RU2623693C2 - Method of obtaining composite piezomaterial - Google Patents

Method of obtaining composite piezomaterial Download PDF

Info

Publication number
RU2623693C2
RU2623693C2 RU2015151735A RU2015151735A RU2623693C2 RU 2623693 C2 RU2623693 C2 RU 2623693C2 RU 2015151735 A RU2015151735 A RU 2015151735A RU 2015151735 A RU2015151735 A RU 2015151735A RU 2623693 C2 RU2623693 C2 RU 2623693C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
powder
porous
piezoelectric
ceramic
vol
Prior art date
Application number
RU2015151735A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2015151735A (en
Inventor
Анастасия Андреевна Науменко
Андрей Николаевич Рыбянец
Наталья Александровна Швецова
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Пироэлемент"
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 Общество с ограниченной ответственностью "Пироэлемент" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Пироэлемент"
Priority to RU2015151735A priority Critical patent/RU2623693C2/en
Publication of RU2015151735A publication Critical patent/RU2015151735A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2623693C2 publication Critical patent/RU2623693C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: mixed powder synthesized piezoceramic material with a blowing agent powder in a weight ratio, which ensures obtaining of a porous ceramic matrix with closed pores, by adding polyvinyl plasticiser, moulding and calcination of the workpiece, characterised in that the powder is used as a blowing agent powder crystalline corundum (α-Al2O3) with a mean particle size of 40-400 microns in an amount of 10-20 vol. %.
EFFECT: reduction in mechanical quality factor of the piezoceramic element.
2 cl, 3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к керамической технологии, а именно к способам получения и обработки пористой пьезокерамики и керамоматричных пьезокомпозитных элементов, и может быть использовано в широкополосных ультразвуковых преобразователях для неразрушающего контроля и диагностики, геофизики, медицинской диагностической и терапевтической аппаратуры, работающих в частотном диапазоне от 500 кГц до 5 МГц.The invention relates to ceramic technology, and in particular to methods for producing and processing porous piezoceramics and ceramic-matrix piezocomposite elements, and can be used in broadband ultrasonic transducers for non-destructive testing and diagnostics, geophysics, medical diagnostic and therapeutic equipment operating in the frequency range from 500 kHz to 5 MHz.

Уровень техникиState of the art

Возможности совершенствования свойств пьезокерамики путем изменения химического состава материала за истекшие 50 лет практически исчерпаны. В связи с потребностью улучшения свойств существующих материалов в последние десятилетия получили развитие технологии композиционных пьезоматериалов, которые позволяют изменять характеристики исходной пьезокерамики в широких пределах без изменения химического состава.The possibilities of improving the properties of piezoceramics by changing the chemical composition of the material over the past 50 years are almost exhausted. In connection with the need to improve the properties of existing materials in recent decades, the development of technology of composite piezoelectric materials, which allow you to change the characteristics of the original piezoceramics over a wide range without changing the chemical composition.

Одним из классов пьезоэлектрических композиционных материалов являются пористые пьезокерамики и керамоматричные композиты со связностью 3-3 или 3-0 на их основе.One of the classes of piezoelectric composite materials are porous piezoceramics and ceramic materials composites with a connectivity of 3-3 or 3-0 based on them.

За последние годы достигнут значительный прогресс в улучшении механических свойств керамических материалов с использованием технологии керамоматричных композитов. Конструкционные керамоматричные композиты с улучшенными механическими и термическими свойствами находят широкое применение в аэрокосмической, автомобильной и энергетической промышленности [1, 2].In recent years, significant progress has been made in improving the mechanical properties of ceramic materials using the technology of ceramic composite. Structural ceramic-matrix composites with improved mechanical and thermal properties are widely used in the aerospace, automotive and energy industries [1, 2].

Функциональные керамические композиты, в отличие от конструкционных исследованы значительно меньше и их использование в электронной промышленности весьма ограничено. Сравнительно недавно эффективные механизмы упрочнения конструкционных керамик были перенесены в область функциональных керамик для улучшения их механических и электрических свойств. Однако проблема компромисса свойств, а именно ухудшения пьезоэлектрических свойств композита вследствие изменения микроструктуры керамики (подавление роста зерен и, как следствие, зажатие и снижение подвижности доменов), в частности коэффициента электромеханической связи, остается нерешенной.Functional ceramic composites, unlike structural composites, are much less studied and their use in the electronics industry is very limited. More recently, effective hardening mechanisms of structural ceramics have been transferred to the field of functional ceramics to improve their mechanical and electrical properties. However, the problem of the compromise of properties, namely, the deterioration of the piezoelectric properties of the composite due to changes in the microstructure of ceramics (suppression of grain growth and, as a result, clamping and decreased mobility of the domains), in particular, the electromechanical coupling coefficient, remains unresolved.

