RU2542009C1 - Piezoelectric ceramic material - Google Patents

Piezoelectric ceramic material Download PDF

Info

Publication number
RU2542009C1
RU2542009C1 RU2014100311/03A RU2014100311A RU2542009C1 RU 2542009 C1 RU2542009 C1 RU 2542009C1 RU 2014100311/03 A RU2014100311/03 A RU 2014100311/03A RU 2014100311 A RU2014100311 A RU 2014100311A RU 2542009 C1 RU2542009 C1 RU 2542009C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
piezoelectric ceramic
ceramic material
samples
synt
piezoelectric
Prior art date
Application number
RU2014100311/03A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Лариса Андреевна Резниченко
Илья Александрович Вербенко
Абу Геланиевич Абубакаров
Светлана Ивановна Дудкина
Анатолий Владимирович Павленко
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "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" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"
Priority to RU2014100311/03A priority Critical patent/RU2542009C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2542009C1 publication Critical patent/RU2542009C1/en

Links

Landscapes

  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: piezoelectric ceramic material contains the following components, wt %: Na2O 8.61-8.70; K2O 11.15-11.26; Li2O 0.49-0.50; Ta2O5 11.37-11.49; Nb2O3 61.59-62.19; Bi2O3 0.37-1.10; Fe2O3 0.13-0.38; Sb2O5 5.31-5.37.
EFFECT: high electromechanical coupling factor of the planar oscillation mode and low relative permittivity.
3 ex, 3 tbl

Description

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе ниобатов натрия, калия, лития и может быть использовано в высокочастотных ультразвуковых пьезокерамических преобразователях, предназначенных для работы в воздушной среде в качестве излучателей и приемников в системах дистанционного управления, индикаторах близости препятствий, в устройствах для измерения скорости газового потока.The invention relates to piezoelectric ceramic materials based on sodium, potassium, lithium niobates and can be used in high-frequency ultrasonic piezoelectric transducers designed to operate in air as emitters and receivers in remote control systems, proximity indicators of obstacles, in devices for measuring gas velocity flow.

Для указанных применений материал должен обладать низким значением относительной диэлектрической проницаемости поляризованных образцов, ε 33 T / ε 0

Figure 00000001
, ~ 600, достаточно высокими пьезомодулем d33 (≥150 пКл/Н), пьезочувствительностью, g33, (~30 мВ·м/Н), коэффициентом электромеханической связи планарной моды колебаний, Кр (≥0.50), низкой механической добротностью, QM, (<150).For these applications, the material should have a low relative permittivity of polarized samples, ε 33 T / ε 0
Figure 00000001
, ~ 600, a sufficiently high piezoelectric module d 33 (≥150 pC / N), piezoelectric sensitivity, g 33 , (~ 30 mV · m / N), the electromechanical coupling coefficient of the planar oscillation mode, K p (≥0.50), low mechanical quality factor, Q M , (<150).

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобатов натрия, калия, лития, включающий Na2O, К2O, Li2O, Nb2O5, Ta2O5, Sb2O5, CeO2 и MnO2. Состав материала отвечает химической формуле (Na0.475K0.475Li0.05)(Nb0.92Ta0.05, Sb0.03)O3+0.4%СеО2+0.4%MnО2. Материал имеет (для лучших составов) ε 33 T / ε 0 = 1150

Figure 00000002
, d33=200 пКл/Н, g33=19 пКл/Н, Кр=0.43 [1]. Для указанных применений материал имеет слишком высокое значение ε 33 T / ε 0
Figure 00000003
и низкую g33.Known piezoelectric ceramic material based on niobates of sodium, potassium, lithium, including Na 2 O, K 2 O, Li 2 O, Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , Sb 2 O 5 , CeO 2 and MnO 2 . The composition of the material corresponds to the chemical formula (Na 0.475 K 0.475 Li 0.05 ) (Nb 0.92 Ta 0.05 , Sb 0.03 ) O 3 + 0.4% CeO 2 + 0.4% MnO 2 . Material has (for better formulations) ε 33 T / ε 0 = 1150
Figure 00000002
, d 33 = 200 pCl / N, g 33 = 19 pCl / N, K p = 0.43 [1]. For these applications, the material is too high. ε 33 T / ε 0
Figure 00000003
and low g 33 .

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобатов натрия, калия, лития, включающий Na2O, К2O, Nb2O5, Ta2O5, Li2O,. Состав материала отвечает химической формуле ((Na0.5K0.5)0.9Li0.1)Nb0.8Ta0.2O3. Материал имеет для лучших составов ε 33 T / ε 0 624

Figure 00000004
, d33=104 пКл/Н, Kp,=0.307, g33≈11.9 мВм/Н, Qm=273 [2]. Для указанных применений материал имеет низкие значения d33, g33, Кp и высокую Qm.Known piezoelectric ceramic material based on niobates of sodium, potassium, lithium, including Na 2 O, K 2 O, Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , Li 2 O. The composition of the material corresponds to the chemical formula ((Na 0.5 K 0.5 ) 0.9 Li 0.1 ) Nb 0.8 Ta 0.2 O 3 . Material has for best formulations. ε 33 T / ε 0 624
Figure 00000004
, d 33 = 104 pC / N, K p , = 0.307, g 33 ≈11.9 mVm / N, Q m = 273 [2]. For these applications, the material has low values of d 33 , g 33 , Kp and high Q m .

