия, калия, лития, включающий Na2O, K2O, Li2O, отличающийся тем, что дополнительно содержит Ta2O5, Sb2O5, Nb2O5, NiO при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Na2O 8.77-8.84 K2O 11.36-11.44 Li2O 0.32-0.33 Ta2O5 11.58-11.67 Sb2O5 3.53-3.56 NiO 0.99-1.73 Nb2O5 62.71-63.17
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013159321/03A RU2542008C1 (ru) | 2013-12-30 | 2013-12-30 | Пьезоэлектрический керамический материал |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013159321/03A RU2542008C1 (ru) | 2013-12-30 | 2013-12-30 | Пьезоэлектрический керамический материал |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2542008C1 true RU2542008C1 (ru) | 2015-02-20 |
Family
ID=53288873
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013159321/03A RU2542008C1 (ru) | 2013-12-30 | 2013-12-30 | Пьезоэлектрический керамический материал |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2542008C1 (ru) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2097361C1 (ru) * | 1993-03-31 | 1997-11-27 | Михаил Георгиевич Зуев | Керамический материал и способ его получения |
US20070120446A1 (en) * | 2003-05-29 | 2007-05-31 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric element comprising the composition |
KR100790407B1 (ko) * | 2006-10-12 | 2008-01-02 | 한국전기연구원 | 무연 압전 세라믹스 조성물 및 그의 제조방법 |
US20130162109A1 (en) * | 2011-07-04 | 2013-06-27 | Taiyo Yuden Co., Ltd. | Piezoelectric ceramics and multi-layered piezoelectric ceramic components |
-
2013
- 2013-12-30 RU RU2013159321/03A patent/RU2542008C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2097361C1 (ru) * | 1993-03-31 | 1997-11-27 | Михаил Георгиевич Зуев | Керамический материал и способ его получения |
US20070120446A1 (en) * | 2003-05-29 | 2007-05-31 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric element comprising the composition |
KR100790407B1 (ko) * | 2006-10-12 | 2008-01-02 | 한국전기연구원 | 무연 압전 세라믹스 조성물 및 그의 제조방법 |
US20130162109A1 (en) * | 2011-07-04 | 2013-06-27 | Taiyo Yuden Co., Ltd. | Piezoelectric ceramics and multi-layered piezoelectric ceramic components |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
H.L.W. Chan, S.H. Choy, C.P. Chong, H.L. Li, P.C.K. Liu. Bismuth sodium titanate based lead-free ultrasonic transducer for microelectronics wirebonding applications. // Ceramics International 2008, N34. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN103172374B (zh) | 压电陶瓷和压电元件 | |
KR20110038600A (ko) | 압전 세라믹 조성물 및 이것을 이용한 압전 소자 | |
Bah et al. | Ultrasonic transducers based on undoped lead-free (K0. 5Na0. 5) NbO3 ceramics | |
Ringgaard et al. | Properties of lead-free piezoceramics based on alkali niobates | |
KR101043041B1 (ko) | 초음파 진동자용 무연 압전세라믹스 조성물 | |
JP2010030832A (ja) | 圧電磁器およびそれを用いた圧電素子 | |
RU2498960C2 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
JP4427723B2 (ja) | 圧電組成物 | |
RU2542008C1 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
US6764609B2 (en) | Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric element using the same | |
JP2008179532A (ja) | 圧電磁器および圧電素子 | |
RU2440955C2 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
RU2498961C2 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
RU2542012C1 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
EP2119686B1 (en) | Piezoelectric ceramic material and piezoelectric element | |
KR101306472B1 (ko) | 무연 압전 세라믹 조성물 | |
RU2358953C2 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
Nagata et al. | Large‐Amplitude piezoelectric properties of KNbO− 3‐based lead‐free ferroelectric ceramics | |
JP5319208B2 (ja) | 圧電磁器およびそれを用いた圧電素子 | |
RU2764404C1 (ru) | Высокочастотный пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната-цирконата свинца | |
RU2542009C1 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
RU2571465C1 (ru) | Бессвинцовый пьезоэлектрический керамический материал | |
RU2542004C1 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
RU2551156C1 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
JP3588542B2 (ja) | 圧電磁器組成物 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181231 |