Электрофизические свойства пористой пьезокерамики определяются свойствами пьезоматериала, пористостью, типом связности, формой и размером пор. В сравнении с беспористой керамикой цирконата-титаната свинца (ЦТС) для пористой пьезокерамики характерны пониженные значения акустического импеданса ZA, механической добротности QM, поперечного пьезомодуля d31 и коэффициентов связи k31 и kP при практически неизменном значении d33 и повышенные значения коэффициента связи kt, продольной и объемной пьезочувствительностей (g33 и gV), объемного пьезомодуля dV=d33+2d31 и фактора приема (dV gV). Поэтому пористые пьезокерамики успешно используют в акустических приемниках, гидрофонах, датчиках давления и ультразвуковых преобразователях (Лопатин С.С., Лупейко Т.Г. Свойства пористой пьезоэлектрической керамики типа цирконата-титаната свинца. Изв. АН СССР. Сер. Неорг. Матер. 1991. V. 27. N 9. С. 1948-1951) [3].The electrophysical properties of porous piezoceramics are determined by the properties of the piezoelectric material, porosity, type of connectivity, shape and size of pores. Compared to porous lead zirconate titanate (PZT) ceramics, porous piezoceramics are characterized by lower values of acoustic impedance Z A , mechanical Q factor Q M , transverse piezoelectric module d 31 and coupling coefficients k 31 and k P with almost unchanged value d 33 and increased values of the coefficient the relationship of k t , the longitudinal and volumetric piezoelectric sensitivities (g 33 and g V ), the volumetric piezoelectric module d V = d 33 + 2d 31 and the reception factor (d V g V ). Therefore, porous piezoceramics are successfully used in acoustic receivers, hydrophones, pressure sensors and ultrasonic transducers (Lopatin S.S., Lupeyko T.G. Properties of porous piezoelectric ceramics such as lead zirconate-titanate. Izv. AN SSSR. Ser. Inorg. Mater. 1991 V. 27. N 9. S. 1948-1951) [3].

Известны следующие способы получения пористой пьезокерамики, описанные в обзоре (Wersing W., Lubitz K., Moliaupt J. Dielectric, elastic and piezoelectric properties of porous PZT ceramics. Ferroelectrics. 1986. V. 68. N 1/4. P. 77-79) [4]:The following methods are known for producing porous piezoceramics described in a review (Wersing W., Lubitz K., Moliaupt J. Dielectric, elastic and piezoelectric properties of porous PZT ceramics. Ferroelectrics. 1986. V. 68. N 1/4. P. 77- 79) [4]:

1. Способ выжигания полимерных гранул (BURPS - burning out of plastic spheres). Порошок ЦТС и полимерные гранулы смешиваются с органическим связующим и прессуются в виде элементов необходимой формы. Полимерные гранулы выжигаются вместе со связующим при низкой температуре, после чего керамика спекается. Пористость образца легко варьируется размером и количеством полимерных гранул и может достигать 70%.1. A method of burning polymer granules (BURPS - burning out of plastic spheres). ZTS powder and polymer granules are mixed with an organic binder and pressed in the form of elements of the desired shape. The polymer granules are burned together with a binder at a low temperature, after which the ceramics are sintered. The porosity of the sample easily varies in size and number of polymer granules and can reach 70%.

2. Способ, основанный на использовании растворимых в воде гранул. Порошок ЦТС смешивается с растворимыми в воде гранулами и органическим связующим и формуются в виде необходимых элементов. Гранулы вымываются из пресс-заготовки водой, после чего керамика спекается.2. A method based on the use of water-soluble granules. ZTS powder is mixed with water-soluble granules and an organic binder and formed into the necessary elements. The granules are washed from the billet with water, after which the ceramic is sintered.

3. Способ полимерной пены. Суспензия, состоящая из порошка ЦТС смешанного с водой, приводится в реакцию с полимерным вспенивающим агентом для образования пористой заготовки, которая медленно сушится. Затем полимер выжигается, а керамика спекается. Этот метод позволяет получать керамические каркасы с пористостью до 95%.3. The method of polymer foam. The suspension, consisting of a PZT powder mixed with water, is reacted with a polymeric blowing agent to form a porous preform, which is slowly dried. Then the polymer is burned out, and the ceramic is sintered. This method allows to obtain ceramic frames with porosity up to 95%.

4. Криохимический способ, заключающийся в быстром замораживании смеси растворов солей с последующим удалением влаги сублимацией в вакууме и термическим разложением солевого продукта. Этот метод позволяет получать высокопористые керамические каркасы, состоящие из частиц размером 5-7 мкм с пористостью до 95%.4. The cryochemical method, which consists in quickly freezing a mixture of salt solutions, followed by moisture removal by sublimation in vacuum and thermal decomposition of the salt product. This method allows to obtain highly porous ceramic frames, consisting of particles with a size of 5-7 microns with a porosity of up to 95%.

5. Способы, основанные на термическом разложении гидроксидов, карбонатов, нитратов или оксалатов, органических соединений, а также химическом травлении и активации углерода.5. Methods based on the thermal decomposition of hydroxides, carbonates, nitrates or oxalates, organic compounds, as well as chemical etching and activation of carbon.

Известен также способ изготовления пористого пьезоэлектрического керамического материала, в котором с целью повышения воспроизводимости свойств порошок пьезокерамического материала смешивают с порошком порообразователя - карбоната лития в количестве 1-10 вес.%, добавляют поливиниловый пластификатор, прессуют заготовки и подвергают термообработке для выжигания порообразователя с последующим спеканием керамики (JP №1089486 (A), HO1L 41/22, HO1L 41/24, С04В 38/02, опубликовано 03.04.1985) [5].There is also known a method of manufacturing a porous piezoelectric ceramic material in which, in order to increase the reproducibility of properties, the powder of the piezoceramic material is mixed with a powder of a porogen-lithium carbonate in an amount of 1-10 wt.%, Polyvinyl plasticizer is added, the blanks are pressed and heat treated to burn the porogen, followed by sintering ceramics (JP No. 1089486 (A), HO1L 41/22, HO1L 41/24, C04B 38/02, published 04/03/1985) [5].

