WO2011138323A1 - Pzt enthaltender, keramischer werkstoff, bauelement aufweisend den pzt enthaltenden, keramischen werkstoff, verwendung des bauelements und verfahren zur herstellung des pzt enthaltenden, keramischen werkstoffs - Google Patents

Pzt enthaltender, keramischer werkstoff, bauelement aufweisend den pzt enthaltenden, keramischen werkstoff, verwendung des bauelements und verfahren zur herstellung des pzt enthaltenden, keramischen werkstoffs Download PDF

Info

Publication number
WO2011138323A1
WO2011138323A1 PCT/EP2011/057048 EP2011057048W WO2011138323A1 WO 2011138323 A1 WO2011138323 A1 WO 2011138323A1 EP 2011057048 W EP2011057048 W EP 2011057048W WO 2011138323 A1 WO2011138323 A1 WO 2011138323A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
ceramic material
ceramic
pzt
component
material according
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/057048
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Hoffmann
Patrick Schmidt-Winkel
Original Assignee
Epcos Ag
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 Epcos Ag filed Critical Epcos Ag
Publication of WO2011138323A1 publication Critical patent/WO2011138323A1/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
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/09—Forming piezoelectric or electrostrictive materials
    • H10N30/093—Forming inorganic materials
    • H10N30/097—Forming inorganic materials by sintering
    • 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
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
    • 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
    • H10N30/8548—Lead based oxides
    • H10N30/8554—Lead zirconium titanate based
    • 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
    • C04B2235/3201—Alkali metal oxides or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3203—Lithium 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
    • C04B2235/3205—Alkaline earth oxides or oxide forming salts thereof, e.g. beryllium oxide
    • C04B2235/3206—Magnesium 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
    • C04B2235/3208—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
    • C04B2235/3231—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
    • C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3258—Tungsten oxides, tungstates, 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
    • C04B2235/3262—Manganese oxides, manganates, rhenium oxides or oxide-forming salts thereof, e.g. MnO
    • 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
    • C04B2235/3272—Iron oxides or oxide forming salts thereof, e.g. hematite, magnetite
    • 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
    • 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
    • C04B2235/3281—Copper oxides, cuprates or oxide-forming salts thereof, e.g. CuO or Cu2O
    • 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
    • C04B2235/3284—Zinc oxides, zincates, cadmium oxides, cadmiates, mercury oxides, mercurates 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
    • C04B2235/3289—Noble metal oxides
    • C04B2235/3291—Silver oxides
    • 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
    • C04B2235/3294—Antimony oxides, antimonates, antimonites or oxide forming salts thereof, indium antimonate
    • 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
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • 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
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/74—Physical characteristics
    • C04B2235/76—Crystal structural characteristics, e.g. symmetry
    • C04B2235/768—Perovskite structure ABO3
    • 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
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/74—Physical characteristics
    • C04B2235/79—Non-stoichiometric products, e.g. perovskites (ABO3) with an A/B-ratio other than 1

