RU2766856C1 - Способ изготовления пьезокерамического элемента - Google Patents

Способ изготовления пьезокерамического элемента Download PDF

Info

Publication number
RU2766856C1
RU2766856C1 RU2021121815A RU2021121815A RU2766856C1 RU 2766856 C1 RU2766856 C1 RU 2766856C1 RU 2021121815 A RU2021121815 A RU 2021121815A RU 2021121815 A RU2021121815 A RU 2021121815A RU 2766856 C1 RU2766856 C1 RU 2766856C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
temperature
workpiece
load
hours
lead zirconate
Prior art date
Application number
RU2021121815A
Other languages
English (en)
Inventor
Михаил Алексеевич Мараховский
Александр Анатольевич Панич
Владимир Алексеевич Мараховский
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Южный федеральный университет»
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 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Южный федеральный университет» filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Южный федеральный университет»
Priority to RU2021121815A priority Critical patent/RU2766856C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2766856C1 publication Critical patent/RU2766856C1/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
    • 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
    • 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
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/62645—Thermal treatment of powders or mixtures thereof other than sintering
    • C04B35/6268—Thermal treatment of powders or mixtures thereof other than sintering characterised by the applied pressure or type of atmosphere, e.g. in vacuum, hydrogen or a specific oxygen pressure
    • 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
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64—Burning or sintering processes

Landscapes

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

Abstract

Изобретение относится к технологии изготовления пьезокерамических элементов, на основе сегнетожёстких материалов системы цирконата-титаната свинца (ЦТС), устойчивых к внешним воздействиям и обладающих высокой температурной стабильностью параметров, и может быть использовано в различных устройствах, предназначенных для работы в силовых режимах, в том числе предназначенных для экстремальных условий (акселерометры, пьезодвигатели, пьезотрансформаторы). Техническим результатом изобретения является повышение значений диэлектрической проницаемости εТ 33/ε0 и пьезомодуля d31, при сохранении значений плотности. Из сегнетожёсткого пьезоматериала системы цирконата-титаната свинца (ЦТС) PbZrTiMnNbZnO формуют заготовку под давлением 700–800 кгс/см2, затем проводят термопрессование заготовки с одноосной механической нагрузкой 1–3 106 Н/м2 при температуре 830–870оС и выдерживают её при этих условиях в течение 10–40 минут с последующим спеканием без нагрузки при температуре 1150-1230оС в течение 1-3 часов. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 8 пр.