При выжигании карбонат лития разлагается с выделением двуокиси углерода, однако оставшийся литий вступает в реакцию с компонентами керамики с образованием локальных неравномерно расположенных легированных областей, что изменяет свойства пьезокерамики неконтролируемым образом. Малое количество порообразователя не позволяет получить микропористую керамику с пористостью выше 10%, что ограничивет возможность улучшения электрофизических параметров пьезокерамики и применения в широкополосных низкочастотных устройствах с рабочей частотой в диапазоне от 1 кГц до 2 МГц.When burned, lithium carbonate decomposes with the release of carbon dioxide, however, the remaining lithium reacts with ceramic components to form local unevenly distributed doped regions, which changes the properties of piezoceramics in an uncontrolled manner. A small amount of a pore-forming agent does not allow obtaining microporous ceramics with a porosity higher than 10%, which will limit the possibility of improving the electrophysical parameters of piezoceramics and application in wideband low-frequency devices with an operating frequency in the range from 1 kHz to 2 MHz.

Модификацией описанного выше способа является способ изготовления пористой пьезоэлектрической керамики с градиентной пористостью 3-50% (CN №1953226 (A), HO1L 41/187, С04В 35/622, опубликовано 25.04.2007) [6], заключающийся в формировании 3-5 слоев пористой керамики толщиной 0,2-0,5 мм с различным содержанием органического порообразователя 0-50%. Увеличение пористости по толщине образца позволяет уменьшить акустический импеданс пористого ультразвукового преобразователя для акустического согласования с биологическими тканями или водой. Однако описанный способ не пригоден для массового производства и не позволяет получать пьезоэлементы достаточной толщины для широкополосных ультразвуковых преобразователей.A modification of the above method is a method of manufacturing a porous piezoelectric ceramic with a gradient porosity of 3-50% (CN No. 1953226 (A), HO1L 41/187, C04B 35/622, published April 25, 2007) [6], which consists in the formation of 3-5 layers of porous ceramics with a thickness of 0.2-0.5 mm with a different content of organic blowing agent 0-50%. An increase in porosity over the thickness of the sample allows one to reduce the acoustic impedance of the porous ultrasonic transducer for acoustic matching with biological tissues or water. However, the described method is not suitable for mass production and does not allow to obtain piezoelectric elements of sufficient thickness for broadband ultrasonic transducers.

Известен также способ изготовления пористой пьезоэлектрической керамики, основанный на термическом разложении органических соединений (JP №4024971 (A), HO1L 41/24, опубликовано 28.01.1992) [7]. С целью предотвращения образования трещин при спекании керамики синтезированный порошок пьезокерамики PZT смешивают с порообразователем в виде порошка сферических частиц парафина диаметром 900 мкм в количестве 10-20 вес.% с последующим выжиганием и спеканием пористой керамики. В результате получают крупнопористую структуру керамики с закрытой пористостью (связность 3-0) для низкочастотных ультразвуковых преобразователей. Малое количество порообразователя не позволяет получить микропористую керамику с относительной пористостью выше 10%, что ограничивет возможность улучшения электрофизических параметров пьезокерамики и применения в широкополосных устройствах с рабочей частотой от 1 кГц до 2 МГц. Увеличение количества порообразователя и уменьшение размера сферических частиц порошка парафина приводит к слипанию частиц, неравномерному распределению пор, образованию сквозных отверстий и невозможности получения пьезоматериала. Наиболее близким по способу формирования пористого керамического каркаса и достигаемому результату к заявляемому изобретению является способ получения композиционного пьезоматериала, заключающийся в использовании в качестве порошка порообразователя предварительно спеченного исходного пьезокерамического материала (RU №2414017 C1, HO1L 41/24, опубликовано 10.03.2011) [8], принимаемый за прототип. Способ осуществляется следующим образом. В исходный синтезированный порошок пьезокерамики цирконата-титаната свинца Pb0,95Sr0,05Ti0,47Zr0,53O3+1%Nb2O5 добавляют порообразователь в виде порошка предварительно спеченного пьезокерамического материала этого же состава с размером частиц 10-20 мкм в количестве 40-60 вес.%. После приготовления шихты, формования с добавлением пластификатора и обжига заготовок в муфельной печи получают пористый пьезокерамический материал. При спекании заготовок композиционного материала безусадочная фаза (частицы предварительно спеченного пьезоматериала) препятствует усадке исходного синтезированного пьезокерамического материала, что приводит к появлению микропористости за счет микроразрывов сплошной керамической матрицы. В результате получают микропористый композиционный пьезоматериал с размером пор 1-5 мкм и пористостью 15-20%.There is also a known method of manufacturing a porous piezoelectric ceramic based on the thermal decomposition of organic compounds (JP No. 4024971 (A), HO1L 41/24, published January 28, 1992) [7]. In order to prevent cracking during sintering of ceramics, the synthesized PZT piezoceramics powder is mixed with a pore former in the form of a powder of spherical particles of paraffin with a diameter of 900 μm in an amount of 10-20 wt.%, Followed by burning and sintering of porous ceramics. The result is a large-porous structure of ceramics with closed porosity (3-0 connectivity) for low-frequency ultrasonic transducers. A small amount of a pore-forming agent does not allow obtaining microporous ceramics with a relative porosity of more than 10%, which will limit the possibility of improving the electrophysical parameters of piezoceramics and use in broadband devices with an operating frequency from 1 kHz to 2 MHz. An increase in the number of pore former and a decrease in the size of spherical particles of paraffin powder leads to particle sticking, uneven pore distribution, the formation of through holes and the inability to obtain a piezomaterial. The closest in the method of forming a porous ceramic frame and the achieved result to the claimed invention is a method for producing a composite piezoelectric material, which consists in using a pre-sintered initial piezoelectric ceramic material as a pore former (RU No. 2414017 C1, HO1L 41/24, published March 10, 2011) [8 ] taken as a prototype. The method is as follows. In the initial synthesized powder of piezoelectric ceramics of lead zirconate titanate Pb 0.95 Sr 0.05 Ti 0.47 Zr 0.53 O 3 + 1% Nb 2 O 5 add a pore former in the form of a powder of pre-sintered piezoceramic material of the same composition with a particle size of 10 -20 microns in an amount of 40-60 wt.%. After preparing the mixture, molding with the addition of a plasticizer and firing the blanks in a muffle furnace, a porous piezoceramic material is obtained. During sintering of composite material blanks, the non-shrinking phase (particles of pre-sintered piezoelectric material) prevents shrinkage of the initial synthesized piezoceramic material, which leads to the appearance of microporosity due to micro-fractures of the continuous ceramic matrix. The result is a microporous composite piezomaterial with a pore size of 1-5 μm and a porosity of 15-20%.