Definitions

  • the invention relates to a ceramic material and a component containing the ceramic material. Furthermore, the invention relates to the use of the device and a method for producing the ceramic material.
  • Ceramic materials are used for example in the herstel ⁇ lung piezoelectric multilayer elements to be produced by a co-firing process, and for example, Ag containing Ag / Pd or Cu internal electrodes, which are disposed between ceramic layers.
  • Piezoelectric multilayer components can be, for example, piezoelectric actuators, hereinafter piezoactuators, which can be used inter alia for fuel supply in internal combustion engines.
  • piezoactuators typically include a perovskite ceramic having an ABO 3 structure containing lead zirconate titanate (PZT, Pb (Zr 1-y
  • Tiy) 03) can be.
  • An object to be solved is to provide a ceramic material which has improved properties over known ceramic materials. This object is achieved by a ceramic material according to claim 1. Further embodiments of the ceramic material, a method for its production, a component
  • a ceramic material comprising lead zirconate titanate (PZT), which acts as a host lattice and has a perovskite structure.
  • the ceramic material further comprises a first dopant system DS ] _, which has a cryolite structure, and a second dopant system DS2, which has a perovskite structure.
  • the ceramic material has an improved microstructure structural ⁇ structure.
  • the microstructure forms during the
  • thermal processing typically in one
  • Temperature range from about 900 ° C to 1150 ° C.
  • the sintering temperature is preferably adapted to the internal electrode material, for example about 900 ° C. for internal Ag electrodes, about 1000 ° C. for internal Cu electrodes and up to about 1150 ° C. for Ag / Pd internal electrodes.
  • the internal electrode material for example about 900 ° C. for internal Ag electrodes, about 1000 ° C. for internal Cu electrodes and up to about 1150 ° C. for Ag / Pd internal electrodes.
  • an oxygen-poor thermal process control is required, which allows a nearly complete elimination of the organic constituents, such as binder, from corresponding multi-layer green bodies, that is, the layers of the still unsintered ceramic material.
  • the sintering activity of the ceramic material can be set higher, whereby the formation of a ceramic composition with high density, for example greater than 95%, is made possible.
  • a sufficient grain ⁇ size of the piezoelectric material for example,> 1 ym under the conditions of a co-firing process with the various inner electrode materials in
  • the ceramic material may be a ferroelectric
  • the ferroelectric and piezoelectric properties of the ceramic material are largely stable.
  • the lead zirconate titanate ie the PZT material contained in the ceramic material, formally has the formula Pb (Zr ] __yTiy) O3 with 0.3 ⁇ 1 -y ⁇ 0.6. y can also be selected from the range 0.4 ⁇ 1-y ⁇ 0.6.
  • This PZT material is the ferroelectric property significantly transmitting material in the ceramic material, the dopant ⁇ systems are added.
  • the value of y can be applied to the morphotropic phase boundary (MPB) can be set thereby, wherein the ceramic material has particularly advantageous piezoelek ⁇ tric and ferroelectric properties.
  • the first DotierstoffSystem DS] _ can be formally have the general formula [(M ⁇ O) i_ p (M 2 0) p] a [b2Ü5]] __ a.
  • M is 1
  • the second dopant system DS2 can form the general formula for Pb-based relaxor systems with complex perovskite structure may be selected from a group including Mg, Fe, Mn, Zn, Ni and Sc
  • M ⁇ may be selected from a group comprising Nb, Ta, Sb and W.
  • M 1 can be a divalent or trivalent metal cation, while M 1 can be a pentavalent or hexavalent metal cation.
  • the combination of other metal cation combinations of M-3 and M ⁇ is conceivable. Examples of such systems are Pb (Zn 1 3 b 2/3) O 3, Pb ( Sc l / 2 Ta l / 2) ° 3 or Pb (Mqi / 2 ⁇ i / 2) ° 3.
  • the second dopant system DS2 which has a perovskite structure, adapts particularly well to the host lattice of the PZT, so that no or at least only a slight disturbance of the host lattice through the addition of the second
  • Dopant system DS2 occurs. Due to the additional doping of the ceramic material containing the PZT material and the first dopant system DS ] _, with the dopant system DS2, the piezoe ⁇ cal and ferroelectric material properties of the sintered ceramic, for example, with regard to a higher dynamic strain compared to conventional ceramic materials be improved.
  • the second dopant system DS2 with complex perovskite structure exhibits relaxor properties, which leads to a complex perovskite-type PZT mixed crystal system when the material is doped with the second dopant system DS2.
  • Relaxor properties are understood as meaning, for example, a broad, strongly frequency-dependent high dielectric permittivity.
  • an additive A may be present in the ceramic material.
  • the additive A may be from a group
  • oxides which comprises L12O, CU2O and Ag2 ⁇ 0.
  • oxides may be provided as starting materials for the ceramic material, for example, the carbonates of the corresponding metals for the production of the ceramic material, which then during the thermal processing (for example, during calcination and / or
  • the sintering temperature for the starting materials of the ceramic material can be lowered, for example, to less than 1000 ° C, preferably to less than 900 ° C.
  • the lower Sintertem ⁇ temperature for example, Pd-Ag poor, pure Ag or Cu for the preparation of between the ceramic layers
  • arranged electrodes of a piezo actuator can be used. Furthermore, a lower sintering temperature causes an energy saving in the manufacturing process of the ceramic or the piezoactuators.
  • the ceramic material may have the general formula [PZT] ] __ c [DSilb [DS2] c [PbO] d [A] m .
  • the first dopant system DS ] _ has a cryolite structure
  • the second dopant system DS2 has a perovskite structure.
  • the ceramic material may be combined with other components compatible with the perovskite structure of the PZT material. Forming mixed crystals, which in combination with the doping material systems DS ] _ and DS2 and the optional additive A allows variable composition within wide limits.
  • the material Pb (Fe) is the material Pb (Fe).
  • the ceramic material may have a sintering temperature of less than or equal to 1000 ° C, even less than or equal to 900 ° C when adding an additive A, in the above general formula at m + 0.
  • the base body comprises at least one ceramic material according to the above embodiments.
  • the main body can be a variety of one above the other
  • arranged ceramic layers comprising the ceramic material with electrodes arranged therebetween, wherein the electrodes of the arranged one above the other Lead out ceramic layers and are contacted via external electrodes.
  • Such a device can be used for example as a piezoelectric actuator.
  • a component may be present within a modular component system, for example an array.
  • the process comprises the process steps A) mixing and calcination of starting materials and / or
  • the process step A) can be carried out in three variants.
  • all starting materials ie the starting materials of the PZT, those of the first dopant system DS] _ and those of the second dopant system DS2 are mixed,
  • Starting materials for the PZT include, for example, Pb3 ⁇ D4, PbO, ZrC> 2 and T1O2 ⁇
  • exemplary starting materials are SrCC> 3 and b2Ü5.
  • starting materials Pb3 ⁇ D4, PbO, b2Ü5 and N1CO3 may comprise, if the second
  • Dopant system DS2 Pb (Ni] _ / 3Nb2 / 3) O3 contains. If the second dopant system DS2 has Pb (Mg] _ / 3 b273) O3, include the starting materials Pb3 ⁇ D4, PbO, b2Ü5 and MgCC> 3. For Pb (Zn ) _ / 3 b2 / 3) O3 as the second dopant system DS2, the starting materials comprise Pb3 ⁇ D4, PbO, b2Ü5 and ZnO. Accordingly, further starting materials for further second dopant ⁇ systems DS2 be selected.
  • the starting materials of the PZT, the first and the second dopant system are mixed separately, homogenized and calcined. Thereafter, all materials are mixed, homogenized and in the
  • the third variant provides, the starting materials of the PZT and the first dopant system DS ] _ together with a
  • Precursor of the second dopant system DS2 to mix and calcine is to be understood as meaning a precursor of the second dopant system in which the perovskite structure is already largely predetermined. This has the advantage that calcination does not unintentionally result in structure types other than the perovskite structure. For example, the formation of a non-piezoelectric pyrochlore structure can be at least largely prevented.
  • NiM ⁇ Og As a precursor for a second dopant system DS2, which has the formula Pb (Ni ] _ / 3Nb2 / 3) O3, NiM ⁇ Og can be used.
  • the second dopant system DS2 has the formula
  • Pb (Mg ) _ / 3 b2 / 3) O3 can be used as precursor MgM ⁇ Og.
  • Pb (Zn ) _ / 3 b2 / 3) O3 can be used as precursor ZnM ⁇ Og.
  • This third variant of the method can be varied as desired.
  • precursors for the first dopant system DS ] _ and / or the second dopant system DS2 and / or the PZT material can be used therein.
  • the method may further comprise the method step AI) after the method step A), in which to that in the
  • Process step A) the additive A or a starting material of the additive A is added.
  • the additive A is homogenized with the material prepared in process step A).
  • An analogous method can also be used to produce a component.
  • a ceramic film is produced from the calcined material in a method step A2).
  • This film is printed with electrode material, such as low-Pd Ag, pure Ag, or Cu, structured or unstructured and then laminated the films.
  • electrode material such as low-Pd Ag, pure Ag, or Cu
  • Electrode material for example, in a co-firing process, sintered.
  • Figure 1 is a schematic side view of a piezoelectric
  • Figure 1 shows the schematic side view of a
  • Piezoelectric device 1 which comprises a plurality of superimposed ceramic layers 2 with interposed electrodes 3.
  • the electrodes 3 lead out of the ceramic layers 2 arranged one above the other and are provided via laterally attached external electrodes 4
  • the ceramic layers arranged one above the other have a ceramic comprising the ceramic material which comprises a PZT material, a first dopant system DS ] _, a second dopant system DS 2 and optionally an additive A. Due to the improved properties of the ceramic material, as explained above, the piezoactuator also has improved properties.
  • VQ therein each denotes a Sauerstoffleer ⁇ steep).
  • An example of a reference ceramic is
  • Material with first and second dopant system DS ] _ and DS2 and an additive A has the following composition:
  • a further example of this has the following compositions: [Pb (Zr 0i 45 5 Ti 0i 545) 03] 0 , 7 [ p b (Ni 1/3 Nb 2/3 ) 0 3 ] 0.3 ⁇ 4 (Sr 5 / 3
  • Another exemplary ferroelectric ceramic material with first and second dopant system DS ] _ and DS2 and the additive A has the following compositions: [Pb (Zr 0 , 4 55 Ti 0i 545) 03] 0.7 [Pb (i 1/3 b2 / 3) 03] 0.3 ⁇ 4 (Sr 5/3

