RU2552509C2 - Пьезокерамический материал для изготовления слоистых гетероструктур - Google Patents
Пьезокерамический материал для изготовления слоистых гетероструктур Download PDFInfo
- Publication number
- RU2552509C2 RU2552509C2 RU2013138583/03A RU2013138583A RU2552509C2 RU 2552509 C2 RU2552509 C2 RU 2552509C2 RU 2013138583/03 A RU2013138583/03 A RU 2013138583/03A RU 2013138583 A RU2013138583 A RU 2013138583A RU 2552509 C2 RU2552509 C2 RU 2552509C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- piezoelectric
- cdo
- composition
- sro
- piezoceramic material
- Prior art date
Links
Landscapes
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области пьезокерамических материалов, предназначенных для изготовления многослойных ультразвуковых устройств в виде слоистых гетероструктур, являющихся основой различных пьезодатчиков (давления, медицинской диагностики, эмиссионного контроля гидроакустической аппаратуры и т.д.), работающих в режиме приема. Указанные материалы также могут быть использованы для изготовления многослойных пьезоэлектрических актюаторов, пьезоклапанов, низкочастотных пьезовибраторов и других типов пьезопреобразователей. Предлагаемый пьезокерамический материал по своему составу относится к твердым растворам системы PbTiO3-PbZrO3-PbNi1/3Nb2/3O3-PbZn1/3Nb2/3O3, содержащих в качестве легирующих добавок SrO, WO3, Bi2O3 и CdO, при следующем соотношении компонентов, мас.%: PbO 66,94-67,42, ZrO2 11,42-11,96, TiO2 9,02-9,43, SrO 0,35-0,40, WO3 0,16-0,27, Bi2O3 0,49-0,65, CdO 0,12-0,21, Nb2O5 8,18-8,39, ZnO 0,78-0,84, NiO 1,58-1,75. Технический результат изобретения заключается в создании пьезокерамического материала с более высокими значениями (по сравнению с прототипом) диэлектрических и пьезоэлектрических параметров при сохранении температуры его спекания на уровне 950°C. 3 табл.
Description
Изобретение относится к области пьезокерамических материалов, предназначенных для изготовления многослойных ультразвуковых устройств в виде слоистых гетероструктур, являющихся основой различных пьезодатчиков (давления, медицинской диагностики, эмиссионного контроля гидроакустической аппаратуры и т.д.), работающих в режиме приема. Указанные материалы также могут быть использованы для изготовления многослойных пьезоэлектрических актюаторов, пьезоклапанов, низкочастотных пьезовибраторов и других типов пьезопреобразователей.
Известны пьезоматериалы, характеризующиеся относительно низкими значениями коэрцитивных полей, имеющих средние значения как пьезомодулей, так и относительной диэлектрической проницаемости в сочетании с высокими коэффициентами электромеханической связи. Все известные материалы этой группы созданы на основе пьезофаз твердых растворов цирконата титаната свинца (ЦТС), которые содержат различные легирующие добавки: АС-900 (Япония) [1], РСМ-33А [2], PZT-5A (США) [3], ЦТС-19, ЦТС-26 [4], ПКР[6] и др.
Известен пьезоматериал АС-900, имеющий температуру спекания 950-980°C, однако он характеризуется низкими значениями коэффициентов электромеханической связи при средних значениях пьезомодулей d31 и d33, что снижает эффективность преобразования механической энергии в электрическую (в режиме приема) и электрической в механическую (в режиме излучения). Другие же материалы рассматриваемой группы имеют высокие температуры спекания, что приводит к снижению выхода целевых изделий.
Наиболее близким по химическому составу, диэлектрическим и пьезоэлектрическим свойствам к заявляемому пьезоматериалу является пьезокерамический материал ЦТС-46 [7], принимаемый за прототип (таблица 2).
