WO2006103143A1 - Piezokeramik, piezoelektrisches bauteil mit der piezokeramik und verfahren zum herstellen der piezokeramik - Google Patents

Piezokeramik, piezoelektrisches bauteil mit der piezokeramik und verfahren zum herstellen der piezokeramik Download PDF

Info

Publication number
WO2006103143A1
WO2006103143A1 PCT/EP2006/060024 EP2006060024W WO2006103143A1 WO 2006103143 A1 WO2006103143 A1 WO 2006103143A1 EP 2006060024 W EP2006060024 W EP 2006060024W WO 2006103143 A1 WO2006103143 A1 WO 2006103143A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
piezoceramic
mol
earth metal
phase
oxide
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/060024
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Francois Bamiere
Hermann BÖDINGER
Morgane Radanielina
Carsten Schuh
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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 Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2006103143A1 publication Critical patent/WO2006103143A1/de

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
    • C04B35/493—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates containing also titanium oxides or titanates based on lead zirconates and lead titanates, e.g. PZT containing also other lead compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/853—Ceramic compositions
    • 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
    • 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
    • C04B2235/3208—Calcium oxide or oxide-forming salts thereof, e.g. lime
    • 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
    • C04B2235/3205—Alkaline earth oxides or oxide forming salts thereof, e.g. beryllium oxide
    • C04B2235/3215—Barium 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
    • C04B2235/3224—Rare earth oxide or oxide forming salts thereof, e.g. scandium oxide
    • C04B2235/3227—Lanthanum oxide 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
    • C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3251—Niobium oxides, niobates, tantalum oxides, tantalates, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3255—Niobates or tantalates, e.g. silver niobate
    • 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
    • C04B2235/327—Iron group oxides, their mixed metal 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
    • C04B2235/327—Iron group oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3279—Nickel oxides, nickalates, or oxide-forming salts thereof

Abstract

Piezokeramik, piezoelektrisches Bauteil mit der Piezokeramik und Verfahren zum Herstellen der Piezokeramik Die Erfindung betrifft eine Piezokeramik mit einer piezokeramischen Phase mit Bleizirkonattitanat und Bleinickelniobat (PZT-PNN) . Eine allgemeine Summenformel der piezokeramischen Phase lautet Pbi-aDcZrxTiy (Nii/3Nb2/3) ZC>3, wobei D mindestens ein Erdalkalimetall mit einem Erdalkalimetallanteil c ist und a < 1, b > 0, c > 0 und 0,9 < (x + y + z) ≤ 1,1 sind. Die Piezokeramik ist dadurch gekennzeichnet, dass die piezokeramische Phase einen Phasenanteil von über 99 Vol% bezogen auf einen Feststof fanteil der Piezokeramik aufweist. Neben der Piezokeramik werden ein piezoelektrisches Bauteil mit der Piezokeramik und ein Verfahren zum Herstellen der Piezokeramik angegeben. Zum Herstellen der Piezokeramik wird ein Mixed-Oxide-Verfahren eingesetzt. Dazu werden oxidische Ausgangsmaterialien der Metalle der Piezokeramik eingesetzt. Insbesondere durch den Einsatz von NiO und Nb2Üs entsteht bei der Bildung der Piezokeramik intermediär eine Pyrochlorphase, die die Verdichtung der Piezokeramik begünstigt. Es resultiert eine Piezokeramik mit einer Dichtbrandtemperatur von unter 95O0C und einem relativ hohen d33~Koef f izienten. Mit der Piezokeramik ist ein monolithisches, piezoelektrisches Piezoelement zugänglich, für das Silber, Kupfer oder eine Silber-Palladium-Legierung mit niedrigem Palladiumanteil als Elektrodenmaterial eingesetzt werden kann. Das Bauteil mit einem oder mehreren Piezoelementen kann als Biegewandler ausgestaltet sein. Denkbar ist auch eine Ausgestaltung als Ultraschallwandler für die Medizintechnik. Als Vielschichtaktor wird das Bauteil auch zur Ansteuerung eines Ventils, insbesondere eines Ventils einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs eingesetzt.