Abstract

Es wird ein keramischer Werkstoff enthaltend Blei - Zirkonat - Titanat mit einer Perowskitstruktur, einem erstem DotierstoffSystem DS1 mit kryolithstruktur und zweitem DotierungsstoffSystem DS2 mit Perowskitstruktur angegeben. Weiterhin werden ein den Werkstoff enthaltendes Bauelement (1) und seine Verwendung sowie ein Verfahren zur Herstellung des Werkstoffs bereitgestellt. Das Bauelement (1) umfasst eine Vielzahl von übereinander angeordneten Keramikschichten (2) mit dazwischen angeordneten Elektroden (3), die aus den übereinander angeordneten Keramikschichten (2) herausführen und über seitlich angebrachte Aussenelektroden (4) kontaktiert sind.

Description

PZT ENTHALTENDER, KERAMISCHER WERKSTOFF, BAUELEMENT AUFWEISEND DEN PZT
ENTHALTENDEN, KERAMISCHEN WERKSTOFF, VERWENDUNG DES BAUELEMENTS UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG DES PZT ENTHALTENDEN, KERAMISCHEN WERKSTOFFS
Die Erfindung betrifft einen keramischen Werkstoff und ein Bauelement, das den keramischen Werkstoff enthält. Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung des Bauelements sowie ein Verfahren zur Herstellung des keramischen Werkstoffs.
Keramische Werkstoffe werden beispielsweise bei der Herstel¬ lung piezoelektrischer Mehrlagenbauelemente verwendet, die mittels eines Co-Firing-Verfahrens hergestellt werden und zum Beispiel Ag-, Ag/Pd- oder Cu-Innenelektroden enthalten, die zwischen keramischen Schichten angeordnet sind.
Piezoelektrische Mehrlagenbauelemente können beispielsweise piezoelektrische Aktuatoren, im Folgenden Piezoaktuatoren, sein, die unter anderem zur KraftstoffZuführung in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden können. Solche Piezoaktuatoren enthalten typischerweise eine Perowskitkeramik mit einer AB03~Struktur, die Blei-Zirkonat-Titanat (PZT, Pb(Zr1--y
Tiy)03) sein kann.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen keramischen Werkstoff anzugeben, der gegenüber bekannten keramischen Werkstoffen verbesserte Eigenschaften aufweist. Diese Aufgabe wird durch einen keramischen Werkstoff gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen des keramischen Werkstoffs, ein Verfahren zu seiner Herstellung, ein Bauelement
enthaltend den keramischen Werkstoff sowie die Verwendung des Bauelements sind Gegenstand weiterer Ansprüche. Gemäß einer Ausführungsform wird ein keramischer Werkstoff bereitgestellt, der Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) , das als Wirtsgitter fungiert und eine Perowskitstruktur aufweist, umfasst. Der keramische Werkstoff umfasst weiterhin ein erstes DotierstoffSystem DS]_, das eine Kryolithstruktur aufweist, sowie ein zweites DotierstoffSystem DS2, das eine Perowskitstruktur aufweist.
Der keramische Werkstoff weist eine verbesserte Gefügestruk¬ tur auf. Die Gefügestruktur bildet sich während der
thermischen Prozessierung aus, typischerweise in einem
Temperaturbereich von etwa 900°C bis 1150°C.
Die Sintertemperatur wird bei der Herstellung von Mehrlagenbauelementen dabei bevorzugt an das Innenelektrodenmaterial angepasst, zum Beispiel ca. 900°C für Ag-Innenelektroden, ca. 1000°C für Cu-Innenelektroden und bis zu etwa 1150°C für Ag/Pd-Innenelektroden . Werden Cu-Innenelektroden verwendet, ist zudem eine sauerstoffarme thermische Prozessführung erforderlich, die eine nahezu vollständige Eliminierung der organischen Bestandteile, wie beispielsweise Binder, aus entsprechenden Mehrlagengrünkörpern, das heißt den Schichten aus dem noch ungesinterten keramischen Werkstoff, ermöglicht.
Weiterhin kann die Sinteraktivität des keramischen Werkstoffs höher eingestellt werden, womit die Ausbildung eines Keramik- gefüges mit hoher Dichte, beispielsweise größer als 95%, ermöglicht wird. Gleichzeitig kann eine ausreichende Korn¬ größe des piezoelektrischen Materials von beispielsweise > 1 ym unter den Bedingungen eines Co-Firing-Verfahrens mit den verschiedenen Innenelektroden-Materialien bei
entsprechenden Temperaturen ermöglicht werden. Der keramische Werkstoff kann ein ferroelektrisches ,
piezoelektrisches Material sein, das weitgehend frei von ungewünschten Defekten ist und ausreichend mobile
Domänenwände, deren Mobilität weitgehend reversibel ist, im elektrischen Feld aufweist.
Die ferroelektrischen und piezoelektrischen Eigenschaften des keramischen Werkstoffs sind weitgehend stabil.
In dem ferroelektrischen piezoelektrischen keramischen
Werkstoff, können eine hohe dynamische Dehnung, eine hohe Steifigkeit, geringe dielektrische Verluste, eine angemessene Kapazität, eine angemessene Curie-Temperatur sowie eine niedrige Sintertemperatur kombiniert sein.
Das Blei-Zirkonat-Titanat , also das PZT Material, das in dem keramischen Werkstoff enthalten ist, weist formal die Formel Pb (Zr]__yTiy) O3 mit 0,3 ^ 1 - y ^ 0,6 auf. y kann auch aus dem Bereich 0,4 < 1-y < 0,6 ausgewählt sein. Dieses PZT Material ist das die ferroelektrische Eigenschaft maßgeblich tragende Material in dem keramischen Werkstoff, dem die Dotierstoff¬ systeme zugesetzt werden. Der Wert von y kann dabei auf die morphotrope Phasengrenze (MPB) eingestellt werden, bei der der keramische Werkstoff besonders vorteilhafte piezoelek¬ trische und ferroelektrische Eigenschaften aufweist.