Содержание спеченных гранул в микропористом композиционном материале в количестве 40-60 вес.% обеспечивает дополнительное рассеяние высокочастотного ультразвука на плотных гранулах на частоте 10-20 МГц, приводящее к снижению механической добротности QM до 20-40 и, следовательно, расширению рабочей полосы пропускания ультразвукового преобразователя. Однако такое снижение механической добротности QM является недостаточным даже для высокочастотных колебаний, а для низкочастотных преобразователей не наблюдается в принципе из-за большого отношения длин волн к размеру спеченных гранул и низкого акустического контраста (спеченные гранулы и керамическая матрица имеют одинаковый химический состав, плотность и упругие свойства).The content of sintered granules in the microporous composite material in an amount of 40-60 wt.% Provides additional scattering of high-frequency ultrasound on dense granules at a frequency of 10-20 MHz, leading to a decrease in the mechanical quality factor Q M to 20-40 and, consequently, the expansion of the working bandwidth of the ultrasonic transducer. However, such a decrease in the mechanical quality factor Q M is insufficient even for high-frequency vibrations, and for low-frequency converters it is not observed in principle because of the large ratio of wavelengths to the size of sintered granules and low acoustic contrast (sintered granules and ceramic matrix have the same chemical composition, density and elastic properties).

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задачей настоящего изобретения является создание способа получения композиционного пьезоматериала с микропористой керамической матрицей для широкополосных ультразвуковых преобразователей, работающих в диапазоне частот от 500 кГц до 5 МГц.The objective of the present invention is to provide a method for producing a composite piezoelectric material with a microporous ceramic matrix for broadband ultrasonic transducers operating in the frequency range from 500 kHz to 5 MHz.

Задача решена с достижением нового технического результата - снижения механической добротности пьезокерамического элемента QM<5 за счет введения в шихту пьезокерамического материала безусадочного непьезоактивного наполнителя с высоким акустическим контрастом (различие плотности и скорости звука в материалах матрицы и наполнителя), препятствующего усадке пьезокерамической матрицы при спекании и приводящего к формированию микропористой матрицы с включениями в виде частиц корунда, рассеивающих ультразвуковую волну.The problem was solved with the achievement of a new technical result - a decrease in the mechanical quality factor of the piezoceramic element Q M <5 due to the introduction of a non-shrink non-piezoactive filler with high acoustic contrast (the difference in the density and speed of sound in the matrix and filler materials), preventing the shrinkage of the piezoceramic matrix during sintering and leading to the formation of a microporous matrix with inclusions in the form of corundum particles scattering the ultrasonic wave.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе получения пористого композиционного пьезоматериала, заключающемся в смешивании порошка пьезокерамического материала с порошком порообразователя в весовом соотношении, обеспечивающем получение пористой керамической матрицы с закрытыми порами, добавлении поливинилового пластификатора, прессовании и обжиге заготовки, согласно изобретению в качестве порошка порообразователя используется порошок кристаллического корунда (α-Al2O3) со средним размером частиц D, близким длине ультразвуковой волны λ (0,1λ<D<λ) в пьезоэлементе в количестве 10-20 об.%. В заявленном диапазоне частот от 500 кГц до 5 МГц (λ=8 и 0,8 мм соответственно) средний размер частиц α-Al2O3 изменяется от 400 до 40 мкм.The specified technical result is achieved by the fact that in the known method for producing a porous composite piezoelectric material, which consists in mixing a piezoceramic material powder with a pore-forming powder in a weight ratio, providing a porous ceramic matrix with closed pores, adding a polyvinyl plasticizer, pressing and calcining the preform according to the invention as pore former powder, crystalline corundum powder (α-Al 2 O 3 ) with an average particle size D, bl a short ultrasonic wavelength λ (0.1λ <D <λ) in a piezoelectric element in an amount of 10-20 vol.%. In the claimed frequency range from 500 kHz to 5 MHz (λ = 8 and 0.8 mm, respectively), the average particle size of α-Al 2 O 3 varies from 400 to 40 microns.

В частном случае выполнения способа в качестве исходного пьезокерамического материала используется состав цирконата-титаната свинца PbTi0,6Zr0,336W0,006Mn0,0233Nb0,0347O3.In the particular case of the method, the composition of lead zirconate titanate PbTi 0.6 Zr 0.336 W 0.006 Mn 0.0233 Nb 0.0347 O 3 is used as the starting piezoceramic material.