Description

Beschreibung
Piezokeramik, piezoelektrisches Bauteil mit der Piezokeramik und Verfahren zum Herstellen der Piezokeramik
Die Erfindung betrifft eine Piezokeramik mit einer piezokeramischen Phase mit Bleizirkonattitanat und Bleinickelniobat (PZT-PNN) . Eine allgemeine Summenformel der piezokeramischen Phase lautet Pbi-aDcZrxTiy (Nii/3Nb2/3) ZC>3, wobei D mindestens ein Erdalkalimetall mit einem
Erdalkalimetallanteil c ist und a < 1, c > 0 und 0,9 ≤ (x + y + z) ≤ 1,1 sind. Daneben werden ein piezoelektrisches Bauteil mit der Piezokeramik und ein Verfahren zum Herstellen der Piezokeramik angegeben.
Eine Piezokeramik mit Perwoskitstruktur, die
Bleizirkonattitanat und Bleinickelniobat aufweist, verfügt in der Regel über eine Dichtbrandtemperatur (Sintertemperatur) von 12000C bis 13000C. Aufgrund dieser hohen Dichtbrandtemperatur der Piezokeramik kann in einem gemeinsamen Sinterprozess (Co-Firing) nur ein Metall als Elektrodenmaterial verarbeitet werden, das über eine relativ hohe Schmelztemperatur verfügt. Geeignete Metalle sind Platin oder Silber-Palladium-Legierungen mit relativ hohem Palladium-Anteil. Die genannten Metalle sind relativ teuer. Daher ist es wünschenswert, die Dichtbrandtemperatur der Piezokeramik zu erniedrigen.
Eine Piezokeramik der eingangs genannten Art mit einer relativ niedrigen Dichtbrandtemperatur und ein Verfahren zum Herstellen der Piezokeramik ist beispielsweise aus DE 44 16 246 C2 bekannt. Die Piezokeramik weist neben der piezokeramischen Phase eine Glasphase auf. Durch die Anwesenheit der Glasphase wird eine Dichtbrandtemperatur von unter 95O0C erreicht. Damit kann Silber als
Elektrodenmaterial verarbeitet werden. Allerdings ist ein piezoelektrisch aktives Volumen der Piezokeramik aufgrund der Anwesenheit der Glasphase reduziert. Dies führt zu einem relativ niedrigen d33~Koeffizienten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Piezokeramik mit Bleizirkonattitanat anzugeben, die eine relativ niedrige Dichtbrandtemperatur und gleichzeitig ein relativ großes piezoelektrisch aktives Volumen aufweist.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Piezokeramik angegeben, aufweisend eine piezokeramische Phase mit der allgemeinen
Summenformel Pbi-aDcZrxTiy (Nii/3Nb2/3) ZC>3, wobei D mindestens ein Erdalkalimetall mit einem Erdalkalimetallanteil c ist und a < 1, c > 0 und 0,9 < (x + y + z) < 1,1 sind. Die Piezokeramik ist dadurch gekennzeichnet, dass die Piezokeramik die piezokeramische Phase mit einem Phasenanteil von über 99 Vol% bezogen auf einen Feststoffanteil der Piezokeramik aufweist. Vorzugsweise beträgt der Phasenanteil der piezokeramischen Phase über 99,9 Vol% und insbesondere über 99,99 Vol%. Der Feststoffanteil der Piezokeramik wird nur von Feststoffen gebildet. Bei der Angabe des
Phasenanteils der piezokeramischen Phase ist eine vorhandene Porosität nicht berücksichtigt. Die Summe aus x, y und z muss nicht notwendigerweise 1 sein. Dies bedeutet, dass auch eine nicht-stöchiometrische Zusammensetzung bezüglich der besetzten B-Plätze des Perowskits möglich ist.
Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: Mischen von oxidischen Ausgangsverbindungen mit Blei, Seltenerdmetall, Erdalkalimetall, Zirkonium, Titan, Nickel und Niob zu einer Oxidmischung und Wärmebehandlung der Oxidmischung. Die Piezokeramik wird also vorzugsweise über das so genannte Mixed-Oxide Verfahren hergestellt. Dazu werden Pulver der oxidischen Ausgangsverbindungen in der gewünschten stöchiometrischen Zusammensetzung vermischt und anschließend kalziniert und/oder gesintert. Die oxidischen Ausgangsverbindungen sind insbesondere Bleioxid (PbO) , Seltenerdoxid (RE2O3) , Erdalkalioxid (DO) , Zirkoniumoxid (ZrO2), Titanoxid (TiO2), Nickeloxid (NiO), Nioboxid (Nb2O5) und die Mischoxide Titan-Zirkonoxid ((Ti, Zr) O2) und Nickel- Nioboxid ( (Nii/3Nb2/3) O2) . Als oxidische Ausgangsverbindungen kommen auch Vorstufen der Ausgangsverbindungen in Frage, die erst in die eigentlichen oxidischen Ausgangsverbindungen überführt werden. Eine solche Vorstufe ist beispielsweise ein Erdalkalicarbonat (DCO3) , das durch Temperaturerhöhung in das entsprechende Erdalkalioxid überführt wird. Alternative Herstellverfahren, beispielsweise das so genannte Sol-Gel- Verfahren oder das Emulsions-Verfahren sind ebenfalls denkbar.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die Piezokeramik mit Zirkonium, Titan, Nickel und Niob an den B-Plätzen und Blei und Erdalkalimetallen an den A-Plätzen der perowskitischen Kristallstruktur eine relativ niedrige Dichtbrandtemperatur aufweist. Mit der niedrigen Dichtbrandtemperatur ist es möglich, Silber, Kupfer oder eine Silber-Palladium-Legierung mit niedrigem Palladiumanteil als Elektrodenmaterial zu verarbeiten. Der Palladiumanteil beträgt dabei unter 30 mol%, beispielsweise 10 mol% oder 5 mol%. Trotz niedriger Dichtbrandtemperatur weist die Piezokeramik einen relativ hohen d33~Koeffizienten auf, so dass die Piezokeramik für den Einsatz von piezokeramischen Bauteilen in Vielschichtbauweise geeignet ist.
Das Erdalkalimetall ist vorzugsweise ein aus der Gruppe Calcium, Strontium und/oder Barium ausgewähltes Element. Magnesium als Erdalkalimetall ist ebenfalls denkbar. Ebenso sind Mischungen dieser Erkalkalimetalle denkbar. Der
Erdalkalianteil c ist insbesondere aus dem Bereich von 0,01 bis 0,05 ausgewählt. Der Erdalkalianteil beträgt also zwischen 1 mol% und 5 mol%. Beispielsweise beträgt der Erdalkalianteil 2 mol% oder 4 mol%. Höhere Erdalkalianteile von bis zu 10 mol% sind ebenfalls denkbar.
In einer besonderen Ausgestaltung lautet die allgemeine Summenformel der piezokeramischen Phase Pbi- aREbDcZrxTiy (Nii/3Nb2/3) ZO3, wobei RE mindestens ein Seltenerdmetall mit einem Seltenerdmetall b ist. Als Seltenerdmetall kann ein beliebiges Element der Lanthaniden- oder Actiniden-Gruppe eingesetzt werden. Vorzugsweise ist das Seltenerdmetall ein aus der Gruppe Europium (Eu) ,
Gadolinium (Gd) , Lanthan (La), Neodym (Nd), Praseodym (Pr) , Promethium (Pm) und/oder Samarium (Sm) ausgewähltes Element. Dabei kann ein einziges Seltenerdmetall oder eine Mischung der genannten Seltenerdmetalle eingesetzt werden. Mit dem Seltenerdmetall bzw. mit den Seltenerdmetallen können die elektrischen bzw. dielektrischen Eigenschaften der Piezokeramik bezielt beeinflusst werden. Gleichzeitig bleibt die durch die Erkalkalimetalle induzierte niedrige Sintertemperatur erhalten.
In einer besonderen Ausgestaltung wird die oxidische Ausgangsverbindung mit Nickel aus der Gruppe (Nii/3Nb2/3) O2 und NiO ausgewählt. Vorzugsweise wird ein NiO-Anteil an der oxidischen Ausgangsverbindung mit Nickel aus dem Bereich von 0,1 mol% bis 10 mol% und insbesondere mit einem aus dem