Das erste DotierstoffSystem DS]_ kann formal die allgemeine Formel [ (M^-O) i_p (M20) p] a [ b2Ü5 ] ]__a aufweisen. M1 ist
ausgewählt aus einer Gruppe, die Ba und Sr umfasst, und M2 ist ausgewählt aus einer Gruppe, die Ca und Sr umfasst. Es gilt 1 > a > 2/3 und 1 > p > 0. Durch die Zugabe des ersten DotierstoffSystems DS]_, das eine große Phasenbreite aufweist, kann während des Sinterns der Ausgangsmaterialien des keramischen Werkstoffs eine
vergleichsweise hohe, temporäre Sauerstoffleerstellenkonzen- tration ausgebildet werden, die zu einer genügend großen Korngröße und der Ausbildung eines defektarmen Gefüges führt. Während des Abkühlens nach dem Sintern ist die Sauerstoff¬ leerstellenkonzentration rückläufig und kann im fertigen keramischen Werkstoff weitgehend aufgehoben werden.
Durch vorwiegend temperaturabhängige, chemische Reaktionen zwischen dem PZT Material und dem ersten DotierstoffSystem DS]_ wird ein PZT-Mischkristallsystem mit verbesserten
ferroelektrischen Eigenschaften und sehr niedriger Sauerstoffleerstellenkonzentration gebildet .
Das zweite DotierstoffSystem DS2 kann formal die allgemeine Formel für auf Pb basierende Relaxor-Systeme mit komplexer Perowskitstruktur
Figure imgf000006_0001
kann aus einer Gruppe ausgewählt sein, die Mg, Fe, Mn, Zn, Ni und Sc
umfasst, M^ kann aus einer Gruppe ausgewählt sein, die Nb, Ta, Sb und W umfasst. M-^ kann zum Beispiel ein zweiwertiges oder dreiwertiges Metallkation sein, während M^ ein fünfwer- tiges oder sechswertiges Metallkation sein kann. Auch die Kombination von anderweitigen Metallkation-Kombinationen aus M-3 und M^ ist denkbar. Beispiele für solche Systeme sind Pb (Zn1 3 b2/3) O3, Pb ( Scl /2Tal /2 ) °3 oder Pb (Mqi /2^i /2 ) °3 ·
Das zweite DotierstoffSystem DS2, das eine Perowskitstruktur aufweist, passt sich besonders gut an das Wirtsgitter des PZT an, sodass keine oder zumindest nur eine geringfügige Störung des Wirtsgitters durch die Zugabe des zweiten
DotierstoffSystems DS2 auftritt. Durch die zusätzliche Dotierung des keramischen Werkstoffs, der das PZT Material und das erste DotierstoffSystem DS]_ enthält, mit dem DotierstoffSystem DS2 können die piezoelek¬ trischen und ferroelektrischen Materialeigenschaften der gesinterten Keramik beispielsweise im Hinblick auf eine höhere dynamische Dehnung im Vergleich zu herkömmlichen keramischen Werkstoffen verbessert werden.
Das zweite DotierstoffSystem DS2 mit komplexer Perowskit- struktur weist Relaxor-Eigenschaften auf, was bei Dotierung des Werkstoffs mit dem zweiten DotierstoffSystem DS2 zu einem komplexen perowskitartigen PZT-Mischkristallsystem führt. Unter Relaxor-Eigenschaften wird beispielsweise eine breite, stark frequenzabhängige hohe dielektrische Permittivität verstanden .
In dem keramischen Werkstoff kann weiterhin ein Additiv A vorhanden sein. Das Additiv A kann aus einer Gruppe
ausgewählt sein, die L12O, CU2O und Ag2<0 umfasst. Anstatt der Oxide können als Ausgangsstoffe für den keramischen Werkstoff beispielsweise auch die Carbonate der entsprechenden Metalle für die Herstellung des keramischen Werkstoffs bereitgestellt werden, die sich dann während der thermischen Prozessierung (beispielsweise während des Kalzinierens und/oder des
Sinterns) in die entsprechenden Oxide umwandeln.
Wird dem keramischen Werkstoff zusätzlich zu den Dotierstoff¬ systemen ein Additiv A hinzugefügt, erhält man ein Material, das eine hohe dynamische Dehnung aufweist und gleichzeitig bei niedrigeren Temperaturen als die herkömmlichen keramischen Werkstoffe gesintert werden kann. Es wird also eine Kombination von verbesserten ferroelektrischen und
piezoelektrischen Eigenschaften mit hoher Stabilität dieser Eigenschaften bei gleichzeitig niedriger Sintertemperatur von weniger als 1000 °C bereitgestellt. Die Sintertemperatur für die Ausgangsmaterialien des keramischen Werkstoffs kann beispielsweise auf weniger als 1000°C, bevorzugt auf weniger als 900°C abgesenkt werden. Durch die niedrigere Sintertem¬ peratur kann beispielsweise Pd-armes Ag, reines Ag oder Cu für die Herstellung von zwischen den Keramikschichten
angeordneten Elektroden eines Piezoaktuators verwendet werden. Weiterhin bewirkt eine niedrigere Sintertemperatur eine Energieersparnis im Herstellungsverfahren der Keramik bzw. der Piezoakturatoren .
Der keramische Werkstoff kann die allgemeine Formel [PZT]]__ c [DSilb [DS2] c [PbO] d[A]m aufweisen. In der Formel gilt 0 < m < 0,01, 0 < c < 0,5, 0,005(l-c) < b < 0,01 und 0,002 < d < 0,05. Es liegt also ein komplexer keramischer Werkstoff vor, der ein PZT, ein erstes DotierstoffSystem DS]_, ein zweites DotierstoffSystem DS2 und optional ein Additiv A enthält. Das erste DotierstoffSystem DS]_ weist eine Kryolithstruktur auf, das zweite DotierstoffSystem DS2 eine Perowskitstruktur .
Die oben angegebenen formalen Strukturformeln der einzelnen Bestandteile des keramischen Werkstoffs sind im gesinterten Zustand des Werkstoffs typischerweise mit Standardanalyse¬ methoden nicht unterscheidbar, da die einzelnen Komponenten weitgehend eine feste Lösung, also ein Mischkristallsystem bilden. Vielmehr kann die allgemeine Formel der gesinterten Keramik festgestellt werden. Das Additiv A kann sich, wenn es im Überschuss zugegeben wurde, unter Umständen phasenseparie- ren .
