RU2604359C1 - Композиционный пьезокерамический материал - Google Patents
Композиционный пьезокерамический материал Download PDFInfo
- Publication number
- RU2604359C1 RU2604359C1 RU2015150312/03A RU2015150312A RU2604359C1 RU 2604359 C1 RU2604359 C1 RU 2604359C1 RU 2015150312/03 A RU2015150312/03 A RU 2015150312/03A RU 2015150312 A RU2015150312 A RU 2015150312A RU 2604359 C1 RU2604359 C1 RU 2604359C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pbo
- phase
- phases
- components
- molar ratio
- Prior art date
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title abstract description 13
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 title abstract description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 33
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 39
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 abstract description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000001459 lithography Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- ZKATWMILCYLAPD-UHFFFAOYSA-N niobium pentoxide Chemical compound O=[Nb](=O)O[Nb](=O)=O ZKATWMILCYLAPD-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 8
- YEXPOXQUZXUXJW-UHFFFAOYSA-N lead(II) oxide Inorganic materials [Pb]=O YEXPOXQUZXUXJW-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 6
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 4
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 4
- JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N iron(III) oxide Inorganic materials O=[Fe]O[Fe]=O JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 2
- HTUMBQDCCIXGCV-UHFFFAOYSA-N lead oxide Chemical compound [O-2].[Pb+2] HTUMBQDCCIXGCV-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 abstract 1
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 20
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 19
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 10
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 10
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 9
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 7
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 7
- 239000000047 product Substances 0.000 description 7
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 6
- 150000004679 hydroxides Chemical class 0.000 description 5
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 5
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 4
- VTLYFUHAOXGGBS-UHFFFAOYSA-N Fe3+ Chemical compound [Fe+3] VTLYFUHAOXGGBS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 2
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 2
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 2
- 238000012797 qualification Methods 0.000 description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 2
- -1 —h.p.a. Chemical compound 0.000 description 2
- 229910005191 Ga 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021193 La 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910017493 Nd 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M hydroxide Chemical compound [OH-] XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 150000002823 nitrates Chemical class 0.000 description 1
- GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N oxonickel Chemical class [Ni]=O GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
- C04B35/48—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates
- C04B35/49—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates containing also titanium oxides or titanates
- C04B35/491—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates containing also titanium oxides or titanates based on lead zirconates and lead titanates, e.g. PZT
- C04B35/493—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates containing also titanium oxides or titanates based on lead zirconates and lead titanates, e.g. PZT containing also other lead compounds
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
- C04B35/495—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on vanadium, niobium, tantalum, molybdenum or tungsten oxides or solid solutions thereof with other oxides, e.g. vanadates, niobates, tantalates, molybdates or tungstates