Bereich von einschließlich 0,5 mol% bis 5 mol% ausgewählt. Die Prozentangaben beziehen sich nicht auf die gesamte piezokeramische Phase, sondern nur auf den Anteil, der durch oxidische Ausgangsverbindung mit Nickel gegeben ist. Dabei kann NiO auch vollständig oder zum Teil aus einer Vorstufe von NiO bestehen, beispielsweise aus Nickelcarbonat (NiCOs) oder aus Nickelhydroxid (Ni(OH)2).
Die oxidische Ausgangsverbindung mit Niob wird vorzugsweise aus der Gruppe (Nii/3Nb2/3) O2 und Nb2Os ausgewählt. Insbesondere wird ein Nb2Os-Anteil an der oxidischen Ausgangsverbindung mit Niob aus dem Bereich von 0,1 mol% bis 10 mol% und insbesondere mit einem aus dem Bereich von einschließlich 0,5 mol% bis 5 mol% ausgewählt. Insbesondere eine entsprechende Oxidmischung aus PbO, RE2O3, DO, ZrO2, TiO2, (Nii/3Nb2/3) O2, NiO und Nb2Os führt zu einer Piezokeramik mit den gewünschten Eigenschaften. Anstelle von ZrO2 und TiO2 kann auch ein Mischoxid aus Zirkonium und Titan ((Ti, Zr) O2) eingesetzt werden. Durch die Zugabe von NiO und Nb2Üs kommt es während der Wärmebehandlung der Oxidmischung bevorzugt zur Ausbildung einer intermediären Pyrochlorphase . Es wird vermutet, dass die Pyrochlorphase, die im Lauf der Wärmebehandlung wieder aufgelöst wird, die Verdichtung der Piezokeramik derart begünstigt, dass die niedrige Dichtbrandtemperatur erreicht wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein piezoelektrisches Bauteil mit mindestens einem monolithischen Piezoelement angegeben, aufweisend eine Elektrodenschicht, mindestens eine weitere Elektrodenschicht und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete Piezokeramikschicht mit der Piezokeramik. Denkbar ist beispielsweise, dass mit der neuen Piezokeramik ein piezokeramischer Biegewandler ausgestaltet ist. Der Biegewandler weist ein oder mehrere derartige Piezoelemente auf. Denkbar ist auch, dass ein Ultraschallwandler, der in der Medizintechnik eingesetzt wird, aus solchen Piezoelementen mit der neuen Piezokeramik ausgestattet ist.
Vorzugsweise ist eine Vielzahl der Piezoelemente übereinander zu einem monolithischen, stapeiförmigen Aktorkörper in Vielschichtbauweise (Multilayeraktor) angeordnet. Das piezoelektrische Bauteil mit dem Aktorkörper in Vielschichtbauweise wird zur Ansteuerung eines Ventils, insbesondere zur Ansteuerung eines Ventils einer Brennkraftmaschine verwendet.
Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele wird die Erfindung um Folgenden näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
Figur 1 zeigt ein piezoelektrisches Bauteil mit einem monolithischen Piezoelement mit der Piezokeramik.
Figur 2 zeigt das Schwindungsverhalten einer PNN-PZT-
Piezokeramik, die mit Strontium und Neodym dotiert ist. Figur 3 zeigt die Abhängigkeit des d33~Koeffizienten der mit Neodym dotierten PNN-PZT-Piezokeramik von der Höhe der Strontium- und der Barium-Dotierung.
Gegeben ist eine Piezokeramik mit einer piezokeramischen Phase, die die allgemeine Summenformel Pbi- aREbZrxTiy (Nii/3Nb2/3) zθ3 aufweist . Die Piezokeramik besteht zu 99 Vol% aus der piezokeramischen Phase bezogen auf den Feststoffanteil . Eine Fremdphase als Feststoffanteil ist nahezu nicht enthalten.
Ausgangspunkt der Piezokeramik ist eine Zusammensetzung, bei der Blei mit einem Bleianteil von 0,9925 (a = 0,0075) enthalten ist. Das Seltenerdmetall ist Neodym mit einem Seltenerdmetallanteil b von 0,015. Der Zirkoniumanteil x beträgt 0,294, der Titananteil y beträgt 0,38 und der Anteil z von (Nii/3Nb2/3) beträgt 0,326.