Description

Изобретение относится к технологии изготовления пьезокерамических элементов, на основе сегнетожёстких (легированных оксидами марганца, ниобия, цинка) материалов системы цирконата-титаната свинца (ЦТС), устойчивых к внешним воздействиям и обладающих высокой температурной стабильностью параметров, и может быть использовано в различных устройствах, предназначенных для работы в силовых режимах, в том числе предназначенных для экстремальных условий (акселерометры, пьезодвигатели, пьезотрансформаторы) [1].
Известен способ изготовления пьезоэлементов из сегнетожёсткого материала системы цирконата-титаната свинца (ЦТС) PbTiO3-PbZrO3-PbNb2/3Mn1/3O3-PbNb2/3Zn1/3O3, полученного по обычной керамической технологии. Из синтезированного пьезоматериала на гидравлическом прессе формуется заготовка методом полусухого прессования при давлении 700 – 800 кгс/см2. Далее производится операция нагревания заготовки до температуры спекания 1125 – 1175 ºС с одноосной механической нагрузкой 2–3 106 н/м2 на установке горячего прессования. Заготовка выдерживается под одноосной механической нагрузкой и температуре спекания в течение 6 часов. После выдержки спечённая заготовка охлаждается вместе с установкой горячего прессования до комнатной температуры естественным способом. Спеченная керамическая заготовка шлифуется и разрезается на тонкие диски толщиной 1 мм. На плоскости дисков наносятся токопроводящие электроды, путем вжигания серебросодержащей пасты. Поляризация полученных пьезокерамических элементов осуществляется при температуре 100 – 150 ºС в среде силиконового масла под напряжением 3 – 4 кВ/мм [2, 3].
Недостатком способа является невысокие значения относительной диэлектрической проницаемости εТ 33/ε0 и пьезомодуля d31 у полученных пьезоэлементов на основе синтезированного пьезоматериала.
Наиболее близким по выполнению является способ изготовления пьезоэлемента из сегнетожёсткого пьезоматериала системы цирконата-титаната свинца (ЦТС) PbTiO3-PbZrO3-PbNb2/3Mn1/3O3-PbNb2/3Zn1/3O3, полученного по обычной керамической технологии. Из синтезированного пьезоматериала формуется заготовка методом полусухого прессования на гидравлическом прессе при давлении 700 кгс/см2 в виде диска диаметром 20 мм и высотой 2 мм. Спекание сформованной заготовки проводится при температурах 1200–1280ºС в течение 45 минут в камерной печи при естественном атмосферном давлении. Спеченная керамическая заготовка шлифуется до толщины 1 мм и на её плоскости наносятся токопроводящие электроды, путем вжигания серебросодержащей пасты. Поляризация полученных пьезокерамических элементов осуществляется при температуре 100 – 150 ºС в среде силиконового масла под напряжением 3 – 4 кВ/мм. [4].
Недостатком способа является невысокие значения относительной диэлектрической проницаемости εТ 33/ε0 и пьезомодуля d31 пьезоэлементов, полученных на основе синтезированного пьезоматериала.
Техническим результатом изобретения является повышение значений диэлектрической проницаемости εТ 33/ε0 и пьезомодуля d31, при сохранении значений механической плотности.
Технический результат достигается способом, характеризующимся тем, что из сегнетожёсткого пьезоматериала системы цирконата-титаната свинца (ЦТС) PbZrTiMnNbZnO формуют заготовку под давлением 700 – 800 кгс/см2, затем проводят термопрессование заготовки с одноосной механической нагрузкой 1–3 106 н/м2 при температуре 830 – 870 °С и выдерживают её при этих условиях в течение 10 – 40 минут (что приводит к усадке и упрочнению заготовки) с последующим спеканием без нагрузки при температуре 1150-1230 °С в течение 1-3 часов.