- C04B35/497—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on vanadium, niobium, tantalum, molybdenum or tungsten oxides or solid solutions thereof with other oxides, e.g. vanadates, niobates, tantalates, molybdates or tungstates based on solid solutions with lead oxides
- C04B35/499—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on vanadium, niobium, tantalum, molybdenum or tungsten oxides or solid solutions thereof with other oxides, e.g. vanadates, niobates, tantalates, molybdates or tungstates based on solid solutions with lead oxides containing also titanates
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
- H10N30/853—Ceramic compositions
- H10N30/8548—Lead-based oxides
- H10N30/8554—Lead-zirconium titanate [PZT] based
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
- C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
- C04B2235/3244—Zirconium oxides, zirconates, hafnium oxides, hafnates, or oxide-forming salts thereof
- C04B2235/3248—Zirconates or hafnates, e.g. zircon
- C04B2235/3249—Zirconates or hafnates, e.g. zircon containing also titanium oxide or titanates, e.g. lead zirconate titanate (PZT)
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
- C04B2235/74—Physical characteristics
- C04B2235/76—Crystal structural characteristics, e.g. symmetry
- C04B2235/768—Perovskite structure ABO3
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
Изобретение относится к композиционным керамическим пьезоэлектрическим материалам на основе фаз кислородно-октаэдрического типа и может быть использовано для изготовления гидроакустических устройств, а также приборов СВЧ и УЗ диапазонов, приборов точного позиционирования объектов (литография, туннельные растровые микроскопы) и т.д. Техническим результатом изобретения является повышение значений εT 33/ε, пьезомодулей и приведенных параметров, определяющих эффективность пьезоматериалов при сохранении ими высоких значений Кp. Композиционный пьезокерамический материал включает: фазу А, полученную из PbO, ZrO2 и TiO2 при следующем соотношении компонентов, в мольных долях (PbO : ZrO2 : TiO2) : [1:(0,33-0,39):(0,61-0,67)]; фазу В, полученную из PbO, ZnO, NiO·nH2O и Nb2O5 при следующем соотношении компонентов, в мольных долях (PbO : ZnO : NiO·nH2O : Nb2O5): [1:(0,08-0,12):(0,22-0,25):0,33], где n=1-3; фазу С, полученную из PbO, Fe2O3·mH2O и Nb2О5 при следующем соотношении компонентов, в мольных долях (PbO : Fe2O3·mH2O : Nb2O5) : [1:0,25:0,25], где n=1-3. Содержание фаз A, B и C в системе в мольных долях составляет [(1-k/2) (0,54-0,6) А]+[(1-k/2)(0,4-0,46) В]+[kC], где k=0,01-0,10. 1 з.п. ф-лы, 3 пр., 4 табл., 5 ил.
Description
Изобретение относится к композиционным керамическим пьезоэлектрическим материалам на основе фаз кислородно-октаэдрического типа и может быть использовано для изготовления гидроакустических устройств, а также приборов СВЧ и УЗ диапазонов, приборов точного позиционирования объектов (литография, туннельные растровые микроскопы) и т.д.
Известны пьезоэлектрические материалы, которые используются для изготовления гидроакустических преобразователей, приборов точного позиционирования объектов и т.д. [1-18].
Известен пьезоэлектрический керамический однофазный материал на основе фаз системы: PbO, TiO2, ZrO2, Nb2O5, BaO, SrO, MgO, ZnO, который используются для изготовления гидроакустических преобразователей, приборов точного позиционирования объектов и т.д. [10-12].
Материал имеет относительную диэлектрическую проницаемость поляризованных образцов εT 33/ε=2700-3020, коэффициент электромеханической связи пленарной моды колебаний Кp=0,60, пьезомодуль d33=470 пКл/Н. Для указанных применений материал имеет не оптимальные значения εT 33/ε и Кp.
Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе фаз системы ЦТС, включающей PbO, ZrO2, TiO2, Nb2O5, SrO (промышленно выпускаемый в России материал ЦТС-19). Материал имеет εT 33/ε=1470-1760, Кp=0,42÷0,467, пьезомодули |d31|=116 пКл/Н и d33=298 пКл/Н [1, 3, 13-16].
Известен пьезокерамический материал на основе фаз системы, образованных при взаимодействии PbO, TiO2, ZrO2, Nb2O5, BaO, MgO, ZnO, при их соотношении (в мас. %): (60,52÷69,00):(5,84÷12,60):(12,94÷23,42):(1,31÷4,19):(0,00÷4,83):(0,03÷0,50):(0,40÷1,28), а также следовые массы добавок (CaO, ZnO, Ta2O5, WO3, Sb2O3, CO3O4, NiO, Cr2O3, Ag2O, Ga2O3, Y2O3, La2O3, CeO2 Pr2O3, Nd2O3, Sm2O3, Eu2O3, Gd2O3, Tb2O3, Dy2O3, Ho2O3, Er2O3, Tm2O3, Yb2O3, Lu2O3) [17].