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобатов натрия, калия, лития, включающий Na2O, К2O, Li2O, Ta2O5, Nb2O5. Состав материала отвечает химической формуле [Li0.055(K0.5Na0.5)0.945](Nb0.99Ta0.01)O3. Материал имеет ε 33 T / ε 0 = 700

Figure 00000005
, d33=150 пКл/Н, g33=24 пКл/Н, Kр=0.35, Qм=80 [3]. Для указанных применений материал имеет низкие значения Кр, g33 и недостаточно низкую ε 33 T / ε 0
Figure 00000003
.Known piezoelectric ceramic material based on niobates of sodium, potassium, lithium, including Na 2 O, K 2 O, Li 2 O, Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 . The composition of the material corresponds to the chemical formula [Li 0.055 (K 0.5 Na 0.5 ) 0.945 ] (Nb 0.99 Ta 0.01 ) O 3 . Material has ε 33 T / ε 0 = 700
Figure 00000005
, d 33 = 150 pC / N, g 33 = 24 pC / N, K p = 0.35, Q m = 80 [3]. For these applications, the material has low values of K p , g 33 and not low enough ε 33 T / ε 0
Figure 00000003
.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобатов натрия, калия, лития, включающий Na2O, К2O, Li2O, Nb2O5, Ta2O5. Состав материала отвечает химической формуле (Na0.52K0.44Li0.04)Nb0.8Ta0.2O3. Материал имеет для лучших составов ε 33 T / ε 0 750

Figure 00000006
, g33≈29 мВм/Н, Кр=0.395 [4]. (Прототип) Для указанных применений материал имеет слишком высокую ε 33 T / ε 0
Figure 00000003
и недостаточно высокие значения Кр.The closest in technical essence and the achieved result is a piezoelectric ceramic material based on niobates of sodium, potassium, lithium, including Na 2 O, K 2 O, Li 2 O, Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 . The composition of the material corresponds to the chemical formula (Na 0.52 K 0.44 Li 0.04 ) Nb 0.8 Ta 0.2 O 3 . Material has for best formulations. ε 33 T / ε 0 750
Figure 00000006
, g 33 ≈29 mVm / N, K p = 0.395 [4]. (Prototype) For these applications, the material is too high. ε 33 T / ε 0
Figure 00000003
and not high enough To p .

Задачей изобретения является повышение Кр (до значений ≥0.50), снижение ε 33 T / ε 0

Figure 00000003
до значений ~ 600, при сохранении высоких значений g33 (~ 30 мВм/Н) и низких значений Qм (<150).The objective of the invention is to increase K p (up to values ≥0.50), decrease ε 33 T / ε 0
Figure 00000003
to values of ~ 600, while maintaining high g 33 values (~ 30 mVm / N) and low Q m values (<150).

Указанные результаты достигаются тем, что пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобатов натрия, калия, лития, включающий Na2O, К2O, Li2O, Nb2O5, Та2O5, дополнительно содержит Bi2O3, Fe2O3 и Sb2O5 при следующем соотношении компонентов, масс.%:These results are achieved in that the piezoelectric ceramic material based on sodium, potassium, lithium niobates, including Na 2 O, K 2 O, Li 2 O, Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , additionally contains Bi 2 O 3 , Fe 2 O 3 and Sb 2 O 5 in the following ratio of components, wt.%:

Na2ONa 2 O 8.61-8.708.61-8.70 К2OK 2 O 11.15-11.2611.15-11.26 Li2OLi 2 O 0.49-0.500.49-0.50 Ta2O5 Ta 2 O 5 11.37-11.4911.37-11.49 Nb2O5 Nb 2 O 5 61.59-62.1961.59-62.19 Bi2O3 Bi 2 O 3 0.37-1.100.37-1.10 Fe2O3 Fe 2 O 3 0.13-0.380.13-0.38 Sb2O5 Sb 2 O 5 5.31-5.375.31-5.37

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

LiaKbNacNbdTamSbnO3+z(Bi2O3-Fe2O3), где a=0.04 (в мол.%), b=0.4416 (в мол.%), c=0.5184 (в мол.%), d=0.864 (в мол.%), m=0.096 (в мол.%), n=0.04 (в мол.%), а+b+с=1, d+m+n=1, 0.005≤z≤0.015.Li a K b Na c Nb d Ta m Sb n O 3 + z (Bi 2 O 3 -Fe 2 O 3 ), where a = 0.04 (in mol.%), B = 0.4416 (in mol.%), C = 0.5184 (in mol.%), D = 0.864 (in mol.%), M = 0.096 (in mol.%), N = 0.04 (in mol.%), And + b + c = 1, d + m + n = 1, 0.005≤z≤0.015.