Die piezokeramische Phase zeichnet sich durch eine isovalente Erdalkalidotierung D mit einem Erdalkalianteil c aus . Das Erdalkalimetall ist gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel Strontium. Strontium ist mit einem Strontiumanteil c von 0,01 bis 0,04 enthalten.
Aus der Figur 2 ist die Änderung des Schwindungsverhaltens der Piezokeramik in Abhängigkeit von der Strontiumdotierung zu entnehmen. Die Referenz 200 mit einem Strontiumanteil von 0 mol% verdichtet bei Temperaturen von etwa 12000C. Dagegen verdichtet die Piezokeramik mit einem Anteil von 1 mol%
(201), 2 mol% (202), 3 mol% (203) und 4 mol% (204) bei einer Dichtbrandtemperatur von etwa 900 0C.
Aus der Figur 3 ist die Abhängigkeit des d33~Koeffizienten der Piezokeramik vom Strontiumanteil zu entnehmen
(Bezugszeichen 301) : Die d33-Koeffizienten wurden bei einer elektrischen Feldstärke von 1 kV/mm ermittelt. Gesintert wurde die Piezokeramik jeweils bei einer Temperatur von 1000 0C. Mit steigendem Anteil an Strontium steigt der d33- Koeffizient der Piezokeramik.
Zum Herstellen der Piezokeramik werden im Mixed-Oxide- Verfahren pulverförmiges PbO, Nd2O3, SrCO3, ZrO2, TiO2,
(Nii/3Nb2/3) O3, NiO und Nb2Os vermischt, eventuell gemahlen. PbO wird, wie üblich, aufgrund des relativ hohen Dampfdrucks von PbO im Überschuss zugegeben. Nachfolgend wird die Oxidmischung kalziniert bzw. gesintert. Wie oben dargestellt, kommt es bereits bei Temperaturen von unter 10000C zu einer Verdichtung.
Alternativ dazu werden Zirkonium und Titan als (Ti, Zr) O2 eingesetzt. Ein besonders feines und damit reaktives Pulver dieses Mischoxids ist durch hydrothermale Co-Fällung zugänglich.
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel wird anstelle von
Strontium Barium als Erdalkalimetall verwendet. Gesintert wurde die Piezokeramik ebenfalls bei einer Temperatur von
1000 0C. Auch im Fall von Barium nimmt mit steigendem Anteil an Barium der d33-Koeffizient der Piezokeramik zu (Figur 3, Bezugszeichen 302).
Zum Herstellen der Piezokeramik wird BaCO3 eingesetzt. Das
Herstellen erfolgt entsprechend dem Verfahren zum Herstellen der mit Strontium dotierten Piezokeramik.
Mit der neuen Piezokeramik ist ein neuartiges piezoelektrisches Bauteil 1 mit der Piezokeramik zugänglich (Figur 1) . Dieses Bauteil verfügt über mindestens ein monolithisches Piezoelement 10 mit einer ersten Elektrodenschicht 101, einer zweiten Elektrodenschicht 102 und einer zwischen den Elektrodenschichten 101 und 102 angeordneten Piezokeramikschicht 103 mit der Piezokeramik.
Die Elektrodenschichten weisen als Elektrodenmaterial Silber auf. Alternativ dazu bestehen die Elektroden aus Kupfer oder einer Silber-Palladium-Legierung mit niedrigem Palladiumanteil. Durch elektrische Ansteuerung der Elektroden wird ein elektrisches Feld in die Piezokeramikschicht eingekoppelt. Aufgrund des eingekoppelten elektrischen Feldes kommt es zur Auslenkung der Piezokeramikschicht und damit des gesamten Piezoelements . Aufgrund der relativ hohen d33-
Koeffizienten wird eine relativ starke Auslenkung erzielt.
Gemäß einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform ist eine Vielzahl solcher Piezoelemente 10 übereinander zu einem monolithischen Aktorkörper in Vielschichtbauweise angeordnet. Zum Herstellen des Aktorkörpers in Vielschichtbauweise werden keramische Grünfolien mit der Piezokeramik oder mit den oxidischen Ausgangsmaterialien der Piezokeramik mit dem entsprechenden Elektrodenmaterial bedruckt, übereinander gestapelt, laminiert, entbindert und gesintert.