Материал имеет εT 33/ε=1500÷1800, Кp=0,50÷0,60. Для указанных применений материал имеет недостаточно высокие значения εT 33/ε и Кp,
Наиболее близким к заявляемому материалу по составу и достигаемому результату является пьезоэлектрический керамический материал, изготовленный из следующих компонентов (в мас. %): PbO=60,33÷67,02, BaO=0,35÷2,23, SrO=0,64÷4,03, TiO2=10,22÷10,48, ZrO2=15,75÷17,43, Nb2O5=4,62÷4,82, MgO=0,51÷0,54, ZnO=0,38÷0,39 [18].
Для указанных применений материал имеет недостаточно высокие значения εТ 33/ε при удовлетворительных значениях Кр.
Техническим результатом изобретения является повышение εТ 33/ε пьезоматериалов при сохранении высоких значений Кр.
Технический результат достигается пьезокерамическим материалом, включающим
- фазу А, полученную из PbO, ZrO2 и TiO2 при следующем соотношении компонентов, в мольных долях (PbO : ZrO2 : TiO2) : [1:(0,33-0,39):(0,61-0,67)];
- фазу В, полученную из PbO, ZnO, NiO·nH2O и Nb2O5 при следующем соотношении компонентов, в мольных долях (PbO : ZnO : NiO·nH2O : Nb2O5) : [1:(0,08-0,12):(0,22-0,25):0,33], где n=1-3;
- фазу С, полученную из PbO, Fe2O3·mH2O и Nb2O5 при следующем соотношении компонентов, в мольных долях (PbO : Fe2O3·mH2O : Nb2O5) : [1:0,25:0,25], где m=1-3;
при содержании фаз А, В и С в системе, в мольных долях: [(1-k/2) (0,54-0,6) А] + [(1-k/2) (0.4-0.46) В] + [kC], где k=0,01-0,10.
При этом фаза А имеет состав PbTi1-xZrxO3, фаза В имеет состав Pb(Zn1-yNiy)0,33Nb0,67O3, фаза С имеет состав PbFe0,5Nb0,5O3, где: х=0,61-0,67; у=0,64-0,76.
Соотношение оксидов в конечном продукте, в соответствии с перерасчетом на один моль PbO, отвечает следующим значениям прекурсоров, в мольных долях.
Отличием предлагаемого материала от прототипа является использование при его изготовлении в качестве его компонентов порошков предварительно синтезированных фаз А, В и С, при синтезе которых наряду с оксидами PbO, ZrO2, TiO2, Nb2O5, использован оксид цинка ZnO и гидроксиды Ni(II) и Fe(III).
Целевой керамический композиционный пьезоматериал формируется в процессе обжига пресс-заготовок при Тсп.=1350-1450 К, изготовленных из предварительно синтезированных микродисперсных порошков фаз состава (PbTi1-xZrxO3), где х=0,61-0,67 /фаза А/, а также релаксорных фаз Pb(Zn1-yNiy)0,33Nb0,67O3, где у=0,64-0,76 /фаза В/ и (PbFe0,5Nb0,5O3) /фаза С/, которые, в свою очередь, изготовлены из исходных оксидов PbO, ZrO2, TiO2, Nb2O5, ZnO, и гидроксидов Ni(II) и Fe(III). Взаимодействие между частицами фаз A, B и C ограничивается образованием поверхностных твердых растворов. Применение при синтезе релаксорных фаз, содержащих ниобий (V), гидроксидов Fe(III) и Ni(II), препятствует образованию параллельных продуктов синтеза (фаз со структурой типа пирохлора). Это способствует сохранению состава релаксорных фаз, за счет понижения температуры их синтеза, что в свою очередь, за счет снижения дефектности фаз B и C, уменьшает скорость взаимного растворения компонентов A, B и C друг в друге, что обеспечивает образование композиционного материала с высокими электрофизическими свойствами (рис. 1 и 2).