Комбинированное модифицирование материала на основе ниобатов натрия, калия и лития оксидами, содержащими, в том числе, неизовалентные ионы и ионы с переменной валентностью (Fe(II) и Fe(III)), приводит к усложнению структуры материала, в частности, за счет усиления кристаллохимического беспорядка из-за встраивания катионов-модификаторов как в регулярные А- и В-позиции исходного соединения, так и в нерегулярные тетраэдрические позиций, существующие в ниобатных системах [5], и появлению в процессе изготовления материала вакансий, участвующих в массопереносе и диффузионных процессах. Это способствует облегчению фазообразования при синтезе и спекании керамики, повышению технологичности объектов и формированию, как следствие, более совершенной (менее дефектной, однородной, более плотной) структуры, что и приводит к ее ужестчению, то есть к росту Кр и снижению ε 33 T / ε 0

Figure 00000003
. Присутствие в материале Fe(II) с тетраэдрической координацией [6] (в отличие от Fe(III) - с октаэдрической координацией, свойственной всем перовскитным структурам, к которым относится и наш материал [7]), благоприятствует заполнению нерегулярных тетраэдрических позиций, существующих в ниобатных системах, что приводит к уплотнению материалов. Этому же способствует и образование жидких фаз [8], обусловленное низкой температурой плавления оксида Bi, облегчающих синтез объектов и упрочняющих керамический каркас за счет оказываемого ими цементирующего действия на кристаллиты. Все это также способствует повышению Kр.Combined modification of a material based on sodium, potassium, and lithium niobates with oxides containing, among other things, non-isovalent ions and ions with variable valency (Fe (II) and Fe (III)), leads to a complication of the structure of the material, in particular, due to amplification crystallochemical disorder due to the incorporation of modifier cations into both the regular A and B positions of the initial compound and the irregular tetrahedral sites existing in niobate systems [5] and the appearance of vacancies involved in operenose and diffusion processes. This helps to facilitate phase formation during the synthesis and sintering of ceramics, increase the manufacturability of objects and the formation, as a result, of a more perfect (less defective, homogeneous, more dense) structure, which leads to its tightening, that is, to an increase in K p and a decrease ε 33 T / ε 0
Figure 00000003
. The presence in the material of Fe (II) with tetrahedral coordination [6] (in contrast to Fe (III) with the octahedral coordination inherent in all perovskite structures, to which our material belongs [7]), favors the filling of irregular tetrahedral positions existing in niobate systems, which leads to compaction of materials. The formation of liquid phases also contributes to this [8], due to the low melting point of Bi oxide, which facilitate the synthesis of objects and strengthen the ceramic frame due to the cementing effect on crystallites. All this also contributes to an increase in K p .

Кроме того, высокая поляризуемость Bi(III) способствует повышению степени деформации элементарных ячеек объекта, ее анизотропии, и, как следствие, спонтанной поляризации, что также усиливает пьезоотклики (в частности, Кр) и пьезоанизатропию (d33/|d31|).In addition, the high polarizability of Bi (III) increases the degree of deformation of the unit cells of the object, its anisotropy, and, as a consequence, spontaneous polarization, which also enhances the piezoelectric responses (in particular, K p ) and piezoeanisatropy (d 33 / | d 31 |) .