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 приведена оптическая микрофотография пористого композиционного пьезоматериала, полученного заявляемым способом, где 1 - частица α-Al2O3, 2 - микропористая керамическая матрица PbTi0,6Zr0,336W0,006Mn0,0233Nb0,0347O3, 3 - микропора.In FIG. 1 shows an optical micrograph of a porous composite piezoelectric material obtained by the claimed method, where 1 is a particle of α-Al 2 O 3 , 2 is a microporous ceramic matrix PbTi 0.6 Zr 0.336 W 0.006 Mn 0.0233 Nb 0.0347 O 3 , 3 is micropore .

На фиг. 2 приведена зависимость коэффициента усадки KU diam. по диаметру образца пористого композиционного пьезоматериала PbTi0,6Zr0,336W0,006Mn0,0233Nb0,0347O3, полученного заявляемым способом, от содержания частиц α-Al2O3 об.%.In FIG. 2 shows the dependence of the shrinkage coefficient K U diam. by the diameter of the sample of the porous composite piezoelectric material PbTi 0.6 Zr 0.336 W 0.006 Mn 0.0233 Nb 0.0347 O 3 obtained by the claimed method, from the content of particles α-Al 2 O 3 vol.%.

На фиг. 3 приведены зависимости относительной пористости Р %, расчетной ρtheor. и измеренной ρexper. - плотности пористого композиционного пьезоматериала PbTi0,6Zr0,336W0,006Mn0,0233Nb0,0347O3, полученного заявляемым способом, от содержания α-Al2O3 об.% .In FIG. Figure 3 shows the dependences of the relative porosity P%, calculated ρ theor. and measured ρ exper. the density of the porous composite piezoelectric material PbTi 0.6 Zr 0.336 W 0.006 Mn 0.0233 Nb 0.0347 O 3 obtained by the claimed method, the content of α-Al 2 O 3 vol.%.

В таблице приведены электрофизические параметры пористого композиционного пьезоматериала PbTi0,6Zr0,336W0,006Mn0,0233Nb0,0347O3, полученного заявляемым способом, при различном содержании частиц α-Al2O3 об.% .The table shows the electrophysical parameters of the porous composite piezoelectric material PbTi 0.6 Zr 0.336 W 0.006 Mn 0.0233 Nb 0.0347 O 3 obtained by the claimed method, with different particle contents of α-Al 2 O 3 vol.%.

Способ осуществляется следующим образом. В исходный синтезированный порошок пьезокерамики цирконата-титаната свинца PbTi0,6Zr0,336W0,006Mn0,0233Nb0,0347O3 добавляют порообразователь в виде порошка кристаллического корунда (α-Al2O3) со средним размером частиц 150 мкм в количестве 10-20 об.% и смешивают в шаровой мельнице в течение 12 часов для получения однородной массы. К полученной шихте добавляют 5% водный раствор поливинилового пластификатора, тщательно перемешивают и формуют в металлической прессформе под давлением. Затем полученные заготовки спекают при температуре 1240°C в муфельной печи. При спекании заготовок композиционного материала безусадочная фаза (частицы α-Al2O3) препятствует усадке исходного синтезированного пьезокерамического материала, что приводит к появлению микропористости за счет микроразрывов сплошной керамической матрицы. В результате получают микропористый композиционный пьезоматериал с размером пор 1-5 мкм и пористостью 15-20%.The method is as follows. In the initial synthesized powder of piezoelectric ceramics of lead zirconate titanate PbTi 0.6 Zr 0.336 W 0.006 Mn 0.0233 Nb 0.0347 O 3 add a pore former in the form of a powder of crystalline corundum (α-Al 2 O 3 ) with an average particle size of 150 μm in quantity 10-20 vol.% And mixed in a ball mill for 12 hours to obtain a homogeneous mass. A 5% aqueous solution of polyvinyl plasticizer is added to the resulting mixture, mixed thoroughly and molded in a metal mold under pressure. Then, the obtained preforms are sintered at a temperature of 1240 ° C in a muffle furnace. During sintering of composite material blanks, the non-shrinking phase (α-Al 2 O 3 particles) prevents the initial synthesized piezoceramic material from shrinking, which leads to the appearance of microporosity due to micro-fractures of the continuous ceramic matrix. The result is a microporous composite piezomaterial with a pore size of 1-5 μm and a porosity of 15-20%.

Содержание частиц α-Al2O3 со средним размером 150 мкм в микропористом композиционном материале в количестве 10-20 об.% обеспечивает дополнительное рассеяние высокочастотного ультразвука на частицах α-Al2O3, обладающих высоким акустическим контрастом (плотность α-Al2O3 и пьезокерамики цирконата-титаната свинца 4 и 8 г/см3, а скорость звука 4000 и 11200 м/с соответственно), приводящее к снижению механической добротности QM и, следовательно, расширению рабочей полосы пропускания ультразвуковых преобразователей.The content of particles of α-Al 2 O 3 with an average size of 150 μm in the microporous composite material in an amount of 10-20 vol.% Provides additional scattering of high-frequency ultrasound on particles of α-Al 2 O 3 having high acoustic contrast (density α-Al 2 O 3 and piezoelectric ceramics of lead zirconate titanate 4 and 8 g / cm 3 , and the speed of sound 4000 and 11200 m / s, respectively), leading to a decrease in the mechanical quality factor Q M and, consequently, to an increase in the working passband of ultrasonic transducers.