Claims

Patentansprüche
1 . Piezokeramik, aufweisend eine piezokeramische Phase mit der allgemeinen Summenformel Pbi-aDcZrxTiy (Nii/3Nb2/3 ) ZC>3 , wobei
D mindestens ein Erdalkalimetall mit einem Erdalkalimetallanteil c ist und a < 1, c > 0 und 0,9 < (x + y + z) < 1,1 sind, dadurch gekennzeichnet, dass - die Piezokeramik die piezokeramische Phase mit einem Phasenanteil von über 99 Vol% bezogen auf einen Feststoffanteil der Piezokeramik aufweist.
2. Piezokeramik nach Anspruch 1, wobei der Phasenanteil über 99,9 Vol% und insbesondere über 99,99 Vol% beträgt.
3. Piezokeramik nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Erdalkalimetall ein aus der Gruppe Calcium, Strontium und/oder Barium ausgewähltes Element ist.
4. Piezokeramik nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Erdalkalianteil c aus dem Bereich von 0,01 bis 0,05 ausgewählt ist.
5. Piezokeramik, wobei die allgemeine Summenformel der piezokeramischen Phase Pbi-aREbDcZrxTiy (Nii/3Nb2/3) ZC>3 lautet, wobei RE mindestens ein Seltenerdmetall mit einem Seltenerdmetall b ist.
6. Piezokeramik nach Anspruch 5, wobei das Seltenerdmetall ein aus der Gruppe Europium, Gadolinium, Lanthan, Neodym, Praseodym, Promethium und/oder Samarium ausgewähltes Element ist.
7. Verfahren zum Herstellen der Piezokeramik nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit folgenden Verfahrensschritten: a) Mischen von oxidischen Ausgangsverbindungen mit Blei, Seltenerdmetall, Erdalkalimetall, Zirkonium, Titan, Nickel und Niob zu einer Oxidmischung und b) Wärmebehandlung der Oxidmischung.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die oxidische Ausgangsverbindung mit Nickel aus der Gruppe (Nii/3Nb2/3) O2 und NiO ausgewählt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein NiO-Anteil an der oxidischen Ausgangsverbindung mit Nickel aus dem Bereich von 0,1 mol% bis 10 mol% und insbesondere mit einem aus dem Bereich von einschließlich 0,5 mol% bis 5 mol% ausgewählt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die oxidische Ausgangsverbindung mit Niob aus der Gruppe (Nii/3Nb2/3) O2 und Nb2Üs ausgewählt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei ein Nb2O5-Anteil an der oxidischen Ausgangsverbindung mit Niob aus dem Bereich von 0,1 mol% bis 10 mol% und insbesondere mit einem aus dem Bereich von einschließlich 0,5 mol% bis 5 mol% ausgewählt wird.
12. Piezoelektrisches Bauteil mit mindestens einem monolithischen Piezoelement (10) , aufweisend eine Elektrodenschicht (101), mindestens eine weitere Elektrodenschicht (102) und - mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten (101, 102) angeordnete Piezokeramikschicht (103) mit der Piezokeramik nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
PCT/EP2006/060024 2005-03-31 2006-02-16 Piezokeramik, piezoelektrisches bauteil mit der piezokeramik und verfahren zum herstellen der piezokeramik WO2006103143A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102005014765.8 2005-03-31
DE102005014765A DE102005014765B4 (de) 2005-03-31 2005-03-31 Verfahren zum Herstellen einer Piezokeramik und Verwendung des Verfahrens zum Herstellen eines piezoelektrischen Bauteils mit der Piezokeramik

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2006103143A1 true WO2006103143A1 (de) 2006-10-05

Family

ID=36090945

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2006/060024 WO2006103143A1 (de) 2005-03-31 2006-02-16 Piezokeramik, piezoelektrisches bauteil mit der piezokeramik und verfahren zum herstellen der piezokeramik