1. Пример изготовления пьезоэлектрического керамического материала1. 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», КНСО3 - «ч», Nb2O5 - «NbO-РТ», Li2CO3 - «хч», Та2O5 - «ТаО-1», Sb2O5 - «хч», Fe2О3 - «ч», Вi2О3 - «ч». Синтез осуществлялся путем однократного обжига смесей сырьевых компонентов: NaHCO3, КНСО3, Nb2O5, Li2CO3, Ta2O5, Sb2O5, Вi2О3, Fe2О3 взятых в количествах (масс.%, в случае NaHCO3, КНСО3, Li2СО3 в пересчете на соответствующие оксиды): Na2O=8.70; К2O=11.26; Nb2O5=62.19; Li2O=0.49; Ta2O5=11.49; Sb2O5=5.37, Bi2O3=0.37, Fe2O3=0.13 с промежуточным помолом синтезированного продукта. Синтез осуществляли в две стадии при температурах: Тсинт.1=1123 К, Тсинт.2 1143 К в течение τсинт.1синт.2=6 часов. Спекание образцов в виде столбиков ⌀12 мм, высотой 15-18 мм осуществлялось при Тсп.=1473 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.=1073 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.The material was manufactured by conventional ceramic technology as follows. The initial reagents used were hydrocarbonates, carbonates and oxides of the following qualifications: NaHCO 3 - “chda”, KHCO 3 - “h”, Nb 2 O 5 - “NbO-PT”, Li 2 CO 3 - “hch”, Ta 2 O 5 - “TaO-1”, Sb 2 O 5 - “hch”, Fe 2 O 3 - “h”, Bi 2 O 3 - “h”. The synthesis was carried out by a single firing of mixtures of raw components: NaHCO 3 , KHCO 3 , Nb 2 O 5 , Li 2 CO 3 , Ta 2 O 5 , Sb 2 O 5 , Bi 2 O 3 , Fe 2 O 3 taken in quantities (mass. %, in the case of NaHCO 3 , KHCO 3 , Li 2 CO 3 in terms of the corresponding oxides): Na 2 O = 8.70; K 2 O = 11.26; Nb 2 O 5 = 62.19; Li 2 O = 0.49; Ta 2 O 5 = 11.49; Sb 2 O 5 = 5.37, Bi 2 O 3 = 0.37, Fe 2 O 3 = 0.13 with intermediate grinding of the synthesized product. The synthesis was carried out in two stages at temperatures: T synt. 1 = 1123 K, T synt. 2 1143 K for τ synt. 1 = τ synt . 2 = 6 hours. Sintering of samples in the form of columns ⌀12 mm, a height of 15-18 mm was carried out at T SP. = 1473 K, the duration of the isothermal hold, 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. = 1073 K for 0.5 h. Samples were polarized in a polyethylene siloxane liquid at a temperature of 410 K for 40 min in a constant electric field of 4 kV / cm.

2. Пример изготовления пьезоэлектрического керамического материала2. 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», КНСО3 - «ч», Nb2O5 - «NbO-РТ», Li2CO3 - «хч», Та2O5 - «ТаО-1», Sb2O5 - «хч», Fe2O3 - «ч», Вi2О3 - «ч». Синтез осуществлялся путем однократного обжига смесей сырьевых компонентов: NaHCO3, КНСО3, Nb2O5, Li2СО3, Та2O5, Sb2O5, Вi2О3, Fe2O3 взятых в количествах (масс.%, в случае NaHCO3, КНСО3, Li2СО3 в пересчете на соответствующие оксиды): Na2O=8.66; К2O=11.21; Nb2O5=61.88; Li2O=0.49; Та2O5=11.43; Sb2O5=5.34, Bi2O3=0.74, Fe2O3=0.25 с промежуточным помолом синтезированного продукта. Синтез осуществляли в две стадии при температурах Тсинт.1=1123 К, Тсинт.2 1143 К в течение τсинт.1синт.2=6 часов. Спекание образцов в виде столбиков ⌀12 мм, высотой 15-18 мм осуществлялось при Тсп.=1473 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 410 К в течение 40 мин в постоянном электрическом поле напряженностью 4 кВ/см.The material was manufactured by conventional ceramic technology as follows. The initial reagents used were hydrocarbonates, carbonates and oxides of the following qualifications: NaHCO 3 - “chda”, KHCO 3 - “h”, Nb 2 O 5 - “NbO-PT”, Li 2 CO 3 - “hch”, Ta 2 O 5 - “TaO-1”, Sb 2 O 5 - “hch”, Fe 2 O 3 - “h”, Bi 2 O 3 - “h”. The synthesis was carried out by a single firing of mixtures of raw materials: NaHCO 3 , KHCO 3 , Nb 2 O 5 , Li 2 CO 3 , Ta 2 O 5 , Sb 2 O 5 , Bi 2 O 3 , Fe 2 O 3 taken in quantities (mass. %, in the case of NaHCO 3 , KHCO 3 , Li 2 CO 3 in terms of the corresponding oxides): Na 2 O = 8.66; K 2 O = 11.21; Nb 2 O 5 = 61.88; Li 2 O = 0.49; Ta 2 O 5 = 11.43; Sb 2 O 5 = 5.34, Bi 2 O 3 = 0.74, Fe 2 O 3 = 0.25 with intermediate grinding of the synthesized product. The synthesis was carried out in two stages at temperatures T synt. 1 = 1123 K, T synt. 2 1143 K for τ synt. 1 = τ synt . 2 = 6 hours. Sintering of samples in the form of columns ⌀12 mm, a height of 15-18 mm was carried out at T SP. = 1473 K, the duration of isothermal exposure, τ sp. = 2 hours. Metallization (deposition of electrodes) was carried out by applying onto a flat surface samples of silver-containing paste previously ground to a thickness of 1 mm and its subsequent firing at a temperature of T firing. = 1070 K for 0.5 h. Samples were polarized in a polyethylene siloxane liquid at a temperature of 410 K for 40 min in a constant electric field of 4 kV / cm.