Der keramische Werkstoff kann mit weiteren Komponenten, die mit der Perowskitstruktur des PZT Materials kompatibel sind, Mischkristalle bilden, die in Kombination mit den Dotier StoffSystemen DS]_ und DS2 sowie dem optionalen Additiv A in weiten Grenzen variable Zusammensetzung ermöglicht.
Beispielsweise kann dem Werkstoff Pb(Fe
zugesetzt werden.
Der keramische Werkstoff kann bei Zusatz eines Additivs A, in der oben genannten allgemeinen Formel bei m + 0, eine Sintertemperatur von weniger oder gleich 1000°C, auch von weniger oder gleich 900°C aufweisen.
Der piezoelektrische Dehnungskoeffizient d33 gemessen bei einem elektrischen Feld E = 2 kV/mm, der ein Maß für die dynamische Dehnung des Werkstoffs ist, kann größer als 780 pm/V sein. Beispielsweise kann er nach Sinterung bei 1100 bis 1150°C größer als 900 pm/V sein, wenn der keramische
Werkstoff wie oben erläutert zusammengesetzt ist. Ist ein Additiv A vorhanden, kann nach Sinterung bei 900 °C der piezoelektrische Dehnungskoeffizient d33 größer als 780 pm/V, insbesondere größer als 790 pm/V, sein (jeweils gemessen bei E = 2 kV/mm) .
Es wird weiterhin ein Bauelement bereitgestellt, das
zumindest einen keramischen Grundkörper und zumindest zwei auf dem Grundkörper angeordnete Elektroden aufweist, wobei der Grundkörper mindestens einen keramischen Werkstoff gemäß den obigen Ausführungen aufweist.
Der Grundkörper kann eine Vielzahl von übereinander
angeordneten Keramikschichten enthaltend den keramischen Werkstoff mit dazwischen angeordneten Elektroden umfassen, wobei die Elektroden aus den übereinander angeordneten Keramikschichten herausführen und über Außenelektroden kontaktiert sind.
Ein solches Bauelement kann beispielsweise als Piezoaktuator verwendet werden. Weiterhin kann ein solches Bauelement innerhalb eines modulartigen Komponentensystems, beispielsweise eines Arrays, vorhanden sein.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines
keramischen Werkstoffs mit den oben genannten Eigenschaften bereitgestellt. Das Verfahren weist die Verfahrensschritte A) Mischen und Kalzinieren von Ausgangsstoffen und/oder
Precursoren des ersten DotierstoffSystems DS]_, des zweiten DotierstoffSystems DS2 und des Blei-Zirkonat-Titanats (PZT) und den Verfahrensschritt B) Sintern des im Verfahrensschritt A) hergestellten Materials auf.
Der Verfahrensschritt A) kann in drei Varianten durchgeführt werden .
In einer ersten Variante werden alle Ausgangsstoffe, also die Ausgangsstoffe des PZT, die des ersten DotierstoffSystems DS]_ und die des zweiten DotierstoffSystems DS2 gemischt,
homogenisiert und kalziniert.
Ausgangsstoffe für das PZT umfassen beispielsweise Pb3<D4, PbO, ZrC>2 und T1O2 · Für das erste DotierstoffSystem DS]_ sind beispielhafte Ausgangsstoffe SrCC>3 und b2Ü5.
Für das zweite DotierstoffSystem DS2 können Ausgangsstoffe Pb3<D4, PbO, b2Ü5 und N1CO3 umfassen, wenn das zweite
DotierstoffSystem DS2 Pb (Ni]_/3Nb2/3) O3 enthält. Wenn das zweite DotierstoffSystem DS2 Pb (Mg]_ /3 b273 ) O3 aufweist, umfassen die Ausgangsstoffe Pb3<D4, PbO, b2Ü5 und MgCC>3. Für Pb ( Zn]_ /3 b2 /3 ) O3 als zweites DotierstoffSystem DS2 umfassen die Ausgangsstoffe Pb3<D4, PbO, b2Ü5 und ZnO. Dementsprechend werden weitere Ausgangsstoffe für weitere zweite Dotierstoff¬ systeme DS2 ausgewählt.
In einer zweiten Variante werden die Ausgangsstoffe des PZT, des ersten und des zweiten DotierstoffSystems getrennt voneinander gemischt, homogenisiert und kalziniert. Danach werden alle Materialien gemischt, homogenisiert und im
Verfahrensschritt B) gesintert.
Die dritte Variante sieht vor, die Ausgangsstoffe des PZT und des ersten DotierstoffSystems DS]_ zusammen mit einem
Precursor des zweiten DotierstoffSystems DS2 zu mischen und zu kalzinieren. Unter Precursor ist in diesem Zusammenhang eine Vorstufe des zweiten DotierstoffSystems zu verstehen, in dem die Perowskitstruktur bereits weitgehend vorgegeben ist. Das hat den Vorteil, dass beim Kalzinieren nicht ungewollt andere Strukturtypen als die Perowskitstruktur entstehen. Beispielsweise kann die Entstehung einer nicht piezoelektrischen Pyrochlorstruktur zumindest weitgehend verhindert werden .
Als Precursor für ein zweites DotierstoffSystem DS2, das die Formel Pb (Ni]_/3Nb2/3) O3 aufweist, kann NiM^Og eingesetzt werden .
Weist das zweite DotierstoffSystem DS2 die Formel
Pb (Mg]_ /3 b2 /3 ) O3 auf, kann als Precursor MgM^Og eingesetzt werden . Für ein zweites DotierstoffSystem DS2, das die Formel
Pb ( Zn]_ /3 b2 /3 ) O3 aufweist, kann als Precursor ZnM^Og eingesetzt werden.
Diese dritte Variante des Verfahrens kann beliebig variiert werden. So können Precursor für das erste DotierstoffSystem DS]_ und/oder das zweite DotierstoffSystem DS2 und/oder das PZT-Material darin eingesetzt werden.
Das Verfahren kann weiterhin den Verfahrensschritt AI) nach dem Verfahrensschritt A) aufweisen, in dem zu dem im
Verfahrensschritt A) hergestellten Material das Additiv A oder ein Ausgangsstoff des Additivs A zugegeben wird. Das Additiv A wird mit dem im Verfahrensschritt A) hergestellten Material homogenisiert.