Таблица 2 | ||||||||||
Составы прототипа и заявляемого материала | ||||||||||
Состав прототипа ЦТС-46 [7] (мас.%) | ||||||||||
PbO | ZrO2 | TiO2 | SrO | WO3 | Bi2O3 | Ni2O3 | CdO | Nd2O5 | ZnO | NiO |
64,05-64,52 | 19,11-20,30 | 10,92-11,52 | 1,54-2,25 | 0,23-0,62 | 0,72-1,87 | 0,08-0,25 | 0,59-1,18 | - | - | - |
Состав заявляемого материала (мас.%) | ||||||||||
PbO | ZrO2 | TiO2 | SrO | WO3 | Bi2O3 | Ni2O3 | CdO | Nd2O5 | ZnO | NiO |
66,94-67,42 | 11,42-11,96 | 9,02-9,43 | 0,35-0,40 | 0,16-0,27 | 0,49-0,65 | - | 0,12-0,21 | 8,18-8,39 | 0,78-0,84 | 1,58-1,75 |
Выбранный прототип обладает более высокими пьезоэлектрическими параметрами по сравнению с АС-900, однако эта разница по основному параметру (d33) не превышает 6% при одновременном снижении диэлектрической проницаемости на 34%.
С целью значительного повышения, по сравнению с прототипом, значений пьезомодуля d33 (до 670 пКл/Н) и εT 33 /εo (до 3000), при сохранении значений коэффициентов электромеханической связи, тангенса угла диэлектрических потерь и температуры спекания керамики:
- был изменен количественный состав прототипа по основным компонентам;
- в состав материала были дополнительно введены оксиды ниобия, цинка и никеля (II).
Сохранение низкой температуры спекания керамики обеспечивалось заменой в составе материала Ni2O на NiO и увеличением его массовой доли последней фазы в системе. Это обеспечивает высокий уровень дефектности промежуточных продуктов реакции на этапе ее синтеза, что снижает энергию активации процесса первичной рекристаллизации, т.е. увеличивает число активных центров роста зерен (в единице объема целевого продукта) еще на этапе его синтеза. Кроме этого высокая и контролируемая составом дефектность шихты обеспечивает значительную скорость процессов вторичной рекристаллизации и роста зерен, что позволяет изготавливать высокоплотную керамику без применения метода горячего прессования [6].
Предлагаемый пьезокерамический материал по своему составу относится к твердым растворам системы PbTiO3-PbZrO3-PbNi1/3Nb2/3O3-PbZn1/3Nb2/3O3. содержащих в качестве легирующих добавок: SrO, WO3, Bi2O3 и CdO.
Состав материала может быть выражен через масс.% исходных оксидов в виде:
PbO - 66,94-67,42,
ZrO2 - 11,42-11,96,
TiO2 - 9,02-9,43,
SrO - 0,35-0,40,
WO3 - 0,16-0,27,
Bi2O3 - 0,49-0,65%,
CdO - 0,12-0,21,
NiO - 1,58-1,75,
Nb2O5 - 8,18-8,39,
ZnO 0,78 - 0,84.
Технический результат изобретения заключается в создании пьезокерамического материала с более высокими значениями (по сравнению с прототипом) диэлектрических и пьезоэлектрических параметров d33 (до 670 пКл/Н) и εT 33 /εo (до 3000), с сохранением значений коэффициентов электромеханической связи, тангенса угла диэлектрических потерь и температуры спекания керамики на уровне 950-980°C.
Для сравнения в таблице 1 приведены основные электрофизические параметры заявляемого и известных пьезокерамических материалов.
