RU2624473C1 - Пьезокерамический материал - Google Patents

Пьезокерамический материал Download PDF

Info

Publication number
RU2624473C1
RU2624473C1 RU2016119679A RU2016119679A RU2624473C1 RU 2624473 C1 RU2624473 C1 RU 2624473C1 RU 2016119679 A RU2016119679 A RU 2016119679A RU 2016119679 A RU2016119679 A RU 2016119679A RU 2624473 C1 RU2624473 C1 RU 2624473C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
increased
piezoelectric
piezoceramic
oxides
field
Prior art date
Application number
RU2016119679A
Other languages
English (en)
Inventor
Алексей Геннадиевич Дмитриенко
Алексей Александрович Гришин
Валерий Георгиевич Андреев
Светлана Борисовна Меньшова
Евгений Юрьевич Белаков
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений"
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 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" filed Critical Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений"
Priority to RU2016119679A priority Critical patent/RU2624473C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2624473C1 publication Critical patent/RU2624473C1/ru

Links

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
    • 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
    • C04B2235/3205—Alkaline earth oxides or oxide forming salts thereof, e.g. beryllium oxide
    • C04B2235/3213—Strontium oxides or oxide-forming salts thereof
    • 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
    • C04B2235/3224—Rare earth oxide or oxide forming salts thereof, e.g. scandium oxide
    • 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
    • C04B2235/3232—Titanium oxides or titanates, e.g. rutile or anatase
    • 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
    • C04B2235/02—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
    • C04B2235/3296—Lead oxides, plumbates or oxide forming salts thereof, e.g. silver plumbate
    • 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
    • C04B2235/3298—Bismuth oxides, bismuthates or oxide forming salts thereof, e.g. zinc bismuthate
    • 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

Landscapes

  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области сегнетомягких пьезокерамических материалов, предназначенных для ультразвуковых устройств, работающих в режиме приема, различных пьезодатчиков, а также для устройств монолитного типа, таких как многослойные пьезоэлектрические актюаторы. Материал, включающий оксиды свинца, циркония, титана, стронция и висмута, дополнительно содержит оксиды гадолиния и эрбия при следующем соотношении компонентов, мас.%: РbO 64,05÷66,84; ZrO2 19,11÷19,60; ТiO2 10,92÷11,20; SrO 1,54÷2,15; Bi2O3 0,72÷1,57; Gd2O3 0,69÷1,18; Er2O3 0,18÷0,25. Технический результат заключается в получении пьезокерамического материала с улучшенными электрофизическими параметрами: повышенной пьезочувствительностью g31=11,8-11,9 мВ⋅м/Н, g33=26,9-27,4 мВ⋅м/Н, повышенным пьезомодулем d31=220-225⋅10-12 Кл/Н и d33=510-518⋅10-12 Кл/Н; повышенным коэффициентом электромеханической связи Кр=0,63-0,64; пониженным тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ=1,6-1,7%. 1 пр., 2 табл.