Для измерения электрофизических параметров из полученного материала изготавливались диски диаметром 20 мм и толщиной 1 мм. На основные поверхности дисков наносились электроды методом вжигания серебросодержащей пасты. Диски поляризовались в силиконовом масле при температуре 170°C в течение 30 минут в поле 3 кВ/мм. Измерение электрофизических параметров, коэффициента усадки, плотности и относительной пористости микропористого композиционного пьезоматериала проводилось стандартными методами в соответствии с ОСТ 11 0444-87: Материалы пьезокерамические. [9].To measure the electrophysical parameters, disks with a diameter of 20 mm and a thickness of 1 mm were made from the obtained material. Electrodes were deposited onto the main surfaces of the disks by burning silver-containing paste. The disks were polarized in silicone oil at a temperature of 170 ° C for 30 minutes in a field of 3 kV / mm. The measurement of electrophysical parameters, shrinkage coefficient, density and relative porosity of the microporous composite piezoelectric material was carried out by standard methods in accordance with OST 11 0444-87: Piezoceramic materials. [9].

Как видно из фиг. 1, пористый композиционный пьезоматериал, представляющий собой композиционную структуру с пористой керамической матрицей, содержащей частицы α-Al2O3 со средним размером 150 мкм в количестве 20 об.% является неоднородной акустической структурой, которая может эффективно рассевать ультразвуковые волны определенных частот.As can be seen from FIG. 1, a porous composite piezoelectric material, which is a composite structure with a porous ceramic matrix containing particles of α-Al 2 O 3 with an average size of 150 μm in an amount of 20 vol.% Is an inhomogeneous acoustic structure that can effectively scatter ultrasonic waves of certain frequencies.

Как видно из фиг. 2, коэффициент усадки пористого композиционного материала KU diam. быстро уменьшается с 1,18 до 1,02 с увеличением концентрации частиц предварительно спеченного пьезоматериала от 0 до 60 об.%, что обусловлено увеличением концентрации безусадочной фазы в керамической матрице.As can be seen from FIG. 2, the shrinkage coefficient of the porous composite material K U diam. rapidly decreases from 1.18 to 1.02 with an increase in the concentration of particles of pre-sintered piezomaterial from 0 to 60 vol.%, which is due to an increase in the concentration of non-shrink phase in the ceramic matrix.

Как видно из фиг. 3, расчетная плотность ρtheor. композиционного материала при изменении содержания частиц α-Al2O3 от 0 до 60 об.% изменяется линейно от 8 г/см3 до 5,5 г/см3. В то же время, измеренная плотность ρexper. пористого композиционного пьезоматериала уменьшается от 8 г/см3 до 4 г/см3, а относительная пористость керамического композита Р% быстро увеличивается с ростом концентрации α-Al2O3 от 0 до 10 об.% , а при дальнейшем увеличении содержания α-Al2O3 до 60 об.% растет практически линейно.As can be seen from FIG. 3, the estimated density ρ theor. composite material when changing the particle content of α-Al 2 O 3 from 0 to 60 vol.% varies linearly from 8 g / cm 3 to 5.5 g / cm 3 . At the same time, the measured density is ρ exper. the porous composite piezomaterial decreases from 8 g / cm 3 to 4 g / cm 3 and the relative porosity of the ceramic composite P% rapidly increases with increasing concentration of α-Al 2 O 3 from 0 to 10 vol.%, and with a further increase in the content of α- Al 2 O 3 up to 60 vol.% Grows almost linearly.

Как следует из таблицы, полученный в соответствии с заявленным способом микропористый композиционный пьезоматериал с содержанием частиц α-Al2O3 10-20 об.% имеет относительную микропористость 10-20% закрытого типа, высокие значения продольного пьезоэлектрического модуля d33 и коэффициента электромеханической связи толщиной моды колебаний kt, превосходящие соответствующие значения для исходного пьезокерамического материала, при пониженных значениях коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний kp, поперечного пьезомодуля d31 и механической добротности QM, что необходимо для создания широкополосных ультразвуковых преобразователей с высокой эффективностью, чувствительностью и разрешающей способностью, работающих в диапазоне частот 500 кГц - 5 МГц.As follows from the table, obtained in accordance with the claimed method, the microporous composite piezomaterial with a particle content of α-Al 2 O 3 10-20 vol.% Has a relative microporosity of 10-20% of the closed type, high values of the longitudinal piezoelectric module d 33 and the electromechanical coupling coefficient the thickness of the vibration mode k t exceeding the corresponding values for the initial piezoceramic material, with reduced values of the coefficient of electromechanical coupling of the planar vibration mode k p transverse to the piezoelectric mode For d 31 and mechanical quality factor Q M , which is necessary for creating broadband ultrasonic transducers with high efficiency, sensitivity and resolution, operating in the frequency range 500 kHz - 5 MHz.

Содержание частиц α-Al2O3 менее 10 об.% не обеспечивает достаточной пористости и понижения механической добротности и поперечных пьезоэлектрических и электромеханических коэффициентов. При увеличении содержания частиц α-Al2O3 выше 20 об.% пьезоэлектрические и электромеханические характеристики пористого композиционного материала ухудшаются.The content of particles of α-Al 2 O 3 less than 10 vol.% Does not provide sufficient porosity and lower mechanical quality and transverse piezoelectric and electromechanical coefficients. With an increase in the particle content of α-Al 2 O 3 above 20 vol.%, The piezoelectric and electromechanical characteristics of the porous composite material deteriorate.