В качестве сегнетожёсткого пьезоматериала системы цирконата-титаната свинца (ЦТС) может быть использован материал PbTiO3-PbZrO3-PbNb2/3Mn1/3O3-PbNb2/3Zn1/3O3 состава мас. %: оксид свинца PbO 66,912-69,231, оксид циркония ZrO2 16,01–17,551, оксид титана TiO2 8,57–14,457, оксид марганца MnO2 0,153-0,538, оксид ниобия Nb2O5 2,241–3,578, оксид цинка ZnO 0,227-0,53.
Пьезокерамический материал может быть получен по обычной керамической технологии методом твердофазных реакций. Исходные компоненты в указанных дозировках смешивают (в барабанной шаровой мельнице) с добавлением 90 - 110 мл дистиллированной воды в течение 20 – 24 часов, после чего производится сушка материала (в сушильном шкафу) при температуре 90 - 100°С в течение 10 – 12 часов. Далее производится синтез материала (в камерной печи) при температуре 830 – 870°С в течение 3 – 4 часов. Синтезированный материал измельчается (в барабанной мельнице) в течение 20 – 24 часов, после чего производится сушка материала (в сушильном шкафу) при температуре 90 – 100°С в течение 10 – 12 часов.
Отличием предлагаемого способа является проведение, после формовки заготовки под давлением 700 – 800 кгс/см2, термопрессования с одноосной механической нагрузкой 1–3 106 H/м2 при температуре
830 – 870°С и с выдержкой под давлением и температурой в течение 10-40 минут, а также проведение последующего спекания при температуре 1150 – 1230°С в течение 1 – 3 часов, в отличие от известного способа [4], в котором спекание проводят при температуре 1200–1280ºС в течение 45 минут непосредственно после формовки заготовки под давлением 700 кгс/см2.
Ниже приведены примеры осуществления изобретения.
Пример 1а Получение пьезоматериала.
Готовят пьезоматериал из компонентов состава мас. %: PbO 66,912, ZrO2 16,01, TiO2 14,457, MnO2 0,153, Nb2O5 2,241, ZnO 0,227 по обычной керамической технологии, заключающейся в синтезе соединения методом твердофазных реакций.
Исходные компоненты в указанных дозировках смешивают в барабанной шаровой мельнице с добавлением 100 мл дистиллированной воды в течение 24 часов, после чего производится сушка материала в сушильном шкафу при температуре 100°С в течение 12 часов. Далее производится синтез материала в камерной печи при температуре 850 °С в течение 4 часов. Синтезированный материал измельчается в барабанной мельнице в течение 24 часов, после чего производится сушка материала в сушильном шкафу при температуре 100°С в течение 12 часов.
Пример 1б. Аналогично примеру 1а готовят пьезоматериал из компонентов состава мас. %: PbO 69,231, ZrO2 17,551, TiO2 8,57, MnO2 0,538, Nb2O5 3,578, ZnO 0,532.
Пример 1в
Аналогично примеру 1а и 1б готовят пьезоматериал синтезом в камерной печи при температуре 830 °С.
Пример 1г
Аналогично примеру 1а и 1б готовят пьезоматериал синтезом в камерной печи при температуре 870 °С.
Пример 2а. Формовка из синтезированного пьезоматериала прессзаготовки и получение пьезоэлемента.
Для формования прочной заготовки, в порошок синтезированного пьезоматериала по примеру 1а вводится связующая добавка - 3%-ный водный раствор поливинилового спирта в количестве 6 – 7% от общей массы пьезоматериала. Полученная масса перемешивается в ступке и пропускается через сито с размером ячейки 0,5 мм. Из полученного пресс-порошка на гидравлическом прессе в пресс-форме под давлением 700 кгс/см2 формуется заготовка в виде диска. Сформованная заготовка проходит процедуру сушки при комнатной температуре (10–12 ч) и при 80–95 ºС (20–24 ч) с целью исключения избыточной влаги, внесенной связующей добавкой.