Damit wird das Additiv A im Verfahrensschritt A) erst zugegeben, wenn die Mischung im Verfahrensschritt A) bereits kalziniert worden ist. Damit wird die Eigenschaft des
Additivs A, die Sintertemperatur zu erniedrigen, für das Sintern im Verfahrensschritt B) weitgehend erhalten.
Mit einem analogen Verfahren kann auch ein Bauelement hergestellt werden. Dabei wird vor dem Verfahrensschritt B) in einem Verfahrensschritt A2) aus dem kalzinierten Material eine keramische Folie hergestellt. Diese Folie wird mit Elektrodenmaterial, beispielsweise Pd-armes Ag, reines Ag, oder Cu, strukturiert oder unstrukturiert bedruckt und die Folien dann laminiert. Schließlich werden die laminierten keramischen Folien entbindert und zusammen mit dem
Elektrodenmaterial, beispielsweise in einem Co-Firing- Verfahren, gesintert. Anhand der Figur und der Ausführungsbeispiele sollen die beschriebenen Gegenstände noch näher erläutert werden.
Figur 1 schematische Seitenansicht eines piezoelektrischen
Bauelements .
Figur 1 zeigt die schematische Seitenansicht eines
piezoelektrischen Bauelements 1, das eine Vielzahl von übereinander angeordneten Keramikschichten 2 mit dazwischen angeordneten Elektroden 3 umfasst. Die Elektroden 3 führen aus den übereinander angeordneten Keramikschichten 2 heraus und sind über seitlich angebrachte Außenelektroden 4
kontaktiert. Die übereinander angeordneten Keramikschichten weisen eine Keramik auf, die aus dem keramischen Werkstoff, der ein PZT Material, ein erstes DotierstoffSystem DS]_, ein zweites DotierstoffSystem DS 2 und optional ein Additiv A umfasst. Durch die verbesserten Eigenschaften des keramischen Werkstoffs, wie sie oben erläutert worden sind, weist auch der Piezoaktuator verbesserte Eigenschaften auf.
Im Folgenden werden einige Ausführungsbeispiele und deren Eigenschaften im Vergleich zu einer Referenzkeramik dargestellt (VQ bezeichnet darin jeweils eine Sauerstoffleer¬ steile) . Ein Beispiel für eine Referenzkeramik lautet
[pb<Zr0,53Ti0, 47)03] 1 tSr4 (Sr5/3 b7/3)0lli 5VO;0i 5 ] 0 0 0 5
[PbO]Q^ Q 2 auf, was einer allgemeinen Strukturformel
[PZT] 1 [DS]_] 0 005 [ PbO] 0 , 02 entspricht. Diese Zusammensetzung ist bei 1100°C gesintert. An daraus hergestellten keramischen Plättchen wird bei einer Feldstärke von E = 2 kV/mm ein piezoelektrischer Dehnungskoeffizient von d33 = 780 pm/V gemessen . Im Vergleich dazu weist ein ferroelektrischer keramischer Werkstoff mit einem ersten und einem zweiten DotierstoffSys¬ tem DS]_ und DS2 die Zusammensetzung
[Pb(Zr0, 48Ti0/ 52) 03] 0,8 [P ( i1/3 b2/3)03] 0,2 [Sr4 ^5/3^7/3) Oll, 5vO; 0, 5] 0, 005 [PbO] g 02 auf. An daraus hergestellten keramischen Plättchen wird bei einer Feldstärke von
E = 2 kV/mm ein piezoelektrischer Dehnungskoeffizient von d33 = 900 pm/V gemessen. Damit wird der Wert von d33
gegenüber der Referenzkeramik um zirka 15,4 % erhöht.
Ein Beispiel für einen ferroelektrischen keramischen
Werkstoff mit erstem und zweitem DotierstoffSystem DS]_ und DS2 und einem Additiv A ist folgende Zusammensetzung:
[Pb(Zr0, 455Ti0i 545)03] 0,7 [Pb( i1/3 b2/3)03] 0,3^4 (Sr5/3
Nb7/3)°11, 5vO;0, 5] 0, 005 [pb°] 0, 02 [Cu20] 0, 0025· Dieser
Werkstoff kann bei 900°C gesintert werden und weist bei einer elektrischen Feldstärke von E = 2 kV/mm einen piezoelektrischen Dehnungskoeffizienten von d33 = 790 pm/V auf.
Ein weiteres Beispiel dazu weist folgende Zusammensetzungen auf: [Pb(Zr0i 455Ti0i 545)03] 0, 7 [pb (Ni1/3Nb2/3) 03] 0,3^4 (Sr5/3
Nb7/3)°ll,5vO'"0,5]0, 005[pbO]0,02[Li2°]0, 0025- Nach einer Sinterung bei 900°C kann an dieser Keramik bei einer
Feldstärke von E = 2 kV/mm ein piezoelektrischer Dehnungskoeffizient von d33 = 805 pm/V gemessen werden.
Eine weiterer beispielhafter ferroelektrischer keramischer Werkstoff mit erstem und zweitem DotierstoffSystem DS]_ und DS2 und dem Additiv A weist folgende Zusammensetzungen auf: [Pb(Zr0, 455Ti0i 545)03] 0,7 [Pb( i1/3 b2/3)03] 0,3^4 (Sr5/3
Nb7/3)°ll,5vO'"0,5]0, 005[pbO]0,02[Ag2°]0, 0025- Diese Keramik weist nach einer Sinterung bei 1000°C und bei einer elektrischen Feldstärke von E = 2 kV/mm einen piezoelektrischen Dehnungskoeffizienten von d33 = 810 pm/V auf.
Ein weiteres Beispiel dazu weist folgende Zusammensetzung auf: [Pb(Zr0i 455 i0i 545)03] 0, 7 [Pb (Ni1/3Nb2/3) 03] 0,3^4 (Sr5/3
Nb7/3)oll,5vOO,5]0,005[pbo]0,02[Li2°]0, 00125· Nach einer Sinterung bei 1000°C und bei einer elektrischen Feldstärke von E = 2 kV/mm wird ein piezoelektrischer Dehnungskoeffizient von d33 = 830 pm/V gemessen.
Es konnte also gezeigt werden, dass bei niedrigen Sinter¬ temperaturen keramische Werkstoffe hergestellt werden können, die verbesserte piezoelektrische und ferroelektrische
Eigenschaften und insbesondere eine hohe dynamische Dehnung aufweisen .
Die in der Figur gezeigte Ausführungsform kann beliebig variiert werden. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass sich die Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern weitere, hier nicht aufgeführte Ausgestaltungen zulässt .
Bezugs zeichenliste
1 Piezoelektrisches Bauelement
2 Keramische Schicht
3 Elektrode
4 Außenelektrode