Таблица 1 | ||||||||
Электрофизические параметры заявляемого и известных пьезокерамических материалов | ||||||||
марка | tgδ, % | εT 33 /εo | -d31·1012, Кл/Н | d33·1012, Кл/Н | Kp | Tc, °C | Тспек,· °C | Источник |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
ЦТС-19 | 2-3 | 1800 | 175 | 385 | 0,56 | 290 | 1220 | [4] |
ЦТС-26 | 2.0 | 1800 | 162 | 350 | 0,55 | 350 | 1230 | [4] |
РСМ-33А (Jap.) | 1,7 | 3200 | 232 | 529 | 0,66 | 205 | 1250 | [2] |
ЦТСНВ-1 | 1,9 | 2200 | 200 | 430 | 0,54 | 240 | 1230 | [5] |
АРС-855 (США) | 1,3 | 3300 | 226 | 480 | 0,68 | 250 | 1260 | [5] |
АРС-856 (США) | 2,7 | 4100 | 242 | 545 | 0,65 | 150 | 1240 | [5] |
PZT-5A (США) | 2.1 | 1700 | 171 | 374 | 0,60 | 365 | 1250 | [3] |
ПКР-6 | <1 | 2300 | 195 | 455 | 0.62 | 230 | 1270 | [6] |
АС-900 (Jap.) | 2-3 | 3200 | 180 | 480 | 0,50 | 210 | 950 | [1] |
ЦТС-46 | 1-2 | 2100 | 220 | 510 | 0,62 | 275 | 950 | [7] |
Заявляемый материал | 1-2 | 3000 | 245 | 670 | 0,62 | 220 | 950 |
Из данных таблицы 1 можно сделать вывод, что большинство материалов данной группы характеризуются температурами спекания выше 1200°C, что требует использования при сборке гетероструктур типа пьезопленка - металл, платиновой пасты. При повышении температуры многослойной системы внутренний платиновый электрод при на начальных этапах обжига пакетов частично испаряется. Это связано с тем, что образующийся при разложении пасты мелкодисперсный порошок металла окисляется кислородом воздуха с образованием летучих оксидов [6]. Пары оксидов могут проникать в объем формирующихся одновременно с платиновым порошком, керамических пленок, создавая в них токопроводящие каналы, которые электрически замыкают два противоположных электрода. Описанное явление приводит к росту брака в производстве указанного' типа гетероструктур. В связи с этим, с технологической точки зрения, необходимо снижение температуры спекания керамических пленок в составе гетероструктур, что позволит заменить платину сплавом (Pd+Ag), что снизит вероятность замыкания электродов в системе и будет способствовать снижению себестоимости изделия в целом.
Пример:
Для получения порошков пьезофаз использовался традиционный метод твердофазных реакций. В качестве прекурсоров синтеза применялись оксиды и карбонаты элементов, входящих в состав целевой фазы: PbO, ZnO Bi2O3 и SrCO3 - марки ч.д.а., TiO2 Nb2O5 и WO3 - марки о.с.ч., ZrO2 (ЦРО-1), NiO и CdO - марки ч. Соответствие образцов сырья заявленному качеству (входной контроль) осуществлялось методами ДТА, ТГА, а их фазовый состав оценивался с помощью дифракционных методов анализа (РФА и РСА). Рассчитанные массы порошков реагентов, с учетом корректировки, определенной на этапе входного контроля, взвешивались с точностью 0,0005 г.
Помол порошков на первом этапе осуществлялся в планетарной мельнице в течение 20 минут, а на втором - в вибромельнице в течение 20 минут. Магнитная сепарация шихты проводилась после второго этапа помола. Полученный порошок брикетировался, и пресс-заготовки обжигались при Т=750°C в течение 1 часа, и после перешихтовки и повторного брикетирования - при Т=800°C - 1 час. Продукт синтеза подвергался помолу, по представленному выше режиму, что позволяло изготавливать порошки целевой фазы с удельной поверхностью не менее 6000 см /г, в соответствии с данными, получаемыми с помощью ПСХ-12. Фазовый состав порошка определялся методом РФА.