3. Пример изготовления пьезоэлектрического керамического материала3. 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», КНСО3 - «ч», Nb2O5 - «NbO-РТ», Li2CO3 - «хч», Та2O5 - «ТаО-1», Sb2O5 - «хч», Fe2O3 - «ч», Bi2O3 - «ч». Синтез осуществлялся путем однократного обжига смесей сырьевых компонентов: NaHCO3, KHCO3, Nb2O5, Li2CO3, Ta2O5, Sb2O5, Bi2O3, Fe2O3 взятых в количествах (масс.%, в случае NaHCO3, КНСO3, Li2CO3 в пересчете на соответствующие оксиды): Na2O=8.61; К2O=11.15; Nb2O5=61.59; Li2O=0.49; Ta2O5=11.37; Sb2O5=5.31, Bi2O3=1.10, Fe2O3=0.38 с промежуточным помолом синтезированного продукта. Синтез осуществляли в две стадии при температурах: Тсинт.1=1123 К, Тсинт.2 1143 К в течение τсинт.1синт.2=6 часов. Спекание образцов в виде столбиков ⌀12 мм, высотой 15-18 мм осуществлялось при Тсп.=1473 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 410 К в течение 40 мин в постоянном электрическом поле напряженностью 4 кВ/см.The material was manufactured by conventional ceramic technology as follows. The initial reagents used were hydrocarbonates, carbonates and oxides of the following qualifications: NaHCO 3 - “chda”, KHCO 3 - “h”, Nb 2 O 5 - “NbO-PT”, Li 2 CO 3 - “hch”, Ta 2 O 5 - “TaO-1”, Sb 2 O 5 - “hch”, Fe 2 O 3 - “h”, Bi 2 O 3 - “h”. The synthesis was carried out by a single firing of mixtures of raw components: NaHCO 3 , KHCO 3 , Nb 2 O 5 , Li 2 CO 3 , Ta 2 O 5 , Sb 2 O 5 , Bi 2 O 3 , Fe 2 O 3 taken in quantities (mass. %, in the case of NaHCO 3 , KHCO 3 , Li 2 CO 3 in terms of the corresponding oxides): Na 2 O = 8.61; K 2 O = 11.15; Nb 2 O 5 = 61.59; Li 2 O = 0.49; Ta 2 O 5 = 11.37; Sb 2 O 5 = 5.31, Bi 2 O 3 = 1.10, Fe 2 O 3 = 0.38 with intermediate grinding of the synthesized product. The synthesis was carried out in two stages at temperatures: T synt. 1 = 1123 K, T synt. 2 1143 K for τ synt. 1 = τ synt . 2 = 6 hours. Sintering of samples in the form of columns ⌀12 mm, a height of 15-18 mm was carried out at T SP. = 1473 K, the duration of isothermal exposure, τ sp. = 2 hours. Metallization (deposition of electrodes) was carried out by applying onto a flat surface samples of silver-containing paste previously ground to a thickness of 1 mm and its subsequent firing at a temperature of T firing. = 1070 K for 0.5 h. Samples were polarized in a polyethylene siloxane liquid at a temperature of 410 K for 40 min in a constant electric field of 4 kV / cm.

Электрофизические характеристики определяли в соответствии с ОСТ 11.0444-87. Измерялись относительная диэлектрическая проницаемость поляризованных образцов, ε 33 T / ε 0

Figure 00000003
0 - диэлектрическая постоянная), пьезомодули, |d31| и d33, коэффициент электромеханической связи планарной моды колебаний, Кр, механическая добротность, Qm, скорость звука, V 1 E
Figure 00000007
. 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 g 33 = d 33 / ε 33 T
Figure 00000008
; удельную чувствительность - по формуле d 33 / ε 33 T / ε 0
Figure 00000009
.Electrical characteristics were determined in accordance with OST 11.0444-87. The relative permittivity of polarized samples was measured, ε 33 T / ε 0
Figure 00000003
0 is the dielectric constant), piezoelectric modules, | d 31 | and d 33 , the electromechanical coupling coefficient of the planar vibrational mode, K p , mechanical quality factor, Q m , the speed of sound, V one E
Figure 00000007
. The piezomodule, d 33 , was determined by the quasistatic method. The experimental density of the samples, ρ exp , was measured by hydrostatic weighing in octane. Piezosensitivity in the thickness mode of vibration, g 33 , was calculated by the formula g 33 = d 33 / ε 33 T
Figure 00000008
; specific sensitivity - according to the formula d 33 / ε 33 T / ε 0
Figure 00000009
.

В табл.1 приведены основные характеристики материала в зависимости от состава, а в табл.2 приведены основные электрофизические характеристики оптимальных составов предлагаемого материала.Table 1 shows the main characteristics of the material depending on the composition, and table 2 shows the main electrophysical characteristics of the optimal compositions of the proposed material.

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.The obtained experimental data (Table 1, examples 3-5) indicate that the piezoelectric ceramic material of the proposed composition has optimal, from the point of view of the technical problem to be solved, characteristics in the indicated range of component concentrations, beyond which leads to deterioration of parameters.

