RU2691424C1 - Пьезокерамический материал - Google Patents

Пьезокерамический материал Download PDF

Info

Publication number
RU2691424C1
RU2691424C1 RU2018132370A RU2018132370A RU2691424C1 RU 2691424 C1 RU2691424 C1 RU 2691424C1 RU 2018132370 A RU2018132370 A RU 2018132370A RU 2018132370 A RU2018132370 A RU 2018132370A RU 2691424 C1 RU2691424 C1 RU 2691424C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
piezoceramic
piezoceramic material
mechanical
ferroelectric
oxides
Prior art date
Application number
RU2018132370A
Other languages
English (en)
Inventor
Андрей Валерьевич НИКОЛАЕВ
Алексей Александрович Гришин
Валерий Георгиевич Андреев
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС"
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 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС" filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС"
Priority to RU2018132370A priority Critical patent/RU2691424C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2691424C1 publication Critical patent/RU2691424C1/ru

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/48Shaped 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
    • C04B35/49Shaped 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
    • C04B35/491Shaped 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
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80Constructional details
    • H10N30/85Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/853Ceramic compositions
    • H10N30/8548Lead-based oxides
    • H10N30/8554Lead-zirconium titanate [PZT] based

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области сегнетожестких пьезокерамических материалов, устойчивых к электрическим и механическим воздействиям, предназначенных для ультразвуковых устройств и работающих при сильных электрических и механических воздействиях. Материал включает оксиды свинца, кадмия, циркония, титана, марганца, стронция, лантана и дополнительно - оксиды церия, тантала и сурьмы, при следующем соотношении компонентов, мас.%: PbO 63,232÷64,152; CdO 0,098÷0,198; ZrO18,990÷19,234; TiO11,143÷11,273; SrO 0,319÷1,814; MnO0,131÷0,435; LaO0,344÷0,366; CeO0,184÷0,960; TaO0,691÷1,984; SbO1,653÷2,799. Технический результат заключается в получении сегнетожесткого пьезокерамического материала с плотной мелкозернистой структурой, обеспечивающей улучшенные электрофизические параметры материала: повышенную механическую добротность Q=1452-1496, повышенную диэлектрическую проницаемость ε/ε=1488-1492, повышенные коэффициенты электромеханической связи Кр=0,61-0,62; К=0,37-0,39; К=0,73-0,76, что позволяет повысить удельную мощность пьезопреобразователей на основе предлагаемого пьезокерамического материала. 2 табл.