В однофазные порошки вводилась связка в виде 3% раствора ПВС и они прессовались давлением до 850 кг/см2. Пресс-заготовки имели форму цилиндра диаметром 22 мм и высотой 7 мм. Образцы помещались в закрывающиеся кюветы на подслой из цирконата свинца и обжигались в течение 2-2,5 часа при Т=940-950°C. Спеченная керамика разрезалась на заготовки высотой ≈1,5 мм, которые шлифовались по толщине и диаметру до стандартного размера [4]. На поверхности полученных после шлифовки дисков наносились серебряные электроды (метод вжигания). Образцы поляризовались на воздухе в установке ПВС при 180-200°C полем 1,5-1,7 кВ/мм. Электрофизические параметры керамических пьезоматериалов на образцах стандартных размеров определялись согласно ОСТ 110444-87. В таблице 3 представлены электрофизические параметры предлагаемого материала для различных вариантов состава, лежащих в пределах заявляемой области.
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что предлагаемый пьезоэлектрический материал обладает оптимальными, с точки зрения решаемой задачи, и более высокими значениями пьезопараметров (в заявленном интервале составов) по сравнению с прототипом. По сравнению с материалами, представленными в таблице 1 (ЦТС-19, PZT-5A, РСМ-33А ЦТСНВ-1 АРС-855 АРС-856 ПКР - 6) предлагаемый материал имеет более низкую (в среднем на 300°C) температуру спекания, а по сравнению с АС-900 (Тспек=950°C) характеризуется более высокими значениями диэлектрических и пьезоэлектрических параметров.
Таблица 3 | ||||||||||||||
Изменение электрофизических параметров пьезоэлектрических материалов при изменении их составов в пределах заявляемой области | ||||||||||||||
Состав заявляемого материала (мас.%) | ||||||||||||||
пример 1 | PbO | ZrO2 | TiO2 | SrO | WO3 | Bi2O3 | CdO | Nb2O5 | ZnO | NiO | ||||
67,1 | 11,55 | 9,43 | 0,35 | 0,20 | 0,60 | 0,15 | 8,22 | 0,80 | 1,60 | |||||
ЭФП | tgδ, % | εT 33 /εo | -d31·1012, Кл/Н | d33·1012, Кл/Н | Kp | Tc, °C | Тспек,°C | |||||||
1,9 | 2750 | 219 | 600 | 0,61 | 224 | 950 | ||||||||
Состав заявляемого материала (мас.%) |
пример 2 | PbO | ZrO2 | TiO2 | SrO | WO3 | Bi2O3 | CdO | Nb2O5 | ZnO | NiO | ||||
67,2 | 11,6 | 9,3 | 0,38 | 0,22 | 0,50 | 0,20 | 8,22 | 0,78 | 1,58 | |||||
ЭФП | tgδ, % | εT 33 /εo | -d31·1012, Кл/Н | d33·1012, Кл/Н | Kp | Tc, °C | Тспек,°C | |||||||
1,8 | 2880 | 227 | 620 | 0,62 | 226 | 950 | ||||||||
Состав заявляемого материала (мас.%) | ||||||||||||||
пример 3 | PbO | ZrO2 | TiO2 | SrO | WO3 | Bi2O3 | CdO | Nb2O5 | ZnO | NiO | ||||
67,2 | 11,42 | 9,23 | 0,39 | 0,19 | 0,58 | 0,18 | 8,29 | 0,81 | 1,71 | |||||
ЭФП | tgδ, % | εT 33 /εo | -d31·1012, Кл/Н | d33·1012, Кл/Н | Kp | Tc, °C | Тспек,°C | |||||||
1,4 | 3050 | 247 | 675 | 0,62 | 220 | 950 | ||||||||
Состав заявляемого материала (мас.%) | ||||||||||||||
пример 4 | PbO | ZrO2 | TiO2 | SrO | WO3 | Bi2O3 | CdO | Nb2O5 | ZnO | NiO | ||||
67,4 | 11,42 | 9,02 | 0,35 | 0,26 | 0,49 | 0,12 | 8,39 | 0,84 | 1,71 | |||||
ЭФП | tgδ, % | εT 33 /εo | -d31·1012, Кл/Н | d33·1012, Кл/Н | Kp | Tc, °C | Тспек,°C | |||||||
1,7 | 2920 | 231 | 633 | 0,61 | 223 | 950 | ||||||||
Состав заявляемого материала (мас.%) | ||||||||||||||
пример 5 | PbO | ZrO2 | TiO2 | SrO | WO3 | Bi2O3 | CdO | Nb2O5 | ZnO | NiO | ||||
66,9 | 11,96 | 9,03 | 0,40 | 0,16 | 0,65 | 0,21 | 8,19 | 0,78 | 1,75 | |||||
ЭФП | tgδ, % | εT 33 /εo | -d31·1012, Кл/Н | d33·1012, Кл/Н | Kp | Tc, °C | Тспек,°C | |||||||
1,9 | 2790 | 222 | 610 | 0,61 | 218 | 950 |
Источники информации
1. Каталог фирмы «Hayashc» chemical Jndustzy Co. LTD. Япония.