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102005014765B4 (de)
WO (1) WO2006103143A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009034038A3 (de) * 2007-09-07 2009-10-22 Epcos Ag Keramikmaterial, verfahren zur herstellung desselben und elektrokeramisches bauelement umfassend das keramikmaterial

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009002835A1 (de) 2009-05-06 2010-11-11 Robert Bosch Gmbh Piezokeramik für einen Piezoaktor oder ein Piezoaktormodul
DE102010001246A1 (de) 2010-01-27 2011-07-28 Robert Bosch GmbH, 70469 Verfahren und Stoffe zur Herstellung einer Piezokeramik für einen Piezoaktor oder ein Piezoaktormodul

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02112104A (ja) * 1988-10-20 1990-04-24 Sanyo Electric Co Ltd 圧電磁器組成物
JPH03215358A (ja) * 1990-01-19 1991-09-20 Murata Mfg Co Ltd 圧電性磁器組成物
JPH08151262A (ja) * 1994-11-28 1996-06-11 Murata Mfg Co Ltd 圧電磁器組成物
JP2001302348A (ja) * 2000-04-19 2001-10-31 Tokin Corp 圧電磁器組成物
US20040021399A1 (en) * 2002-07-25 2004-02-05 Tomoyuki Ogawa Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric element
JP2004115346A (ja) * 2002-09-30 2004-04-15 Kyocera Corp 圧電磁器組成物及びこれを用いたインクジェット記録ヘッド

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3583916A (en) * 1967-10-24 1971-06-08 Matsushita Electric Ind Co Ltd Piezoelectric ceramic composition
JP2001002469A (ja) * 1999-04-22 2001-01-09 Murata Mfg Co Ltd 圧電体ペーストならびにこれを用いた圧電体膜および圧電体部品

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02112104A (ja) * 1988-10-20 1990-04-24 Sanyo Electric Co Ltd 圧電磁器組成物
JPH03215358A (ja) * 1990-01-19 1991-09-20 Murata Mfg Co Ltd 圧電性磁器組成物
JPH08151262A (ja) * 1994-11-28 1996-06-11 Murata Mfg Co Ltd 圧電磁器組成物
JP2001302348A (ja) * 2000-04-19 2001-10-31 Tokin Corp 圧電磁器組成物
US20040021399A1 (en) * 2002-07-25 2004-02-05 Tomoyuki Ogawa Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric element
JP2004115346A (ja) * 2002-09-30 2004-04-15 Kyocera Corp 圧電磁器組成物及びこれを用いたインクジェット記録ヘッド

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 014, no. 328 (E - 0952) 13 July 1990 (1990-07-13) *
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 015, no. 488 (C - 0893) 11 December 1991 (1991-12-11) *
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 1996, no. 10 31 October 1996 (1996-10-31) *
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 2002, no. 02 2 April 2002 (2002-04-02) *
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 2003, no. 12 5 December 2003 (2003-12-05) *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009034038A3 (de) * 2007-09-07 2009-10-22 Epcos Ag Keramikmaterial, verfahren zur herstellung desselben und elektrokeramisches bauelement umfassend das keramikmaterial
JP2010537937A (ja) * 2007-09-07 2010-12-09 エプコス アクチエンゲゼルシャフト セラミック材料、セラミック材料を製造する方法、および、セラミック材料を含むエレクトロセラミック構成要素
US7990029B2 (en) 2007-09-07 2011-08-02 Epcos Ag Ceramic material, method for producing the same, and electro-ceramic component comprising the ceramic material
US8282755B2 (en) 2007-09-07 2012-10-09 Epcos Ag Ceramic material, method for producing the same, and electro-ceramic component comprising the ceramic material
KR101463645B1 (ko) 2007-09-07 2014-11-19 에프코스 아게 세라믹 재료，세라믹 재료를 제조하는 방법 및 세라믹 재료를 포함하는 전기­세라믹 성분