Далее проводится операция термопрессования заготовки с одноосной механической нагрузкой 3 106 Н/м2 при температуре 850°С и фиксированной изотермической выдержке в течение 30 мин, с использованием установки горячего прессования (при термопрессовании с одноосной механической нагрузкой между зернами прессзаготовки в местах их контактов образуются прочные перемычки, формирующие предварительный каркас, обладающий достаточной прочностью для дальнейшего спекания без нагрузки). Следующим этапом термопрессованная заготовка охлаждается естественным способом до температуры окружающей среды и перемещается в камерную печь для спекания (нагрев и выдержка) при температуре 1150ºС в течение 3 часов без одноосной механической нагрузки (что приводит к упрочнению и увеличению размеров зерен предварительно жёстко сгруппированных между собой перемычками на этапе термопрессования, и что способствует спеканию заготовки преимущественно с диффузионным механизмом массопереноса).
Спеченная керамическая заготовка шлифуется и разрезается на тонкие диски толщиной 1 мм. На плоскости дисков наносятся токопроводящие электроды, путем вжигания серебросодержащей пасты. Поляризация полученных пьезокерамических элементов осуществляется при температуре 100 – 150 ºС в среде силиконового масла под напряжением 3 – 4 кВ/мм.
Аналогично проводят формовку, термопрессование и спекание пьезоматериалов, полученных по примерам 1б-1г.
Пример 2б
Аналогично примеру 2а проводят формовку заготовки на прессе под давлением 800 кгс/см2, термопрессование с одноосной механической нагрузкой 3 106 Н/м2 при температуре 830 °С и выдержке под нагрузкой в течение 40 минут и последующее спекание без нагрузки при температуре 1170 °С в течение 2 часов.
Пример 2в.
Аналогично примеру 2а проводят формовку заготовки на прессе под давлением 800 кгс/см2, термопрессование с одноосной механической нагрузкой 1 106 Н/м2 при температуре 870 °С и выдержке под нагрузкой в течение 10 минут и последующее спекание без нагрузки при температуре 1200 °С в течение 2 часов.
Пример 2г.
Аналогично примеру 2а проводят формовку заготовки на прессе под давлением 800 кгс/см2, термопрессование с одноосной механической нагрузкой 2 106 Н/м2 при температуре 850 °С и выдержке под нагрузкой в течение 20 минут и последующее спекание без нагрузки при температуре 1230 °С в течение 1 часа.
Результаты испытаний относительной диэлектрической проницаемости, εТ 33/ε0, пьезомодуля d31, плотности и коэффициента связи kp полученных пьезоэлементов на основе исследуемых пьезоматериалов представлены в таблице. Аналогичные результаты получены для пьезоэлементов, полученных по примерам 1б-1г, 2б-2г. Там же приведены результаты испытаний по известным пособам [2] и [4] (см. таблицу).
Способ спекания Температура спекания, °С Плотность, г/см3 εТ 33/ε0 d31, пКл/Н kp
Камерная печь (прототип) [4] 1200 - 1280 7,7 1140 115 0,63
Горячее прессование [2] 1125 7,67 1399 122 0,57
1150 7,72 1415 130 0,58
1175 7,7 1387 127 0,54
Заявляемый способ 1150 7,74 1886 217 0,62
1170 7,71 1791 213 0,59
1200 7,71 1700 200 0,57
1230 7,70 1527 184 0,57
Как видно, предлагаемый способ способствует в большей степени, чем известные способы повышению значений относительной диэлектрической проницаемости εТ 33/ε0 (до значений 1520 – 1880) и пьезомодуля d31 (до значений 180 - 210·10-12 Кл/Н), при сохранении значений механической плотности ρ = 7,70 – 7,74 г/см3).
Список источников литературы
1. Нестеров, А.А. [Текст]: Труды международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения» / Т.Г. Лупейко, А.А. Нестеров - Ростов-на-Дону: Изд-во Ростовского гос. Ун-та, 1999.- т.1,-с.254-261.
2. Marakhovsky, M.A. Comparative study of the hard and soft PZT-based ceramics sintered by various methods / M.A. Marakhovsky, A.A. Panich, M.V. Talanov, V.A. Marakhovsky, Ferroelectrics 575(1), с. 43-49 (2021). DOI: 10.1080/00150193.2021.1888225.
3. Глозман И.А. Пьезокерамика. «Энергия», Москва, 1972.-288 с.
4. Nishida M., Ouchi H. Improvements in and relating to ceramic compositions // GB patent N 1376013. - Publ. 04.12.1974. (прототип).