2. Electronic Components Catalog. 1974. 5. Matsushita Electric. Kadoma. Osaka. Japan.
3. Каталог фирмы «Uerizon», США.
4. Материалы пьезокерамические. Технические условия. Отраслевой стандарт ОСТ 110444-87. М. 1987. стр.16.
5. Панич А.А., Мараховский М.А.,. Мотин Д.В. Кристаллические и керамические пьезоэлектрики. Электронный журнал «Инженерный вестник Дона». 2011. №1.
6. Фесенко Е.Г., Данцигер А.Я., Разумовская О.Н. Новые пьезокерамические материалы. Ростов-на-Дону. Из. РГУ. 1983. 160 с.
7. Патент RU 2288902. Опубликовано: 10.12. 2006. Бюл. №34, Пьезокерамический материал. Патентообладатель ОАО «Элпа», Авторы: Мирошников П.В., Сегалла А.Г., Сафронов А.Я., Никифоров В.Г., Чернов В.А.
Claims (1)
- Пьезокерамический материал, включающий оксиды свинца, циркония, титана, стронция, вольфрама, висмута и кадмия, отличающийся тем, что дополнительно содержит оксиды цинка, ниобия и никеля (II) при следующем соотношении компонентов, мас.%:
PbO 66,94-67,42 ZrO2 11,42-11,96 TiO2 9,02-9,43 SrO 0,35-0,40 WO3 0,16-0,27 Bi2O3 0,49-0,65 CdO 0,12-0,21 Nb2O5 8,18-8,39 ZnO 0,78-0,84 NiO 1,58-1,75
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013138583/03A RU2552509C2 (ru) | 2013-08-20 | 2013-08-20 | Пьезокерамический материал для изготовления слоистых гетероструктур |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013138583/03A RU2552509C2 (ru) | 2013-08-20 | 2013-08-20 | Пьезокерамический материал для изготовления слоистых гетероструктур |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013138583A RU2013138583A (ru) | 2015-02-27 |
RU2552509C2 true RU2552509C2 (ru) | 2015-06-10 |
Family
ID=53279243
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013138583/03A RU2552509C2 (ru) | 2013-08-20 | 2013-08-20 | Пьезокерамический материал для изготовления слоистых гетероструктур |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2552509C2 (ru) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109761606A (zh) * | 2019-02-10 | 2019-05-17 | 赵娟 | 一种镍锆铜共掺杂型铌酸铋铷压电陶瓷材料及其制备方法 |
RU2764404C1 (ru) * | 2021-07-12 | 2022-01-17 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Южный федеральный университет» | Высокочастотный пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната-цирконата свинца |
RU2766856C1 (ru) * | 2021-07-22 | 2022-03-16 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Южный федеральный университет» | Способ изготовления пьезокерамического элемента |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2186748C2 (ru) * | 2000-03-20 | 2002-08-10 | Научное конструкторско-технологическое бюро "Пьезоприбор" Ростовского государственного университета | Пьезокерамический материал |
RU2288902C1 (ru) * | 2005-04-06 | 2006-12-10 | Открытое акционерное общество "ЭЛПА" | Пьезокерамический материал |
EP1772442A1 (en) * | 2005-10-04 | 2007-04-11 | TDK Corporation | Piezoelectric ceramic composition and laminated piezoelectric element |
JP4665456B2 (ja) * | 2004-08-11 | 2011-04-06 | ソニー株式会社 | 圧電セラミックス、その製造方法、圧電アクチュエータ |