Also Published As

Publication number Publication date
DE102005014765A1 (de) 2006-10-12
DE102005014765B4 (de) 2007-10-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE10062672B4 (de) Piezoelektrisches Bauelement
WO2011103935A1 (de) Bleifreier, mehrphasiger keramischer werkstoff mit texturierung, verfahren zum herstellen des werkstoffs und verwendung des werkstoffs
EP1704602A1 (de) Keramikmaterial
WO2008122458A1 (de) Piezoelektrische, bleifreie keramische zusammensetzung, verfahren zu deren herstellung sowie ein dieses material umfassendes piezoelektrisches bauelement
DE102005061528B4 (de) Piezokeramisches Bauteil mit Bleizirkonattitanat mit Eisen-Wolfram-Dotierung, Verfahren zum Herstellen des piezokeramischen Bauteils und seine Verwendung
DE10326041B4 (de) Verfahren zur Herstellung von PZT-basierten Keramiken mit niedriger Sintertemperatur und deren Verwendung
EP2102133A1 (de) Niedrig sinterndes, piezoelektrisches material auf blei-zirkonat-titanat-mischkristall-basis, verfahren zu dessen herstellung sowie ein dieses material umfassendes piezoelektrisches bauelement
DE102006015042B4 (de) Bleifreier piezokeramischer Werkstoff mit Kupferdotierung, Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils mit dem Werkstoff und Verwendung des Bauteils
WO2003101946A2 (de) Piezokeramische zusammensetzung, piezokeramischer körper mit der zusammensetzung und verfahren zum herstellen der zusammensetzung und des körpers
DE102005014765B4 (de) Verfahren zum Herstellen einer Piezokeramik und Verwendung des Verfahrens zum Herstellen eines piezoelektrischen Bauteils mit der Piezokeramik
DE102006004447A1 (de) Bleifreier piezokeramischer Werkstoff, Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils mit dem Werkstoff und Verwendung des Bauteils
DE102006008742B4 (de) Bleifreier piezokeramischer Werkstoff mit Erdalkalidotierung, Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils mit dem Werkstoff und Verwendung des Bauteils
DE102005061529B4 (de) Bleizirkonattitanat mit Nickel-Molybdän-Dotierung, Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils unter Verwendung des Bleizirkonattitanats und Verwendung des piezokeramischen Bauteils
DE102007028094B4 (de) Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik mit Texturierung, Verfahren zum Herstellen der Keramik und eines piezokeramischen Bauteils und dessen Verwendung
DE102007029601A1 (de) Bleizirkonattitanat mit Eisen-Niob-Wolfram-Dotierung, Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils unter Verwendung des Bleizirkonattitanats und Verwendung des piezokeramischen Bauteils
DE102008008902B3 (de) Verfahren zum Herstellen eines bleifreien piezokeramischen Werkstoffs des Kalium-Natrium-Niobat-Systems mit Hilfe von Niobhydroxid und Verwendung eines Bauteils mit dem Werkstoff
WO2009015958A2 (de) Bleifreier, zweiphasiger piezokeramischer werkstoff, verfahren zum herstellen eines piezokeramischen bauteils mit dem werkstoff und verwendung des bauteils
WO2012000752A1 (de) Bleifreier piezokeramischer werkstoff mit perowskit-phase und wolframbronze-phase und verfahren zum herstellen eines piezokeramischen bauteils mit dem werkstoff
DE102007029613A1 (de) Bleizirkonattitanat mit Nickel-Wolfram-Dotierung, Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils unter Verwendung des Bleizirkonattitanats und Verwendung des piezokeramischen Bauteils
DE102007029600A1 (de) Bleizirkonattitanat mit Scandium-Wolfram-Dotierung, Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils unter Verwendung des Bleizirkonattitanats und Verwendung des piezokeramischen Bauteils
DE4223186A1 (de) Bei niedrigen Temperaturen sinterbarer Versatz zur Herstellung von piezoelektrischen, keramischen Formkörpern und daraus durch Sintern hergestellte Formkörper
DE102008008903A1 (de) Verfahren zum Herstellen eines bleifreien piezokeramischen Werkstoffs des Kalium-Natrium-Niobat-Systems mit Hilfe perowskitischer Ausgangsmaterialien und Verwendung eines Bauteils mit dem Werkstoff

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Country of ref document: DE

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: RU

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Country of ref document: RU

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 06708317

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Ref document number: 6708317

Country of ref document: EP