Оптимальное содержание частиц α-Al2O3 в микропористом композиционном материале в количестве 10-20 об.% при среднем размере частиц 150 мкм обеспечивает дополнительное рассеяние ультразвука на частицах α-Al2O3, которое на частоте 2 МГц приводит к снижению механической добротности до рекордных значений QM=2-3 и позволяет получить широкополосные ультразвуковые преобразователи без дополнительного демпфирования пьезоэлемента.The optimum content of particles of α-Al 2 O 3 in the microporous composite material in an amount of 10-20 vol.% With an average particle size of 150 μm provides additional ultrasound scattering on particles of α-Al 2 O 3 , which at a frequency of 2 MHz leads to a decrease in mechanical quality factor to record values of Q M = 2-3 and allows you to get broadband ultrasonic transducers without additional damping of the piezoelectric element.

Заявляемый способ является универсальным и позволяет получать микропористые композиционные пьезоматериалы на основе любых пьезокерамических составов, получаемых по обычной керамической технологии (например, цирконат титаната свинца, титанат свинца, мета- и магнониобат свинца и др.). Полученные композиционные пьезоматериалы могут быть использованы для изготовления широкополосных ультразвуковых преобразователей, работающих в частотном диапазоне 500 кГц - 5 МГц.The inventive method is universal and allows you to get microporous composite piezoelectric materials based on any piezoceramic compositions obtained by conventional ceramic technology (for example, lead titanate zirconate, lead titanate, lead meta- and magnoniobate, etc.). The obtained composite piezomaterials can be used for the manufacture of broadband ultrasonic transducers operating in the frequency range 500 kHz - 5 MHz.

Источники информацииInformation sources

1. Yang В., Chen Х.М. Alumina ceramics toughened by piezoelectric secondary phase. J. Eur. Cer. Soc. 2000. V. 20. P. 1687-1690.1. Yang V., Chen H.M. Alumina ceramics toughened by piezoelectric secondary phase. J. Eur. Cer. Soc. 2000. V. 20. P. 1687-1690.

2. Xiang P.-H., Dong X.-L., Chen H., Zhang Z., Guo J.-K. Mechanical and electrical properties of small amount of oxides reinforced PZT ceramics. Ceramics International. 2003. V. 29. P. 499-503.2. Xiang P.-H., Dong X.-L., Chen H., Zhang Z., Guo J.-K. Mechanical and electrical properties of small amount of oxides reinforced PZT ceramics. Ceramics International. 2003. V. 29. P. 499-503.

3. Лопатин С.С, Лупейко Т.Г. Свойства пористой пьезоэлектрической керамики типа цирконата-титаната свинца. Изв. АН СССР. Сер. Неорг. Матер. 1991. V. 27. N9. С. 1948-1951.3. Lopatin S.S., Lupeyko T.G. Properties of porous piezoelectric ceramics such as lead zirconate titanate. Izv. USSR Academy of Sciences. Ser. Inorg. Mater. 1991. V. 27. N9. S. 1948-1951.

4. Wersing W., Lubitz K., Moliaupt J. Dielectric, elastic and piezoelectric properties of porous PZT ceramics. Ferroelectrics. 1986. V. 68. N 1/4. P. 77-79.4. Wersing W., Lubitz K., Moliaupt J. Dielectric, elastic and piezoelectric properties of porous PZT ceramics. Ferroelectrics. 1986. V. 68. N 1/4. P. 77-79.

5. JP №1089486 (A), HO1L 41/22, HO1L 41/24, C04B 38/02, опубликовано 03.04.1985.5. JP No. 1089486 (A), HO1L 41/22, HO1L 41/24, C04B 38/02, published 04/03/1985.

6. CN №1953226 (A), HO1L 41/187, C04B 35/622, опубликовано 25.04.2007.6. CN No. 1953226 (A), HO1L 41/187, C04B 35/622, published 04/25/2007.

7. JP №4024971 (A), HO1L 41/24, опубликовано 28.01.1992.7. JP No. 4024971 (A), HO1L 41/24, published January 28, 1992.

8. RU №2414017 C1, HO1L 41/24, опубликовано 10.03.2011 – прототип.8. RU No. 2414017 C1, HO1L 41/24, published on 03/10/2011 - prototype.

9. OCT 11 0444-87: Материалы пьезокерамические.9. OCT 11 0444-87: Piezoceramic materials.

Figure 00000001
Figure 00000001

Claims (2)

1. Способ получения композиционного пьезоматериала, заключающийся в смешивании синтезированного порошка пьезокерамического материала с порошком порообразователя в весовом соотношении, обеспечивающем получение пористой керамической матрицы с закрытыми порами, добавлении поливинилового пластификатора, прессовании и обжиге заготовки, отличающийся тем, что в качестве порошка порообразователя используется порошок кристаллического корунда (α-Al2O3) со средним размером частиц 40-400 мкм в количестве 10-20 об.%.1. A method of obtaining a composite piezomaterial, which consists in mixing the synthesized powder of a piezoelectric material with a pore-forming powder in a weight ratio, providing a porous ceramic matrix with closed pores, adding a polyvinyl plasticizer, pressing and firing the workpiece, characterized in that crystalline powder is used as a pore-forming powder corundum (α-Al 2 O 3 ) with an average particle size of 40-400 microns in an amount of 10-20 vol.%. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве исходного пьезокерамического материала используется состав цирконата-титаната свинца PbTi0,6Zr0,336W0,006Mn0,0233Nb0,0347O3.2. The method according to p. 1, characterized in that the composition of lead zirconate titanate PbTi 0.6 Zr 0.336 W 0.006 Mn 0.0233 Nb 0.0347 O 3 is used as the starting piezoceramic material.
RU2015151735A 2015-12-03 2015-12-03 Method of obtaining composite piezomaterial RU2623693C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015151735A RU2623693C2 (en) 2015-12-03 2015-12-03 Method of obtaining composite piezomaterial