-
2013
- 2013-08-20 RU RU2013138583/03A patent/RU2552509C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2186748C2 (ru) * | 2000-03-20 | 2002-08-10 | Научное конструкторско-технологическое бюро "Пьезоприбор" Ростовского государственного университета | Пьезокерамический материал |
JP4665456B2 (ja) * | 2004-08-11 | 2011-04-06 | ソニー株式会社 | 圧電セラミックス、その製造方法、圧電アクチュエータ |
RU2288902C1 (ru) * | 2005-04-06 | 2006-12-10 | Открытое акционерное общество "ЭЛПА" | Пьезокерамический материал |
EP1772442A1 (en) * | 2005-10-04 | 2007-04-11 | TDK Corporation | Piezoelectric ceramic composition and laminated piezoelectric element |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109761606A (zh) * | 2019-02-10 | 2019-05-17 | 赵娟 | 一种镍锆铜共掺杂型铌酸铋铷压电陶瓷材料及其制备方法 |
RU2764404C1 (ru) * | 2021-07-12 | 2022-01-17 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Южный федеральный университет» | Высокочастотный пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната-цирконата свинца |
RU2766856C1 (ru) * | 2021-07-22 | 2022-03-16 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Южный федеральный университет» | Способ изготовления пьезокерамического элемента |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013138583A (ru) | 2015-02-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7585429B2 (en) | Piezoelectric ceramic composition | |
CN1116247C (zh) | 可与银在降低的烧结温度下共烧结的低损耗pzt陶瓷组合物和其制备方法 | |
US20110012050A1 (en) | Piezoelectric material | |
JP5979992B2 (ja) | 圧電材料 | |
KR101191246B1 (ko) | 압전 세라믹스 및 그 제조 방법 및 압전 디바이스 | |
JP5386848B2 (ja) | 圧電磁器 | |
US9105845B2 (en) | Piezoelectric ceramic comprising an oxide and piezoelectric device | |
US20120019108A1 (en) | Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric element | |
CN104891987A (zh) | 陶瓷粉末、压电陶瓷、压电元件和电子设备 | |
JP5337513B2 (ja) | 圧電/電歪磁器組成物 | |
KR20190016441A (ko) | 적층 세라믹 콘덴서 및 그 제조 방법 | |
RU2552509C2 (ru) | Пьезокерамический материал для изготовления слоистых гетероструктур | |
JP2006202990A (ja) | 圧電素子 | |
US11581482B2 (en) | Piezoelectric ceramic and method for manufacturing same, as well as piezoelectric element | |
CN110683844B (zh) | 压电陶瓷组合物及其制造方法、压电陶瓷、压电元件和压电振动装置 | |
US20170365772A1 (en) | Piezoelectric ceramic speaker using vibration sheet formed with piezoelectric ceramic | |
US20120112607A1 (en) | Ceramic composition for piezoelectric actuator and piezoelectric actuator including the same | |
US7595006B2 (en) | Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric actuator | |
CN107235723A (zh) | 压电陶瓷溅射靶材、无铅压电薄膜及压电薄膜元件 | |
JP2014208562A (ja) | 圧電磁器およびこれを用いた圧電素子 | |
RU2514353C1 (ru) | Пьезокерамический материал | |
JP6186625B2 (ja) | 圧電磁器およびこれを用いた圧電素子 | |
RU2288902C1 (ru) | Пьезокерамический материал | |
RU2546055C1 (ru) | Способ изготовления высокотемпературных композиционных пьезокерамических материалов и пьезоэлементов из них | |
RU2604359C1 (ru) | Композиционный пьезокерамический материал |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180821 |