В качестве исходных реагентов для синтеза фаз A, B и C использовались оксиды следующих квалификаций: PbO, ZrO2 и TiO2 - “ч”, ZnO, - “ч.д.а.”, Nb2O5 - “нбо-пт”, а также гидроксиды типа Fe2O3 · mH2O и NiO · nH2O, которые осаждались из нитратных солей указанных элементов щелочными реагентами (все реактивы квалификацией не ниже ч.д.а.). Содержание Fe2O3 и NiO и, соответственно, Fe2O3 · mH2O и NiO · nH2O контролировалось методом ДТА, результаты которого перепроверялись методами химического анализа, а фазовый состав продуктов разложения гидроксидов - рентгенофазовым анализом.
Ниже приведены примеры осуществления изобретения.
Пример 1. Изготовление двухфазного композиционного керамического пьезоматериала PbTi0,625Zr0,375O3 (фаза A) + Pb(Zn0,3Ni0,7)0,33Nb0,67O3 (фаза B)
На первом этапе из смеси исходных оксидов (PbO + 0,375 ZrO2 + 0,625 TiO2) (смешение осуществлялось в планетарной мельнице с ускорением 29g) при температурах ниже 1100 К (время обжига 3 часа) синтезировалась сегнетофаза состава PbTi0,625Zr0,375O3 (фаза А). Параллельно с этим из смеси оксидов и гидроксида никеля (II) (PbO + 0,10ZnO + 0,23NiO · nH2O + 0,33Nb2O5, где n=1-3) (смешение осуществлялось в планетарной мельнице с ускорением 29g) при температурах 1000-1150 К (время обжига 3 часа) синтезировалась сегнетофаза состава Pb(Zn0.3Ni0.7)1/3Nb2/3O3 (фаза В). На втором этапе из порошков состава PbTi0,625.Zr0,375O3 и Pb(Zn0.3Ni0.7)0,33Nb0,67O3, при их мольном соотношении 0,56:0,44 изготавливали их смесь (Z-образный смеситель, время смешения 30 минут 3% водный раствор ПВС), которую сушили при 379-400 К.
Из полученных смесей формовали пресс-заготовки, которые обжигали при 1175-1250 К в течение 2 часов и подвергали помолу в планетарной мельнице. Согласно данным РФА продукт синтеза двухфазный (состоит из двух фаз, с близким параметром элементарных ячеек - рисунок 4) - фазы A и B.
Из изготовленных смесей формовались пресс-заготовки в виде столбиков диаметром 12 мм, высотой 10-15 мм. Их обжиг осуществлялся при Тсп.=1350-1450 К. Длительность изотермической выдержки варьировалось от 1 до 1,5 часа. Спеченный материал разрезался на диски диаметром 10 мм и толщиной 1 мм. Их поверхностная металлизация (толщиной 7-8 мкм) проводилась методом вжигания серебросодержащей пасты при температуре Tвжиг=1000 К в течение 0,3-0,6 ч. Образцы поляризовались при нагревании на воздухе с помощью установки ПВС-5 (напряженность поля 2-4 кВ/см).
Пример 2. Изготовление композиционного пьезокерамического материала.
Порошок фазы состава PbFe0,5Nb0,5O3 (фаза С) изготавливался из смеси оксидов свинца, ниобия и гидроксида Fe(III) (PbO + 0,25Fe2O3 · mH2O + 0,25 Nb2O5, где m=1-3) путем их смешения в планетарной мельнице и обжига пресс-заготовок при температурах 1100-1250 К (время обжига от 1,5 до 3 часов).
На втором этапе порошок, представляющий собой смесь фаз A и B, изготовленный по технологии, описанной в примере 1, смешивался с порошком PbFe0.5Nb0.5O3 (фаза С) в мольном отношении A : В : С=0,554:0,436:0,01 (Z-образный смеситель, время смешения 30 минут 3% водный раствор ПВС).