Данные, приведенные в табл.1-2, подтверждают преимущества предлагаемого пьезоэлектрического керамического материала по сравнению с материалом - прототипом, а именно повышение Кр до значений ~0.50, снижение ε 33 T / ε 0

Figure 00000003
до значений ~600 при сохранении высокой g33 ~30 мВ·м/Н и низкой Qм<115.The data given in table 1-2, confirm the advantages of the proposed piezoelectric ceramic material compared with the material of the prototype, namely the increase of K p to values of ~ 0.50, decrease ε 33 T / ε 0
Figure 00000003
to values of ~ 600 while maintaining high g 33 ~ 30 mV · m / N and low Q m <115.

Эффект повышения Кр достигается, по существу, дополнительным введением в материал, включающий Na2O, К2O, Li2O, Ta2O5, Nb2O5, оксидов Sb2O5, Fe2O3 и Bi2O3.The effect of increasing K p is achieved essentially by additional introduction into the material, including Na 2 O, K 2 O, Li 2 O, Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , oxides Sb 2 O 5 , Fe 2 O 3 and Bi 2 O 3 .

Низкое значение относительной диэлектрической проницаемости ε 33 T / ε 0

Figure 00000003
~600 предлагаемого пьезоэлектрического керамического материала определяет основное его назначение - использование в высокочастотных преобразователях, работающих в диапазоне частот 4.5-5.4 МГц. 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. Классификация электромагнитных волн по частотным диапазонам представлена в [9]. 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/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, ε 33 T / ε 0 = k C
Figure 00000010
, 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 00000011
.Low relative permittivity ε 33 T / ε 0
Figure 00000003
~ 600 of the proposed piezoelectric ceramic material determines its main purpose - use in high-frequency converters operating in the frequency range 4.5-5.4 MHz. 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. Classification of electromagnetic waves by frequency ranges is presented in [9]. Provided that the converter is matched with the load (R i = R n ) (usually the output impedance R n ~ 50 Ohm for high frequencies that is used in commercial electronic equipment), using the formula for the capacitance of the converter: R i = 1 / ωС, where R i - capacitance of the converter, Ohm; ω is the circular frequency, Hz; C is the capacity, f; - you can approximately estimate the intervals of the values of the capacitance C = 1 / 2πfR i for the indicated frequency ranges, and therefore the relative permittivity of polarized elements, ε 33 T / ε 0 = k C
Figure 00000010
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 00000011
.

В табл.3 приведены значения относительной диэлектрической проницаемости, ε 33 T / ε 0

Figure 00000003
, реализуемые в объемных керамических образцах в ВЧ-диапазоне. Там же (∗) приведен комментарий к таблице. Таким образом, при частотах 4.55-5.31 МГц необходимы значения ε 33 T / ε 0 = 600 700
Figure 00000012
для снижения сопротивления преобразователя, что улучшает его согласование с нагрузкой.Table 3 shows the relative permittivity, ε 33 T / ε 0
Figure 00000003
realized in bulk ceramic samples in the high-frequency range. There (∗) is a comment on the table. Thus, at frequencies of 4.55-5.31 MHz, the required values ε 33 T / ε 0 = 600 - 700
Figure 00000012
to reduce the resistance of the converter, which improves its coordination with the load.

Высокие значения Кр ~0.50, g33 ~30 мВ·м/Н и низкие значения Qм ~115 в сочетании с низким значением относительной диэлектрической проницаемости ε 33 T / ε 0

Figure 00000003
~600 предлагаемого пьезоэлектрического керамического материала позволяет использовать его в высокочастотной технике, в частности в ультразвуковых пьезокерамических преобразователях, предназначенных для работы в воздушной среде в качестве излучателей и приемников в системах дистанционного управления, индикаторах близости препятствий, в устройствах для измерения скорости газового потока.High values of K p ~ 0.50, g 33 ~ 30 mV · m / N and low values of Q m ~ 115 in combination with a low value of relative permittivity ε 33 T / ε 0
Figure 00000003
~ 600 of the proposed piezoelectric ceramic material allows its use in high-frequency technology, in particular in ultrasonic piezoelectric transducers designed to operate in the air as emitters and receivers in remote control systems, proximity indicators of obstacles, and devices for measuring gas flow velocity.

Источники информацииInformation sources

[1]. Tact 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.267-271.[one]. Tact 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. No. 150. P.267-271.

[2]. EP 1032057 A1, JP 2000042095. C04B 35/00, H01L 41/187, дата публикации 30.08.2000.[2]. EP 1032057 A1, JP 2000042095. C04B 35/00, H01L 41/187, publication date 08/30/2000.