Claims (2)

1. Способ изготовления пьезокерамического элемента, характеризующийся тем, что из сегнетожёсткого пьезоматериала системы цирконата-титаната свинца PbZrTiMnNbZnO формуют заготовку под давлением 700–800 кгс/см2, затем проводят термопрессование заготовки с одноосной механической нагрузкой 1–3 106 Н/м2 при температуре 830–870оС и выдерживают её при этих условиях в течение 10–40 минут с последующим спеканием без нагрузки при температуре 1150-1230оС в течение 1-3 часов.
2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в качестве сегнетожёсткого пьезоматериала системы цирконата-титаната свинца PbZrTiMnNbZnO используют материал состава, мас. %: оксид свинца PbO 66,912-69,231, оксид циркония ZrO2 16,01-17,551, оксид титана TiO2 8,57-14,457, оксид марганца MnO2 0,153-0,538, оксид ниобия Nb2O5 2,241-3,578, оксид цинка ZnO 0,227-0,53.
RU2021121815A 2021-07-22 2021-07-22 Способ изготовления пьезокерамического элемента RU2766856C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021121815A RU2766856C1 (ru) 2021-07-22 2021-07-22 Способ изготовления пьезокерамического элемента

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021121815A RU2766856C1 (ru) 2021-07-22 2021-07-22 Способ изготовления пьезокерамического элемента

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2766856C1 true RU2766856C1 (ru) 2022-03-16

Family

ID=80736874

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021121815A RU2766856C1 (ru) 2021-07-22 2021-07-22 Способ изготовления пьезокерамического элемента

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2766856C1 (ru)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1376013A (en) * 1971-02-08 1974-12-04 Matsushita Electric Ind Co Ltd Ceramic compositions
SU1713821A1 (ru) * 1989-12-20 1992-02-23 Особое Конструкторское Бюро "Регистр" Института Физики Ан Азсср Способ получени композиционных пьезоматериалов
DE69017189D1 (de) * 1989-09-18 1995-03-30 Mitsubishi Chem Ind Piezoelektrische keramische zusammensetzung für betätiger.
RU2552509C2 (ru) * 2013-08-20 2015-06-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" Пьезокерамический материал для изготовления слоистых гетероструктур
RU2663223C1 (ru) * 2017-08-21 2018-08-02 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" Способ получения пьезокерамического материала

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1376013A (en) * 1971-02-08 1974-12-04 Matsushita Electric Ind Co Ltd Ceramic compositions
DE69017189D1 (de) * 1989-09-18 1995-03-30 Mitsubishi Chem Ind Piezoelektrische keramische zusammensetzung für betätiger.
SU1713821A1 (ru) * 1989-12-20 1992-02-23 Особое Конструкторское Бюро "Регистр" Института Физики Ан Азсср Способ получени композиционных пьезоматериалов
RU2552509C2 (ru) * 2013-08-20 2015-06-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" Пьезокерамический материал для изготовления слоистых гетероструктур
RU2663223C1 (ru) * 2017-08-21 2018-08-02 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" Способ получения пьезокерамического материала

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4849338B2 (ja) 圧電磁器組成物
JP4510966B2 (ja) 圧電体セラミックス
JP5929640B2 (ja) 圧電磁器および圧電素子
JP2013545696A (ja) チタン酸ビスマス亜鉛−チタン酸ビスマスカリウム−チタン酸ビスマスナトリウムに基づいた無鉛圧電材
KR20130128378A (ko) 내피로성이 강화된 납-부재 압전 재료
CN101462875A (zh) 一种钛酸铋钠基无铅压电陶瓷及其制备工艺
WO2005061413A1 (ja) 圧電磁器およびその製造方法
CN102910905A (zh) 一种低温烧结的锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷及其制备方法
JP4001362B2 (ja) 圧電磁器およびその製造方法
CN101891472A (zh) 钙钛矿结构高居里温度无铅压电陶瓷及其制备方法
CN104844202A (zh) 一种锰锑酸铅掺杂的铌镍-锆钛酸铅压电陶瓷
JP4140796B2 (ja) 圧電セラミックス
KR102143696B1 (ko) 무연 압전 세라믹 조성물 및 무연 압전 세라믹 제조 방법
KR101333793B1 (ko) 비스무스계 압전 세라믹스 및 그 제조방법
RU2766856C1 (ru) Способ изготовления пьезокерамического элемента
CN104230333B (zh) 一种高温压电陶瓷材料及其制备方法
JP4496579B2 (ja) 圧電セラミック組成物
Song et al. Dielectric and piezoelectric properties in the BiScO3–PbTiO3–PbO· SnO2 ternary system
JP4039871B2 (ja) 圧電磁器
CN115385675B (zh) 一种高居里温度兼具储能特性的铁酸铋基无铅铁电陶瓷材料及其制备方法
KR100801477B1 (ko) 무연 세라믹스 및 그의 제조방법
JP3468461B2 (ja) 圧電セラミック組成物
CN103896586B (zh) 一种压电陶瓷及其制备方法
JP2001294482A (ja) 圧電磁器
JPH10324569A (ja) 圧電体磁器組成物