Пресс-заготовки, из полученных смесей компонентов (A + В + С) изготовлялись в виде столбиков диаметром 12 мм, высотой 10-15 мм. Их обжиг осуществлялся при Тсп=1350-1450 К. Длительность изотермической выдержки варьировалась от 1 до 1,5 часа. Спеченный материал разрезался на диски диаметром 10 мм и толщиной 1 мм. Их поверхностная металлизация (толщиной 7-8 мкм) проводилась методом вжигания серебросодержащей пасты при температуре Tвжиг=1000 К в течение 0,3-0,6 ч. Образцы поляризовались при нагревании на воздухе с помощью установки ПВС-5 (напряженность поля 2-4 кВ/см).
На рис. 1 приведена технологическая схема получения материала по примерам 1 и 2.
На рис. 2а показан порошок состава PbO + 0,1ZnO + 0,23NiO · nH2O + 0,33Nb2O5 после механической обработки прекурсоров.
На рис. 2б показан продукт предварительного обжига фаз A и В при мольном соотношении 0,56:0,44.
На рис. 3а) показаны сколы керамического композиционного пьезоматериала при составе (в мольных долях) А : В : С=0,525:0,415:0,06 (состав 5, таблица 2), формирующемся при: 1350 К (слева) - время обжига 2 часа; 1450 К (справа) - время обжига 1 час.
На рис. 4 приведены данные РФА керамики состава A : B : C=0,525:0,415:0,06 (в мольных долях), формирующемся при 1450 К (время обжига 1 час).
Аналогично примеру 1 синтезировались:
*(1a) сегнетофаза состава PbTi0,67Zr0,33O3 (фаза А) из смеси исходных оксидов (PbO + 0,33ZrO2 + 0,67TiO2) и параллельно сегнетофаза состава Pb(Zn0,24Ni0,76)0,33Nb0,67O3 (фаза В) из смеси исходных оксидов (PbO + 0,08ZnO + 0,25NiO · nH2O + 0,33Nb2O5), где n=1-3;
*(1б) сегнетофаза состава PbTi0,61.Zr0,39O3 (фаза А) из смеси исходных оксидов (PbO + 0,39ZrO2 + 0,61TiO2) и параллельно сегнетофаза Pb(Zn0,36Ni0,64)0,33Nb0,67O3 (фаза В) из смеси исходных оксидов PbO + 0,12ZnO + 0,22NiO · nH2O + 0,33Nb2O5, где n=1-3.
Аналогично примеру 2 получены:
- (2а) целевые продукты состава: (PbTi0,67Zr0,33O3) (фаза А) + Pb(Zn0,24Ni0,76)0,33Nb0,67O3 (фаза В) + PbFe0.5Nb0,5O3 (фаза С)
*в мольном отношении А : В : С=[(1-k/2)0,6]:[(1-k/2)0,46]:k, где k=0,1,
*в мольном отношении А : В : С=[(1-k/2)0,54]:[(1-k/2)0,4]:k, где k=0,1,
-(2б) целевые продукты состава: PbTi0,61Zr0,39O3 (фаза А) + Pb(Zn0,36Ni0,64)0,33Nb0,67O3 (фаза В) + PbFe0,5Nb0,5О3 (фаза С)
*в мольном отношении А : В : С=[(1-k/2)0,6[:[(1-k/2)0,46]:k, где k=0,1,
*в мольном отношении А : В : С=[(l-k/2)0,54[:[(l-k/2)0,4]:k, где k=0,1,
Пример 3. Аналогично примеру 2 получены целевые продукты состава (1-k/2)·0,44 Pb(Zn1-yNiy)0,33Nb0,67O3 - (1-k/2)·0,56 PbTi1-xZrxO3 - k PbFe0,5Nb0,5O3 при x=0,375, y=0,7, k=0,01-0,10 (таблица 2).
В таблице 3, приведены электрофизические свойства материалов по примерам 1 и 3 (составы 1-9). Для сравнения там же приведены характеристики материала по патенту РФ №2440954, выбранного в качестве ближайшего аналога.
Аналогичные результаты получены для других составов, приведенных в примерах 2 (а, б).