Description

Изобретение относится к области сегнетомягких пьезокерамических материалов, предназначенных для ультразвуковых устройств, работающих в режиме приема, различных пьезодатчиков.
Одним из важных параметров сегнетомягких пьезоэлектрических материалов является повышенная чувствительность к механическому напряжению, которая характеризуется пьезокерамическим коэффициентом gij.
Для этого типа пьезокерамических материалов присущи высокие значения пьезомодулей и коэффициента электромеханической связи при среднем значении относительной диэлектрической проницаемости.
К таким материалам системы цирконата титаната свинца (ЦТС), из зарубежных относятся PZT-5A (США) [Каталог фирмы «Uerizon», США], АС-900 (Япония) [Каталог фирмы «Hayashc» chemical Jndustzy Co. LTD. Япония] и др. Отечественные пьезокерамические материалы такого класса представляют ЦТС-19, ЦТС-26 [Материалы пьезокерамические. Технические условия. Отраслевой стандарт ОСТ 110444-87, М., 1987, стр. 16] и др. Относительно высокая температура точки Кюри сегнетомягких пьезокерамических материалов обеспечивает широкий интервал рабочих температур.
В таблице 1 приведены основные электрофизические параметры известных пьезокерамических материалов. Как видно из таблицы 1, все материалы данного класса имеют довольно близкие значения пьезомодулей, тангенса утла диэлектрических потерь в слабом поле, относительной диэлектрической проницаемости, коэффициента электромеханической связи Кр и пьезоэлектрической чувствительности gij.
Figure 00000001
Наиболее близким к заявляемому сегнетомягкому материалу по химической композиции и пьезосвойствам является принимаемый за прототип пьезокерамический материал, включающий оксиды свинца, циркония, титана, стронция, вольфрама, висмута, никеля, кадмия и германия при следующем соотношении компонентов, мас. % [Патент РФ №2514353, МПК С04В 35/491, опубл. 27.04.2014 г.]:
PbO 62,90÷64,08
ZrO2 18,96÷20,10
ТiO2 10,85÷11,63
SrO 1,53÷2,64
WO3 0,34÷0,62
Bi2O3 1,01÷1,86
Ni2O3 0,08÷0,23
CdO 0,59÷1,18
GeO2 0,2÷1,0
Однако известный материал уступает отечественным и зарубежным материалам, по величине температуры точки Кюри, что снижает верхний предел рабочей температуры эксплуатации и ухудшает термостабильность свойств. Кроме этого материал имеет недостаточно высокие значения пьезомодулей d31 и d33.
Как известно, улучшить свойства пьезокерамики системы ЦТС можно путем введения различных модифицирующих добавок [Гринева Л.Д., Фесенко Е.Г. Классификация модификаторов системы титанат-цирконат свинца С5 «Кристаллизация и свойства кристаллов», Новочеркасск, 1974, стр. 99-107]. Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в создании сегнетомягкого пьезоэлектрического материала с улучшенными основными электрофизическими параметрами. Поставленная задача решается в пьезокерамическом материале, включающем оксиды свинца, циркония, титана, стронция, висмута и дополнительного содержащем оксиды гадолиния и эрбия при следующем соотношении компонентов, мас. %:
PbO 64,05÷66,84
ZrO2 19,11÷19,60
ТiO2 10,92÷11,20
SrO 1,54÷2,15
Bi2O3 0,72÷1,57
Gd2O3 0,69÷1,18
Er2O3 0,18÷0,25
Таким образом, отличительными признаками изобретения являются то, что в сегнетомягкий материал дополнительно введены оксиды гадолиния и эрбия. Введение оксида гадолиния позволяет повысить пьезочувствительность и пьезомодуль материала, уменьшить тангенс угла диэлектрических потерь. Оксид эрбия повышает коэффициент электромеханической связи.
Перечисленная совокупность отличительных признаков позволяет достичь технического результата, заключающегося в создании сегнетомягкого пьезокерамического материала с улучшенными основными электрофизическими параметрами, обладающего повышенной пьезочувствительностью g31=11,8-11,9 мВ⋅м/Н, g33=26,9-27,4 мВ⋅м/Н, повышенным пьезомодулем d31=220-225⋅10-12 Кл/Н и d33=510-518⋅10-12 Кл/Н; повышенным коэффициентом электромеханической связи Кр=0,63-0,64; пониженным тангенсом утла диэлектрических потерь tgδ=1,6-1,7%.
ПРИМЕР:
Предлагаемый материал согласно формуле изготавливается по обычной «керамической» технологии. Для сравнения изготавливался материал по прототипу.
В качестве исходных компонентов предлагаемого сегнетомягкого материала использовались оксиды: PbO - глет свинцовый марки «Г-2», TiO2, ZrO2, SrCO3, Bi2O3, Gd2O3, Er2O3 квалификации «хч». Смешение компонентов производилось мокрым измельчением в планетарной мельнице с шарами из оксида циркония в течение 180 минут, после сушки шихта подвергалась температурной обработке при Т=800°С в течение 2 часов, после чего синтезированный материал подвергался помолу в планетарной мельнице с шарами из оксида циркония в течение 180 минут до дисперсности Sуд=550 м2/кг на приборе ПСХ-4.
Аттестация качества синтезированного материала осуществлялась на отпрессованных при давлении Руд=100 МПа стандартных образцах размером 25×3 мм. Спекание этих образцов проводили при температуре Т=1170-1180°С в течение 4 часов в засыпке, обеспечивающей атмосферу паров окиси свинца. На отшлифованные по толщине и диаметру образцы до размера 20×1 мм наносили серебряную пасту, которую вжигали при температуре 820°С. Образцы поляризовали в воздушной среде при Т=250°С в постоянном электрическом поле напряженностью 2 кВ/мм. Определение электрофизических параметров проводилось в соответствии с [Материалы пьезокерамические. Технические условия. Отраслевой стандарт ОСТ 110444-87, М., 1987, стр. 16].
В таблице 2 приведены основные электрофизические характеристики предлагаемого материала в зависимости от состава, полученные усреднением измерений характеристик 10 образцов с каждой партии. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что предлагаемый сегнетомягкий пьезоэлектрический материал обладает оптимальными, с точки зрения решаемой задачи, характеристиками в интервале величин компонентов, указанных в формуле изобретения (составы №3-5 табл. 2). В сравнении с пьезокерамическими материалами ЦТС-19 и PZT-5A (табл. 1 и 2), полученный материал имеет более высокие значения g31, g33, d31, d33 и Кp, в то же время материал этого класса согласно прототипу имеет существенно более низкую температуру точки Кюри, что ведет к уменьшению интервала рабочих температур использования пьезоматериала.
Figure 00000002
Figure 00000003

Claims (2)