Description

Изобретение относится к области сегнетожестких пьезокерамических материалов, устойчивых к электрическим и механическим воздействиям, предназначенных для ультразвуковых устройств и работающих при сильных электрических и механических воздействиях.
Одним из важнейших показателей качества этого класса пьезокерамических материалов является максимальная удельная мощность пьезопреобразователей на их основе Pij, которая пропорциональна комплексному параметру [Сыркин Л.Н. "Новые пьезоактивные материалы и их применение в ультразвуковой технике", Л., 1979, стр. 44]:
Pij ~ K2 ij⋅Qm⋅εт 330,
где Kij - коэффициенты электромеханической связи К31 и К33 поперечных и продольных мод колебаний;
Qm - механическая добротность;
εт 330 - относительная диэлектрическая проницаемость.
Эти сегнетожесткие пьезокерамические материалы отличаются малыми диэлектрическими потерями tgδ в слабых и сильных полях, высокой механической добротностью и относительно высокими коэффициентами электромеханической связи. К таким материалам системы цирконата-титана свинца (ЦТС) относятся: АРС-841 (США) [Каталог фирмы «АРС International Ltd», США], PIC 241 (США) [Каталог фирмы "PI Ceramic"], отечественные пьезокерамические материалы ЦТС-23, ЦТС-24 [Материалы пьезокерамические. Технические условия (отраслевой стандарт) ОСТ 110444 - 87, М., 1987, стр. 16, 17] и др.
В таблице 1 приведены основные электрофизические параметры известных сегнетожестких пьезокерамических материалов. Как следует из данных таблицы 1, все материалы данного типа имеют близкие значения:
- пьезомодулей d31 и d33,
- коэффициентов электромеханической связи;
но существенно отличаются по величине:
- относительной диэлектрической проницаемости,
- механической добротности,
- тангенса угла диэлектрических потерь,
- удельной мощности излучения пьезопреобразователей.
Figure 00000001
Недостатками большинства сегнетожестких пьезокерамических материалов этого типа являются низкие значения пьезоэлектрических параметров: механической добротности, коэффициентов электромеханической связи и относительной диэлектрической проницаемости, что снижает удельную мощность пьезопреобразователей на их основе, обусловленной потерями энергии в пьезокерамическом материале.
Известен также пьезокерамический материал, включающий оксиды свинца (PbO), кадмия (CdO), циркония (ZrO2), титана (TiO2), вольфрама (WO3), кобальта (СоО), германия (GeO2) и бора (B2O3) [Патент РФ №2152371 МПК С04В 35/491, опубл. 10.07.2000 г.]. Недостатком этого сегнетожесткого материала также являются низкие значения пьезоэлектрических параметров: механической добротности Qm=400-450, коэффициентов электромеханической связи Кр=0,58-0,59; К31=0,33-0,34; К33=0,70-0,72 и относительной диэлектрической проницаемости εт 330=900-920, что снижает удельную мощность пьезопреобразователей на их основе, обусловленной потерями энергии в пьезокерамическом материале.
Наиболее близким к заявляемому сегнетожесткому пьезокерамическому материалу по химической композиции и назначению является принимаемый за прототип пьезокерамический материал, включающий оксиды свинца (PbO), кадмия (CdO), циркония (ZrO2), титана (TiO2), марганца (MnO2), стронция (SrO), цинка (ZnO), лантана (La2O3), висмута (Bi2O3) и железа (Fe2O3) при следующем соотношении компонентов, мас. % [Патент РФ №2357942 МПК С04В 35/491, H01L 41/187 опубл. 10.06.2009 г.]:
PbO 63,233÷65,404;
CdO 0,099÷0,490;
ZrO2 18,990÷19,539;
TiO2 11,141÷11,471;
MnO2 0,131÷0,532;
SrO 1,318÷2,226;
ZnO 0,248÷0,995;
La2O3 0,643÷0,768;
Bi2O3 0,470÷1,900;
Fe2O3 0,099÷0,490.
Однако известный сегнетожесткий пьезокерамический материал обладает низкими значениями пьезоэлектрических параметров: коэффициентов электромеханической связи Кр=0,58-0,59; К31=0,35-0,36; К33=0,71-0,72, механической добротности Qm=900-940 и относительной диэлектрической проницаемости εт 330=1400-1430, обусловленные крупнозернистой пористой структурой сегнетожесткого пьезокерамического материала, что снижает удельную мощность преобразователей.