Электрофизические параметры композиционных пьезоэлектрических материалов: диэлектрическая проницаемость поляризованных образцов (εТ 33/ε), пьезомодули: (d31 и d33), коэффициенты электромеханической связи, тангенс угла диэлектрических потерь (tg) определяли в соответствии с ОСТ 11.0444-87. На основании полученных данных рассчитаны эффективные параметры материалов (таблица 4).
Данные, приведенные в таблицах 3 и 4, подтверждают преимущества предлагаемого пьезоэлектрического керамического материала по сравнению с материалом-прототипом, а именно повышение εТ 33/ε до 3850 и значений d33 до 800 пКл/Н, при сохранении высоких величин Кp>0,65. Одновременно приведенные параметры (d33/εТ 33/εo)/(d31/εT 33/εo) превосходят аналог на 25-30%, а по d33/(c3 D√εT 33/εo)/ d31/(c1 D√εT 33/εo) в среднем на 15%.
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что керамический композиционный пьезоматериал предлагаемого фазового состава обладает, в указанном интервале мольных долей компонентов, оптимальными, с точки зрения решаемой технической задачи, характеристиками.
Эффект, связанный с повышением указанных параметров, достигается за счет введения в двухфазный компонент (A + B) сегнетофазы релаксорного типа (PbFe0.5Nb0.5O3).
Из представленных данных следует, что технический результат изобретения достигается новой совокупностью существенных признаков, как новых, так и известных, следовательно, заявляемый композиционный пьезокерамический материал соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Предлагаемый композиционный пьезокерамический материал обеспечивает технический результат, не вызывает затруднений при изготовлении, предполагает использование доступных и дешевых исходных реагентов и стандартного оборудования, что свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Использованная литература
1. Прилипко Ю.С. Функциональная керамика. Оптимизация технологии / Ю.С. Прилипко // Донецк: Норд-Пресс, 2007. - 492 с.
2 Сорокин В.С, Антипов Б.Л., Лазарева Н.П. Материалы и элементы электронной техники. М. «Академия». 2006. Т. 2. 384 с.
3. Свердлин Г.М. Прикладная гидроакустика. Л. Судостроение. 1990. 356 с.
4. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики. М. Техносфера. 2006. 632 с.
5. Справочник по гидроакустике / А.П. Евтютов, А.Е. Колесников, Е.А. Корепин и др. Л. Судостроение, 1988. 552 с.
6. Магнитные и диэлектрические приборы / Под ред. Г.В. Катца. Ч. 1. М. Энергия. 1964. 416 с.
7. Дианов Д.Б., Кузнецов В.М. Влияние переходных слоев на частотные характеристики стержневых пьезопреобразователей // Изв. Ленингр. электротехн. ин-т. 1968. Вып. 63. С. 60-78.
8. Смарышев М.Д., Добровольский Ю.Ю. Гидроакустические антенны: сравочник. Л. Судостроение. 1984. 300 с.
9. Подводные электроакустические преобразователи: Справочник / Под ред. В.В. Богородского. Л.: Судостроение, 1983. 248 с.
10. Фесенко Е.Г., Данцигер А.Я., Разумовская О.Н., Филипьев B.C., Девликанова Р.У., Куприянов М.Ф., Гринева Л.Д., Рогач Т.В., Житомирский Г.А., Фельдман Н.Б., Смажевская Е.Г. Пьезокерамический материал. // Авторское свидетельство СССР №457320 от 20.09.1974 по заявке №1498579, приоритет от 22.12.1970, по МПК С04В 35/00.
11. Данцигер А.Я., Резниченко Л.А. и др. Высокоэффективные пьезокерамические материалы. Группа 4. Материалы со средней диэлектрической проницаемостью. Табл. 4. Материал ПКР-88. Справочник. - Ростов-на-Дону: АО “Книга”. 1994. - 30 с.
12. Резниченко Л.А. Автореферат дисс. д.ф. - м. н. - Ростов-на-Дону. 2002.