  1. Пьезокерамический материал, включающий оксиды свинца, циркония, титана, стронция, висмута, отличающийся тем, что дополнительно содержит оксиды гадолиния и эрбия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
  2. PbO 64,05÷66,84 ZrO2 19,11÷19,60 TiO2 10,92÷11,20 SrO 1,54÷2,15 Bi2O3 0,72÷1,57 Gd2O3 0,69÷1,18 Er2O3 0,18÷0,25
RU2016119679A 2016-05-20 2016-05-20 Пьезокерамический материал RU2624473C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016119679A RU2624473C1 (ru) 2016-05-20 2016-05-20 Пьезокерамический материал

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016119679A RU2624473C1 (ru) 2016-05-20 2016-05-20 Пьезокерамический материал

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2624473C1 true RU2624473C1 (ru) 2017-07-04

Family

ID=59312619

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016119679A RU2624473C1 (ru) 2016-05-20 2016-05-20 Пьезокерамический материал

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2624473C1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2677515C1 (ru) * 2018-02-20 2019-01-17 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" Пьезокерамический материал
RU2753917C1 (ru) * 2020-11-11 2021-08-24 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" Пьезокерамический материал

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU298950A1 (ru) * Г. Е. Савенкова, О. С. Дидковска В. В. Климов , Ю. Н. Веневцев Пьезокерамический материал
US6685850B2 (en) * 2000-07-28 2004-02-03 Tdk Corporation Piezoelectric ceramic material
RU2357942C1 (ru) * 2007-09-06 2009-06-10 Открытое акционерное общество "ЭЛПА" 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
RU2514353C1 (ru) * 2012-12-20 2014-04-27 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Элпа" с опытным производством" Пьезокерамический материал

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU298950A1 (ru) * Г. Е. Савенкова, О. С. Дидковска В. В. Климов , Ю. Н. Веневцев Пьезокерамический материал
US6685850B2 (en) * 2000-07-28 2004-02-03 Tdk Corporation Piezoelectric ceramic material
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
RU2357942C1 (ru) * 2007-09-06 2009-06-10 Открытое акционерное общество "ЭЛПА" Пьезокерамический материал
RU2514353C1 (ru) * 2012-12-20 2014-04-27 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Элпа" с опытным производством" Пьезокерамический материал

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2677515C1 (ru) * 2018-02-20 2019-01-17 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" Пьезокерамический материал
RU2753917C1 (ru) * 2020-11-11 2021-08-24 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" Пьезокерамический материал

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3406611B2 (ja) 低い焼結温度で銀とともに焼成し得る低損失ｐｚｔセラミック組成物およびそれを製造するための方法
US7754095B2 (en) Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric ceramic electronic component
US8900475B2 (en) Compositions for high power piezoelectric ceramics
CN105884350B (zh) 一种锆钛酸钡钙无铅压电陶瓷材料及其制备方法
US20060229187A1 (en) Compositions for high power piezoelectric ceramics
RU2624473C1 (ru) Пьезокерамический материал
KR101333792B1 (ko) 비스무스 기반의 무연 압전 세라믹스 및 그 제조방법
Tsai et al. The phase structure, electrical properties, and correlated characterizations of (Mn, Sb) co-tuned PZMnNS–PZT ceramics with relaxation behavior near the morphotropic phase boundary
CN115385689A (zh) 一种铌镁酸铅-锆钛酸铅基压电陶瓷材料及其制备方法
KR101333793B1 (ko) 비스무스계 압전 세라믹스 및 그 제조방법
CN106518058B (zh) 一种由钛酸铋钾和氧化锌构成的无铅复合铁电陶瓷及制备
Bijalwan et al. Rapid pressureless sintering of barium titanate–based piezoceramics and their electromechanical harvesting performance
KR102385814B1 (ko) 우수한 기계적 품질 계수 및 높은 상전이 온도를 가지는 무연 압전 세라믹스 및 그 제조방법
JPWO2009119322A1 (ja) 圧電磁器及び圧電磁器組成物
RU2677515C1 (ru) Пьезокерамический материал
Kumar et al. Effects of Sr 2+ substitution on the structural, dielectric, and piezoelectric properties of PZT-PMN ceramics
RU2305669C1 (ru) Керамический материал, шихта для его изготовления и способ изготовления материала
RU2357942C1 (ru) Пьезокерамический материал
CN112759390A (zh) 一种具有高kp值的PSN-PZT压电陶瓷及其制备方法
Zhao et al. Effect of the Second Sintering Temperature on the Microstructure and Electrical Properties of PbNb 2 O 6-0.5 wt.% ZrO 2 Obtained via a Two-Step Sintering Process
CN102126855A (zh) 一种高温大功率压电陶瓷的生产方法
RU2288902C1 (ru) Пьезокерамический материал
KR101077961B1 (ko) 저온 동시소성용 고출력 압전 세라믹 조성물
RU2691424C1 (ru) Пьезокерамический материал
CN103539447A (zh) 一种低温烧结的压电陶瓷材料及其制备方法