Цель изобретения - создание сегнетожесткого пьезокерамического материала с высокими значениями электрофизических параметров: относительной диэлектрической проницаемости, механической добротности и коэффициентов электромеханической связи.
Поставленная цель достигается тем, что в сегнетожестком пьезокерамическом материале, включающем оксиды свинца (PbO), кадмия (CdO), циркония (ZrO2), титана (TiO2), марганца (MnO2), стронция (SrO), лантана (La2O3), дополнительно содержатся оксиды церия (CeO2), тантала (Ta2O5) и сурьмы (Sb2O3) при следующем соотношении компонентов, мас. %:
PbO 63,232÷64,152;
CdO 0,098÷0,198;
ZrO2 18,990÷19,234;
TiO2 11,143÷11,273;
MnO2 0,131÷0,435;
SrO 0,319÷1,814;
La2O3 0,344÷0,366;
CeO2 0,184÷0,960;
Ta2O5 0,691÷1,984;
Sb2O3 1,653÷2,799.
Таким образом, отличительными признаками изобретения является то, что в сегнетожесткий пьезокерамический материал дополнительно введены оксиды церия, тантала и сурьмы. Оксиды тантала и сурьмы активируют процесс спекания, повышая тем самым плотность материала, что увеличивает относительную диэлектрическую проницаемость и коэффициенты электромеханической связи. Наличие в составе оксида церия замедляет скорость рекристаллизации зерен после спекания, формируя тем самым мелкозернистую структуру в материале, что снижает потери мощности на вихревые токи и повышает механическую добротность. Совокупность признаков позволяет получить сегнетожесткий пьезокерамический материал с плотной мелкозернистой структурой, обеспечивающей высокие электрофизические параметры материала, что повышает удельную мощность пьезопреобразователей на их основе.
Изобретение поясняется таблицами 1, 2.
ПРИМЕР:
Предлагаемый пьезокерамический материал согласно формуле изготавливается по керамической технологии. Для сравнения изготавливался пьезокерамический материал по прототипу.
В качестве исходных компонентов предлагаемого сегнетжесткого пьезокерамического материала использовались оксиды: PbO - глет свинцовый марки «Г-2», CdCO3, TiO2, ZrO2, SrCO3, MnO2, La2O3, CeO2, Ta2O5, Bi2O3, Sb2O3, ZnO и Fe2O3 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, затем синтезированный материал подвергался мокрому измельчению 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 пьезокерамического материала осуществлялась на отпрессованных при давлении Руд=100 МПа на стандартных образцах в виде таблеток размером 25×3 мм. Спекание этих образцов проводили при температуре Т=1170-1200°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 серебросодержащую пасту, которую вжигали при температуре 820°С. Образцы поляризовали в воздушной среде при Т=290°С в постоянном электрическом поле напряженностью 3 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 пьезокерамического материала в зависимости от состава, полученные усреднением измерений характеристик 10 образцов с каждой партии. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что предлагаемый сегнетожесткий 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 известными пьезокерамическими материалами (таблицы 1 и 2), полученный материал имеет более высокие значения пьезоэлектрических параметров: относительной диэлектрической проницаемости εт 330, механической добротности Qm и коэффициентов электромеханической связи Кр, К31 и К33, что позволяет значительно повысить удельную мощность пьезопреобразователей на основе предлагаемого пьезокерамического материала.
Figure 00000002
Figure 00000003
Технический результат заключается в получении сегнетожесткого пьезокерамического материала с плотной мелкозернистой структурой, обеспечивающей улучшенные электрофизические параметры материала: повышенную механическую добротность Qm=1452-1496, повышенную диэлектрическую проницаемость εт 330=1488-1492, повышенные коэффициенты электромеханической связи Кр=0,61-0,62; К31=0,37-0,39; К33=0,73-0,76.