13. ОСТ 11 0444-87. Материалы пьезокерамические. Технические условия. Группа Э10. Введены 01.01.88. - М. 1987. - 141 С. Табл. 15 на стр. 116-117 с примечаниями на стр. 127.
14. Глозман И.А. Пьезокерамика. - М.: “Энергия”. 1967. - 272 С.
15. Ланин В. А. Старение пьезокерамики системы ЦТС под действием электромеханических и механических напряжений.
16. Автореферат диссертации «Высокоточные аналоговые и цифровые измерительные преобразователи давления» к.т.н. - Томск. 2006. - 21 С.
17. K. Iezumi, J. Yamazaki, T. Tsukada, N. Sakamoto, T. Sogabe, M. Nanao. Piezoelectric ceramic composition and liminated piezoelectric element. // European Patent Application EP 1772442 A1. 2006.
18. Резниченко Л.А., Разумовская О.H., Андрюшин К.П., Вербенко И.А., Андрюшина И.Н., Миллер А.И. Пьезоэлектрический керамический материал (патент РФ №2440954). Публикация патента 27.01.2012.
Claims (2)
1. Пьезокерамический материал, включающий
- фазу А, полученную из PbO, ZrO2 и TiO2 при следующем соотношении компонентов, в мольных долях (PbO : ZrO2 : TiO2) : [1:(0,33-0,39):(0,61-0,67)];
- фазу В, полученную из PbO, ZnO, NiO·nH2O и Nb2O5 при следующем соотношении компонентов, в мольных долях (PbO : ZnO : NiO·nH2O : Nb2O5) : [1:(0,08-0,12):(0,22-0,25):0,33], где n=1-3;
- фазу С, полученную из PbO, Fe2O3·mH2O и Nb2O5 при следующем соотношении компонентов, в мольных долях (PbO : Fe2O3·mH2O : Nb2O5) : [1:0,25:0,25], где m=1-3;
при содержании фаз А, В и С в системе, в мольных долях: [(1-k/2) (0,54-0,6) А] + [(1-k/2) (0.4-0.46) В] + [kC], где k=0,01-0,10.
- фазу А, полученную из PbO, ZrO2 и TiO2 при следующем соотношении компонентов, в мольных долях (PbO : ZrO2 : TiO2) : [1:(0,33-0,39):(0,61-0,67)];
- фазу В, полученную из PbO, ZnO, NiO·nH2O и Nb2O5 при следующем соотношении компонентов, в мольных долях (PbO : ZnO : NiO·nH2O : Nb2O5) : [1:(0,08-0,12):(0,22-0,25):0,33], где n=1-3;
- фазу С, полученную из PbO, Fe2O3·mH2O и Nb2O5 при следующем соотношении компонентов, в мольных долях (PbO : Fe2O3·mH2O : Nb2O5) : [1:0,25:0,25], где m=1-3;
при содержании фаз А, В и С в системе, в мольных долях: [(1-k/2) (0,54-0,6) А] + [(1-k/2) (0.4-0.46) В] + [kC], где k=0,01-0,10.