[3]. Seock N.S., Jeong H.C., Byung I.K., Eung S.K.. Relationships between crystal structure and electrical properties of Li0.055[Agx(K0.5Na0.5)1-x]0.945(Nb1-уТау3 ceramics // Ceramics International 2012. №38. P.327-330.[3]. Seock NS, Jeong HC, Byung IK, Eung SK. Relationships between crystal structure and electrical properties of Li 0.055 [Ag x (K 0.5 Na 0.5 ) 1-x ] 0.945 (Nb 1-y Ta y ) O 3 ceramics // Ceramics International 2012. No. 38. P.327-330.

[4]. Wenlong Yang, Zhongxiang Zhou, Bin Yang, Yongyuan Jiang, Huan Li, Yanbo Pei. Improvement in temperature stability and modified polymorphic phase transition of La-doped (Na0.52K0.44Li0.04)Nb0.8Ta0.2O3 lead-free piezoelectric ceramics. // Materials Letters. 2012. №70. P.146-148.[four]. Wenlong Yang, Zhongxiang Zhou, Bin Yang, Yongyuan Jiang, Huan Li, Yanbo Pei. Improvement in temperature stability and modified polymorphic phase transition of La-doped (Na 0.52 K 0.44 Li 0.04 ) Nb 0.8 Ta 0.2 O 3 lead-free piezoelectric ceramics. // Materials Letters. 2012. No. 70. P.146-148.

[5]. Pao Ч.Н.Р., Гопалакришнан Дж. Новые направления в химии твердого тела. (Структура, синтез, свойства, реакционная способность и дизайн материалов). Под ред. ак. Кузнецова А.Ф. Пер. с англ. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние. 1990. - 520 с.[5]. Pao Ch.N.R., Gopalakrishnan J. New Trends in Solid State Chemistry. (Structure, synthesis, properties, reactivity and design of materials). Ed. ac. Kuznetsova A.F. Per. from English Novosibirsk: Science. Sib. Separation. 1990 .-- 520 p.

[6]. Нараи-Сабо. И. Неорганическая кристаллохимия. Будапешт. 1969. - 504 с.[6]. Narai Szabo. I. Inorganic crystal chemistry. Budapest. 1969 .-- 504 p.

[7]. Фесенко Е.Г. Семейство перовскита и сегнетоэлектричество. М.: Атомиздат, 1972. - 248 с.[7]. Fesenko E.G. The perovskite family and ferroelectricity. M .: Atomizdat, 1972.- 248 p.

[8]. Minhong J., Xinyu L., Guohua С. Phase structures and electrical properties of new lead-free Na0.5K0.5NbO3-LiSbO3-BiFeO3 ceramics. // Scripta Materialia. 2009. V.60. P.909-912.[8]. Minhong J., Xinyu L., Guohua C. Phase structures and electrical properties of new lead-free Na 0.5 K 0.5 NbO 3 -LiSbO 3 -BiFeO 3 ceramics. // Scripta Materialia. 2009.V.60. P.909-912.

[9]. Носов Ю.Н., Кукаев A.A. Энциклопедия отечественных антенн. Справочное издание. М. 2001. С.49.[9]. Nosov Yu.N., Kukaev A.A. Encyclopedia of domestic antennas. Reference edition. M. 2001. S. 49.

Figure 00000013
Figure 00000013

Claims (1)

Пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, калия, лития, включающий Na2O, К2O, Li2O, Ta2O5, Nb2O5, отличающийся тем, что дополнительно содержит Вi2O3, Fe2O3 и Sb2O5 при следующем соотношении компонентов, масс.%:
Na2O 8.61-8.70 К2O 11.15-11.26 Li2O 0.49-0.50 Та2O5 11.37-11.49 Nb2O3 61.59-62.19 Bi2O3 0.37-1.10 Fe2O3 0.13-0.38 Sb2O5 5.31-5.37
Piezoelectric ceramic material based on sodium, potassium, lithium niobate, including Na 2 O, K 2 O, Li 2 O, Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5, characterized in that it additionally contains Bi 2 O 3 , Fe 2 O 3 and Sb 2 O 5 in the following ratio of components, wt.%:
Na 2 O 8.61-8.70 K 2 O 11.15-11.26 Li 2 O 0.49-0.50 Ta 2 O 5 11.37-11.49 Nb 2 O 3 61.59-62.19 Bi 2 O 3 0.37-1.10 Fe 2 O 3 0.13-0.38 Sb 2 O 5 5.31-5.37
RU2014100311/03A 2014-01-09 2014-01-09 Piezoelectric ceramic material RU2542009C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014100311/03A RU2542009C1 (en) 2014-01-09 2014-01-09 Piezoelectric ceramic material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014100311/03A RU2542009C1 (en) 2014-01-09 2014-01-09 Piezoelectric ceramic material

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2542009C1 true RU2542009C1 (en) 2015-02-20

Family

ID=53288874

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014100311/03A RU2542009C1 (en) 2014-01-09 2014-01-09 Piezoelectric ceramic material