Claims (2)

  1. Пьезокерамический материал, включающий оксиды свинца (PbO), кадмия (CdO), циркония (ZrO2), титана (TiO2), марганца (MnO2), стронция (SrO), лантана (La2O3), отличающийся тем, что дополнительно содержит оксиды церия (CeO2), тантала (Ta2O5) и сурьмы (Sb2O3) при следующем соотношении компонентов, мас. %:
  2. PbO 63,232÷64,152 CdO 0,098÷0,198 ZrO2 18,990÷19,234 TiO2 11,143÷11,273 SrO 0,319÷1,814 MnO2 0,131÷0,435 La2O3 0,344÷0,366 CeO2 0,184÷0,960 Ta2O5 0,691÷1,984 Sb2O3 1,653÷2,799
RU2018132370A 2018-09-11 2018-09-11 Пьезокерамический материал RU2691424C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018132370A RU2691424C1 (ru) 2018-09-11 2018-09-11 Пьезокерамический материал

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018132370A RU2691424C1 (ru) 2018-09-11 2018-09-11 Пьезокерамический материал

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2691424C1 true RU2691424C1 (ru) 2019-06-13

Family

ID=66947852

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018132370A RU2691424C1 (ru) 2018-09-11 2018-09-11 Пьезокерамический материал

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2691424C1 (ru)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5279996A (en) * 1991-07-23 1994-01-18 Murata Manufacturing Co., Ltd. Piezoelectric ceramic composition
RU2047585C1 (ru) * 1992-09-23 1995-11-10 Научно-исследовательский институт реактивов и материалов для электронной техники Пьезоэлектрический керамический материал
US6440324B1 (en) * 1999-08-25 2002-08-27 Murata Manufacturing Co., Ltd. Method for manufacturing piezoelectric ceramic composition, piezoelectric resonator, piezoelectric transformer and piezoelectric actuator, and piezoelectric laminated sintered body
KR20030056237A (ko) * 2001-12-27 2003-07-04 주식회사 에스세라 내열성 및 주파수 안정성이 우수한 압전 세라믹 조성물 및이를 이용한 압전기기
RU2357942C1 (ru) * 2007-09-06 2009-06-10 Открытое акционерное общество "ЭЛПА" Пьезокерамический материал

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5279996A (en) * 1991-07-23 1994-01-18 Murata Manufacturing Co., Ltd. Piezoelectric ceramic composition
RU2047585C1 (ru) * 1992-09-23 1995-11-10 Научно-исследовательский институт реактивов и материалов для электронной техники Пьезоэлектрический керамический материал
US6440324B1 (en) * 1999-08-25 2002-08-27 Murata Manufacturing Co., Ltd. Method for manufacturing piezoelectric ceramic composition, piezoelectric resonator, piezoelectric transformer and piezoelectric actuator, and piezoelectric laminated sintered body
KR20030056237A (ko) * 2001-12-27 2003-07-04 주식회사 에스세라 내열성 및 주파수 안정성이 우수한 압전 세라믹 조성물 및이를 이용한 압전기기
RU2357942C1 (ru) * 2007-09-06 2009-06-10 Открытое акционерное общество "ЭЛПА" Пьезокерамический материал

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4929522B2 (ja) 圧電磁器組成物
US20100207494A1 (en) Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric ceramic electronic component
JP2001508753A (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
CN108569897B (zh) 压电组合物和压电元件
US20130162108A1 (en) Piezoelectric ceramic and piezoelectric device
KR0161988B1 (ko) 작동기용 압전 세라믹 조성물
WO2018187316A1 (en) Perovskite relaxor-pbti03 based ferroelectric ceramics with ultrahigh dielectric and piezoelectric properties through polar nanoregions engineering
US10811591B2 (en) Piezoelectric composition and piezoelectric device
JP4140796B2 (ja) 圧電セラミックス
JP2005154238A (ja) 圧電磁器組成物の製造方法
KR20170042171A (ko) 무연 압전 세라믹스, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 액추에이터
RU2691424C1 (ru) Пьезокерамический материал
KR20210111525A (ko) 우수한 기계적 품질 계수 및 높은 상전이 온도를 가지는 무연 압전 세라믹스 및 그 제조방법
JP2011029537A (ja) 積層型電子部品およびその製法
EP0012583B1 (en) Piezoelectric ceramic production
RU2624473C1 (ru) Пьезокерамический материал
RU2357942C1 (ru) Пьезокерамический материал
JP3032761B1 (ja) 圧電セラミックス
RU2677515C1 (ru) Пьезокерамический материал
KR20130090696A (ko) 피지엔-피지티계 압전 세라믹 조성물 및 그 제조방법
KR101454341B1 (ko) Pzt계 압전 세라믹 및 그 제조 방법
JPH0558729A (ja) 圧電磁器組成物
JP3481832B2 (ja) 圧電磁器
JP5319208B2 (ja) 圧電磁器およびそれを用いた圧電素子
JP2001097774A (ja) 圧電磁器組成物