2. Пьезокерамический материал по п. 1, характеризующийся тем, что фаза А имеет состав PbTi1-x.ZrxO3, где х=0,33-0,39; фаза В имеет состав Pb(Zn1-yNiy)0,33Nb0,67O3, где у=0,64-0,76; фаза С имеет состав PbFe0,5Nb0,5O3.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015150312/03A RU2604359C1 (ru) | 2015-11-25 | 2015-11-25 | Композиционный пьезокерамический материал |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015150312/03A RU2604359C1 (ru) | 2015-11-25 | 2015-11-25 | Композиционный пьезокерамический материал |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2604359C1 true RU2604359C1 (ru) | 2016-12-10 |
Family
ID=57776976
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015150312/03A RU2604359C1 (ru) | 2015-11-25 | 2015-11-25 | Композиционный пьезокерамический материал |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2604359C1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0652189A1 (en) * | 1993-11-04 | 1995-05-10 | Mitsui Petrochemical Industries, Ltd. | Piezoelectric ceramics |
| RU2440954C2 (ru) * | 2010-03-10 | 2012-01-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Пьезооксид" (ООО "Пьезооксид") | Пьезоэлектрический керамический материал |
| US8142678B2 (en) * | 2005-08-23 | 2012-03-27 | Canon Kabushiki Kaisha | Perovskite type oxide material, piezoelectric element, liquid discharge head and liquid discharge apparatus using the same, and method of producing perovskite type oxide material |
| RU2498958C1 (ru) * | 2012-06-08 | 2013-11-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" | Пьезоэлектрический керамический материал |
-
2015
- 2015-11-25 RU RU2015150312/03A patent/RU2604359C1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0652189A1 (en) * | 1993-11-04 | 1995-05-10 | Mitsui Petrochemical Industries, Ltd. | Piezoelectric ceramics |
| US8142678B2 (en) * | 2005-08-23 | 2012-03-27 | Canon Kabushiki Kaisha | Perovskite type oxide material, piezoelectric element, liquid discharge head and liquid discharge apparatus using the same, and method of producing perovskite type oxide material |
| RU2440954C2 (ru) * | 2010-03-10 | 2012-01-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Пьезооксид" (ООО "Пьезооксид") | Пьезоэлектрический керамический материал |
| RU2498958C1 (ru) * | 2012-06-08 | 2013-11-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" | Пьезоэлектрический керамический материал |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5355148B2 (ja) | 圧電材料 | |
| CN101374782B (zh) | 压电陶瓷组合物 | |
| JP5929640B2 (ja) | 圧電磁器および圧電素子 | |
| JP4491537B2 (ja) | ペロブスカイト固溶体組成物およびこのものから得られる圧電セラミックス | |
| JP6365126B2 (ja) | 圧電組成物および圧電素子 | |
| JP2004075449A (ja) | 圧電磁器組成物、圧電磁器組成物の製造方法および圧電セラミック部品 | |
| US3518199A (en) | Piezoelectric ceramics | |
| US20120112607A1 (en) | Ceramic composition for piezoelectric actuator and piezoelectric actuator including the same | |
| JP2006206429A (ja) | 圧電性固溶体組成物及びこれを焼結した圧電セラミックス並びにこの圧電セラミックスを用いた圧電・誘電素子 | |
| KR930002641B1 (ko) | 강유전성 세라믹스 | |
| RU2604359C1 (ru) | Композиционный пьезокерамический материал | |
| JP2001181035A (ja) | 圧電セラミック組成物 | |
| RU2552509C2 (ru) | Пьезокерамический материал для изготовления слоистых гетероструктур | |
| JP3468461B2 (ja) | 圧電セラミック組成物 | |
| JP2009096668A (ja) | 圧電セラミックス | |
| JP4260410B2 (ja) | 圧電セラミックス | |
| EP4322233A1 (en) | Lead-free piezoelectric porcelain composition and piezoelectric element | |
| KR101768585B1 (ko) | 비납계 압전체 제조방법 및 그 제조방법으로 제조된 압전체 | |
| Zelikha et al. | PHASE STRUCTURE, DIELECTRIC AND PIEZOELECTRIC PROPERTIES OF MODIFIED-PZT CERAMICS NEAR THE MORPHOTROPIC PHASE BOUNDARY. | |
| JP2000264727A (ja) | 圧電セラミックス | |
| JP2000143340A (ja) | 圧電セラミックス | |
| KR20130090696A (ko) | 피지엔-피지티계 압전 세라믹 조성물 및 그 제조방법 | |
| KR20190079061A (ko) | 전계유기 변형특성이 우수한 무연 압전 세라믹스의 제조방법 | |
| JP2008239482A (ja) | 圧電磁器組成物、圧電磁器組成物の製造方法および圧電セラミック部品 | |
| JP2001048641A (ja) | 圧電磁器組成物 |