Claims

Patentansprüche
1. Keramischer Werkstoff umfassend:
- Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) , aufweisend eine
Perowskitstruktur,
- ein erstes DotierstoffSystem DSi, aufweisend eine
Kryolithstruktur, und
- ein zweites DotierstoffSystem DS2, aufweisend eine Perowskitstruktur .
2. Keramischer Werkstoff nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das PZT formal die Formel Pb ( Zri_yTiy) O3 mit
0,3 ^ 1-y < 0,6 aufweist.
3. Keramischer Werkstoff nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei das erste DotierstoffSystem DSi formal die allgemeine Formel [ ( ^O) i_p (M20) p] a [Nb205 ] i-a aufweist, wobei M1 ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Ba und Sr umfasst, und M2 ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Ca und Sr umfasst, und wobei gilt 1 > a > 2/3 und 1 > p > 0.
4. Keramischer Werkstoff nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei das zweite DotierstoffSystem DS2 formal die allgemeine Formel Pb(M3,M4)03 aufweist, wobei M3 aus einer Gruppe, die Mg, Mn, Fe, Zn, Ni und Sc umfasst, ausgewählt ist, und M4 mindestens aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Nb, Ta, Sb und W umfasst.
5. Keramischer Werkstoff nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, weiterhin umfassend ein Additiv A.
6. Keramischer Werkstoff nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Additiv A ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Li20, CU2O und Ag20 umfasst.
7. Keramischer Werkstoff nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, aufweisend die allgemeine Formel
[PZT] 1_c[DS1]b[DS2]c[PbO]d[A]m,
wobei 0 < m < 0,01, 0 < c < 0,5, 0,005(l-c) < b < 0,01 und 0, 002 < d < 0, 05 ist.
8. Keramischer Werkstoff nach dem vorhergehenden Anspruch, der für m + 0 eine Sintertemperatur von < 1000°C
aufweist .
9. Keramischer Werkstoff nach einem der vorhergehenden
Ansprüche aufweisend einen piezoelektrischen
Dehnungskoeffizienten d33 von > 780 pm/V bei einem Feld E = 2 kV/mm.
10. Bauelement (1), das zumindest einen keramischen
Grundkörper und zumindest zwei auf dem Grundkörper angeordnete Elektroden (3) aufweist, wobei der
Grundkörper mindestens einen keramischen Werkstoff gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 aufweist.
11. Bauelement (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Grundkörper eine Vielzahl von übereinander
angeordneten Keramikschichten (2) mit dazwischen
angeordneten Elektroden (3) umfasst, wobei die Elektroden (3) aus den übereinander angeordneten Keramikschichten (2) herausführen und über Außenelektroden (4) kontaktiert sind .
12. Verwendung des Bauelements (1) nach einem der Ansprüche 10 oder 11 als Piezoaktuator .
13. Verwendung des Bauelements nach einem der Ansprüche 10 bis 12 in einem modulartigen Komponentensystem.
14. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Werkstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 9, aufweisend die Verfahrensschritte
A) Mischen und Kalzinieren von Ausgangsstoffen und/oder Precursorn des ersten DotierstoffSystems DSi, des zweiten DotierstoffSystems DS2 und des Blei-Zirkonat-Titanats (PZT) ,
B) Sintern des im Verfahrensschritt A) hergestellten Materials .
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, weiterhin aufweisend den Verfahrensschritt AI) nach dem
Verfahrensschritt A) , in dem dem im Verfahrensschritt A) hergestellten Material das Additiv A zugegeben wird.
PCT/EP2011/057048 2010-05-07 2011-05-03 Pzt enthaltender, keramischer werkstoff, bauelement aufweisend den pzt enthaltenden, keramischen werkstoff, verwendung des bauelements und verfahren zur herstellung des pzt enthaltenden, keramischen werkstoffs WO2011138323A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102010019712.2 2010-05-07
DE102010019712.2A DE102010019712B9 (de) 2010-05-07 2010-05-07 Keramischer Werkstoff, Bauelement enthaltend den keramischen Werkstoff, Verwendung des Bauelements und Verfahren zur Herstellung des keramischen Werkstoffs

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2011138323A1 true WO2011138323A1 (de) 2011-11-10

Family

ID=44009943

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2011/057048 WO2011138323A1 (de) 2010-05-07 2011-05-03 Pzt enthaltender, keramischer werkstoff, bauelement aufweisend den pzt enthaltenden, keramischen werkstoff, verwendung des bauelements und verfahren zur herstellung des pzt enthaltenden, keramischen werkstoffs