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2542009C1 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU93016396A (en) * 1993-03-31 1995-07-20 М.Г. Зуев CERAMIC MATERIAL AND METHOD FOR ITS OBTAINING
KR20130029476A (en) * 2011-09-15 2013-03-25 창원대학교 산학협력단 Pb-FREE PIEZOELECTRIC (Na0.5+XK0.5-X)(Nb0.55Ta0.45)O3 CERAMICS AND THEIR FABRICATION METHOD THEREOF

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2097361C1 (en) * 1993-03-31 1997-11-27 Михаил Георгиевич Зуев Ceramic material and method for its production

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU93016396A (en) * 1993-03-31 1995-07-20 М.Г. Зуев CERAMIC MATERIAL AND METHOD FOR ITS OBTAINING
KR20130029476A (en) * 2011-09-15 2013-03-25 창원대학교 산학협력단 Pb-FREE PIEZOELECTRIC (Na0.5+XK0.5-X)(Nb0.55Ta0.45)O3 CERAMICS AND THEIR FABRICATION METHOD THEREOF

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Wenlong Yang, Zhongxiang Zhou, Bin Yang, Yongyuan Jiang, Huan Li, Yanbo Pei. Improvement in temperature stability and modified polymorphic phase transition of La-doped (Na0.52K0.44Li0.04)Nb0.8Ta0.2O3 lead-free piezoelectric ceramics, Materials Letters, 2012. N70, с. 146-148. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Guo et al. (Na0. 5K0. 5) NbO3–LiTaO3 lead-free piezoelectric ceramics
Chu et al. Doping effects of Nb additives on the piezoelectric and dielectric properties of PZT ceramics and its application on SAW device
Ishii et al. Morphotropic phase boundary and electrical properties of bisumuth sodium Titanate–Potassium niobate solid-solution ceramics
Kim et al. Effect of Na2O additions on the sinterability and piezoelectric properties of lead-free 95 (Na0. 5K0. 5) NbO3–5LiTaO3 ceramics
JP2010120835A (en) Piezoelectric ceramic, vibrator and ultrasonic motor
CN103172374B (en) Piezoelectric ceramics and piezoelectric element
Chang et al. The effects of sintering temperature on the properties of (Na0. 5K0. 5) NbO3–CaTiO3 based lead-free ceramics
Tsai et al. Effects of ZnO on the dielectric, conductive and piezoelectric properties of low-temperature-sintered PMnN-PZT based hard piezoelectric ceramics
Chang et al. An investigation of (Na0. 5K0. 5) NbO3–CaTiO3 based lead-free ceramics and surface acoustic wave devices
Yoon et al. Phase-formation, microstructure, and piezoelectric/dielectric properties of BiYO3-doped Pb (Zr0. 53Ti0. 47) O3 for piezoelectric energy harvesting devices
Koruza et al. Lead-free perovskite ferroelectrics
Ji et al. BiScO3-PbTiO3 piezoelectric ceramics with Bi excess for energy harvesting applications under high temperature
Tsai et al. The phase structure, electrical properties, and correlated characterizations of (Mn, Sb) co-tuned PZMnNS–PZT ceramics with relaxation behavior near the morphotropic phase boundary
Chen et al. Effects of sintering temperature on the dielectric and piezoelectric properties of Sr additive Sm-modified PbTiO3 ceramics
Tsai et al. Electrical properties and temperature behavior of ZnO-doped PZT–PMnN modified piezoelectric ceramics and their applications on therapeutic transducers
Doshida et al. Hardening of (Ba0. 5Na0. 5) 0.85 Ba0. 15TiO3 lead-free piezoelectric ceramics by adding (Bi0. 5Na0. 5) MnO3
Chang et al. The effects of sintering temperature on the properties of lead-free (Na0. 5K0. 5) NbO3–SrTiO3 ceramics
KR101485284B1 (en) Piezoelectric ceramic composition
Weng et al. Effects of LiNbO3-doping on properties of (Na0. 535K0. 48) NbO3 piezoelectric ceramics with high electromechanical coupling coefficient for application in surface acoustic wave devices
Chen et al. Promotion of piezoelectric properties of lead zirconate titanate ceramics with (Zr, Ti) partially replaced by Nb2O5
RU2542009C1 (en) Piezoelectric ceramic material
Hou et al. Effects of sintering process and Mn-doping on microstructure and piezoelectric properties of Pb ((Zn1/3Nb2/3) 0.20 (Zr0. 47Ti0. 53) 0.80) O3 system
KR101306472B1 (en) Lead-free piezoelectric ceramic composition
Chu et al. Effects of poling field on the piezoelectric and dielectric properties of Nb additive PZT-based ceramics and their applications on SAW devices
Chen et al. The piezoelectric and dielectric properties of Ca-additive Sm-modified PbTiO3 ceramics intended for surface acoustic wave devices

Legal Events

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

Effective date: 20190110