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015151735A RU2623693C2 (en) 2015-12-03 2015-12-03 Method of obtaining composite piezomaterial

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015151735A RU2015151735A (en) 2017-06-08
RU2623693C2 true RU2623693C2 (en) 2017-06-28

Family

ID=59031609

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015151735A RU2623693C2 (en) 2015-12-03 2015-12-03 Method of obtaining composite piezomaterial

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2623693C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2693205C1 (en) * 2018-07-17 2019-07-01 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" Method of producing flexible composite piezoelectric material and charge for its implementation
RU2713835C1 (en) * 2019-05-22 2020-02-07 Мария Андреевна Луговая Composite piezoelectric material producing method

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU996392A1 (en) * 1979-05-08 1983-02-15 Опытный Завод Физико-Химического Института Ан Усср Process for producing piezoelectric ceramic material
WO1992000182A1 (en) * 1990-06-29 1992-01-09 Flexline Services Ltd. A process for manufacturing reinforced composites and filament material for use in said process
JPH0424971A (en) * 1990-05-16 1992-01-28 Oki Electric Ind Co Ltd Manufacture of porous piezoelectric ceramic
RU2414017C1 (en) * 2010-03-10 2011-03-10 Общество с ограниченной ответственностью "ПьезоТех" (ООО "ПьезоТех") Method of producing composite piezoelectric material
US20110240908A1 (en) * 2010-03-31 2011-10-06 MALAXIT Co. Electret composites polymer-piezoelectric with deep trapping centers on the interphase boundary

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU996392A1 (en) * 1979-05-08 1983-02-15 Опытный Завод Физико-Химического Института Ан Усср Process for producing piezoelectric ceramic material
JPH0424971A (en) * 1990-05-16 1992-01-28 Oki Electric Ind Co Ltd Manufacture of porous piezoelectric ceramic
WO1992000182A1 (en) * 1990-06-29 1992-01-09 Flexline Services Ltd. A process for manufacturing reinforced composites and filament material for use in said process
RU2414017C1 (en) * 2010-03-10 2011-03-10 Общество с ограниченной ответственностью "ПьезоТех" (ООО "ПьезоТех") Method of producing composite piezoelectric material
US20110240908A1 (en) * 2010-03-31 2011-10-06 MALAXIT Co. Electret composites polymer-piezoelectric with deep trapping centers on the interphase boundary

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2693205C1 (en) * 2018-07-17 2019-07-01 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" Method of producing flexible composite piezoelectric material and charge for its implementation
RU2713835C1 (en) * 2019-05-22 2020-02-07 Мария Андреевна Луговая Composite piezoelectric material producing method

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015151735A (en) 2017-06-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Roncari et al. A microstructural study of porous piezoelectric ceramics obtained by different methods
Jain et al. Dielectric and piezoelectric properties of PVDF/PZT composites: A review
Lous et al. Fabrication of piezoelectric ceramic/polymer composite transducers using fused deposition of ceramics
Zhou et al. Piezoelectric films for high frequency ultrasonic transducers in biomedical applications
RU2414017C1 (en) Method of producing composite piezoelectric material
US10751756B2 (en) Porosity control in piezoelectric films
Jadidian et al. 25 MHz ultrasonic transducers with lead-free piezoceramic, 1-3 PZT fiber-epoxy composite, and PVDF polymer active elements
RU2713835C1 (en) Composite piezoelectric material producing method
JP2008150247A (en) Manufacturing method of piezoelectric ceramic, piezoelectric ceramic, and piezoelectric element
FR2472548A1 (en) PROCESS FOR PRODUCING CERAMIC MATERIALS WITH ANASTOMOSED PORES AND PRODUCTS OBTAINED
Liu et al. Processing and properties of porous PZT ceramics from particle‐stabilized foams via gel casting
Rybyanets et al. Nanoparticles transport in ceramic matriсes: A novel approach for ceramic matrix composites fabrication
RU2623693C2 (en) Method of obtaining composite piezomaterial
Pinheiro et al. A concise review encircling lead free porous piezoelectric ceramics
JP2008258183A (en) Piezoelectric ceramic material including production process and application
US5505870A (en) Piezoelectric ceramic-polymer composite material and method for preparing the same
Rybyanets et al. Nanoparticles transport using polymeric nano-and microgranules: novel approach for advanced material design and medical applications
Chen et al. Preparation and properties of polymer matrix piezoelectric composites containing aligned BaTiO 3 whiskers
US8410664B2 (en) Method for changing ultrasound wave frequency by using the acoustic matching layer
Lal et al. Effect of sintering parameters on the microstructure and properties of strontium modified PZT ceramics prepared using spray-dried powders
JP4934695B2 (en) Cordierite molded body and method for producing the same
Hosono et al. Piezoelectric ceramics and single crystals for ultrasonic medical transducers
Craciun et al. Electro-elastic properties of porous piezoelectric ceramics obtained by tape casting
Kakimoto et al. Processing of Piezoelectric (Li, Na, K) NbO3 Porous Ceramics and (Li, Na, K) NbO3/KNbO3 Composites
JP2006315927A (en) Piezoelectric ceramic having dielectric and piezoelectric property and prepared by sintering nano-size barium titanate powder, its manufacturing method, and piezoelectric vibrator using it

Legal Events

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

Effective date: 20181204