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102010019712B9 (de)
WO (1) WO2011138323A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114853471A (zh) * 2022-05-31 2022-08-05 成都汇通西电电子有限公司 一种高电压叠堆式压电陶瓷致动器及其制备方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112062559B (zh) * 2020-08-11 2021-10-08 同济大学 一种反铁电陶瓷材料及其低温烧结方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10326041A1 (de) * 2003-06-10 2004-12-30 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Herstellung von PZT-basierten Keramiken mit niedriger Sintertemperatur
DE102004002204A1 (de) * 2004-01-15 2005-08-11 Epcos Ag Keramikmaterial
DE102007012915A1 (de) * 2006-03-22 2007-10-25 Tdk Corp. Piezoelektrische Keramikzusammensetzung und laminiertes piezoelektrisches Element
DE102006057691A1 (de) * 2006-12-07 2008-06-12 Robert Bosch Gmbh Niedrig sinterndes, piezoelektrisches Material auf Blei-Zirkonat-Titanat-Mischkristall-Basis, Verfahren zu dessen Herstellung sowie ein dieses Material umfassendes piezoelektrisches Bauelement
DE102007010239A1 (de) * 2007-03-02 2008-09-04 Epcos Ag Piezoelektrisches Material, Vielschicht-Aktuator und Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009058795A1 (de) * 2009-12-18 2011-06-22 Epcos Ag, 81669 Piezoelektrisches Keramikmaterial, Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Keramikmaterials, piezoelektrisches Vielschichtbauelement und Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Vielschichtbauelements

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10326041A1 (de) * 2003-06-10 2004-12-30 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Herstellung von PZT-basierten Keramiken mit niedriger Sintertemperatur
DE102004002204A1 (de) * 2004-01-15 2005-08-11 Epcos Ag Keramikmaterial
DE102007012915A1 (de) * 2006-03-22 2007-10-25 Tdk Corp. Piezoelektrische Keramikzusammensetzung und laminiertes piezoelektrisches Element
DE102006057691A1 (de) * 2006-12-07 2008-06-12 Robert Bosch Gmbh Niedrig sinterndes, piezoelektrisches Material auf Blei-Zirkonat-Titanat-Mischkristall-Basis, Verfahren zu dessen Herstellung sowie ein dieses Material umfassendes piezoelektrisches Bauelement
DE102007010239A1 (de) * 2007-03-02 2008-09-04 Epcos Ag Piezoelektrisches Material, Vielschicht-Aktuator und Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
FELTZ A ET AL: "Remarkable strontium B-site occupancy in ferroelectric Pb(Zr 1-xTix)O3 solid solutions doped with cryolite-type strontium niobate", JOURNAL OF THE AMERICAN CERAMIC SOCIETY DECEMBER 2007 BLACKWELL PUBLISHING INC.; COMMERCE PLACE US, vol. 90, no. 12, December 2007 (2007-12-01), pages 3959 - 3967, XP002647235, DOI: DOI:10.1111/J.1551-2916.2007.02027.X *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114853471A (zh) * 2022-05-31 2022-08-05 成都汇通西电电子有限公司 一种高电压叠堆式压电陶瓷致动器及其制备方法
CN114853471B (zh) * 2022-05-31 2023-02-10 成都汇通西电电子有限公司 一种高电压叠堆式压电陶瓷致动器及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
DE102010019712B9 (de) 2018-06-21
DE102010019712A1 (de) 2011-11-10
DE102010019712B4 (de) 2018-03-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2011103935A1 (de) Bleifreier, mehrphasiger keramischer werkstoff mit texturierung, verfahren zum herstellen des werkstoffs und verwendung des werkstoffs
EP2513993B1 (de) Piezoelektrisches keramikmaterial, dessen herstellungsverfahren und vielschichtbauelement
DE102005061528B4 (de) Piezokeramisches Bauteil mit Bleizirkonattitanat mit Eisen-Wolfram-Dotierung, Verfahren zum Herstellen des piezokeramischen Bauteils und seine Verwendung
EP2751854B1 (de) Verfahren zur herstellung eines piezoelektrischen bauelements
DE102017116925B4 (de) Harte PZT-Keramik, piezoelektrisches Vielschichtbauelement und Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Vielschichtbauelements
DE102010041567A1 (de) Bleifreier, texturierter piezokeramischer Werkstoff mit Haupt- und Nebenphase und anisometrischen Keimen, Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils mit dem Werkstoff und Verwendung dazu
EP3445736B1 (de) Piezokeramik, verfahren zu dessen herstellung und elektrokeramisches bauelement umfassend die piezokeramik
WO2007113189A1 (de) Bleifreier piezokeramischer werkstoff mit kupferdotierung, verfahren zum herstellen eines piezokeramischen bauteils mit dem werkstoff und verwendung des bauteils
DE102006004447A1 (de) Bleifreier piezokeramischer Werkstoff, Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils mit dem Werkstoff und Verwendung des Bauteils
DE102010019712B4 (de) Keramischer Werkstoff, Bauelement enthaltend den keramischen Werkstoff, Verwendung des Bauelements und Verfahren zur Herstellung des keramischen Werkstoffs
DE102007012916A1 (de) Laminiertes piezoelektrisches Element und Herstellungsverfahren hierfür
DE102006008742B4 (de) Bleifreier piezokeramischer Werkstoff mit Erdalkalidotierung, Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils mit dem Werkstoff und Verwendung des Bauteils
DE102010000783A1 (de) Piezokeramik, kristallorientierte Keramik, mehrlagiges Piezoelement sowie Verfahren zu dessen Herstellung
EP2445849B1 (de) Keramikmaterial und verfahren zur herstellung des keramikmaterials
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
DE102006015329B4 (de) Bleifreier piezokeramischer Werkstoff mit dem Mischsystem Erdalkali-Perowskit und Bismutyttriumoxid und Verfahren zum Herstellen des Werkstoffs
DE102006015330B4 (de) Bleifreier piezokeramischer Werkstoff aus dem Mischsystem Erdalkali-Perowskit und Bismut-Metall-Oxid und Verfahren zum Herstellen des Werkstoffs
WO2012000752A1 (de) Bleifreier piezokeramischer werkstoff mit perowskit-phase und wolframbronze-phase und verfahren zum herstellen eines piezokeramischen bauteils mit dem werkstoff
WO2009015958A2 (de) Bleifreier, zweiphasiger piezokeramischer werkstoff, verfahren zum herstellen eines piezokeramischen bauteils mit dem werkstoff und verwendung des 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
DE102007029613A1 (de) Bleizirkonattitanat mit Nickel-Wolfram-Dotierung, Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils unter Verwendung des Bleizirkonattitanats und Verwendung des piezokeramischen Bauteils

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 11718059

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 11718059

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1