DE1646699B1 - Piezoelektrische keramik - Google Patents

Piezoelektrische keramik

Info

Publication number
DE1646699B1
DE1646699B1 DE19661646699 DE1646699A DE1646699B1 DE 1646699 B1 DE1646699 B1 DE 1646699B1 DE 19661646699 DE19661646699 DE 19661646699 DE 1646699 A DE1646699 A DE 1646699A DE 1646699 B1 DE1646699 B1 DE 1646699B1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
ceramic
piezoelectric
lead
electromechanical
electrical
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Ceased
Application number
DE19661646699
Other languages
English (en)
Inventor
Masamitsu Nishida
Hiromu Ouchi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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 Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Publication of DE1646699B1 publication Critical patent/DE1646699B1/de
Ceased legal-status Critical Current

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
    • 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
    • C04B35/495—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 vanadium, niobium, tantalum, molybdenum or tungsten oxides or solid solutions thereof with other oxides, e.g. vanadates, niobates, tantalates, molybdates or tungstates
    • C04B35/497—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 vanadium, niobium, tantalum, molybdenum or tungsten oxides or solid solutions thereof with other oxides, e.g. vanadates, niobates, tantalates, molybdates or tungstates based on solid solutions with lead oxides
    • C04B35/499—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 vanadium, niobium, tantalum, molybdenum or tungsten oxides or solid solutions thereof with other oxides, e.g. vanadates, niobates, tantalates, molybdates or tungstates based on solid solutions with lead oxides containing also titanates
    • 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
    • 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
    • C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3232—Titanium oxides or titanates, e.g. rutile or anatase
    • C04B2235/3234—Titanates, not containing zirconia
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3244—Zirconium oxides, zirconates, hafnium oxides, hafnates, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3248—Zirconates or hafnates, e.g. zircon
    • 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
    • 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
    • C04B2235/65—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

Landscapes

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

Description

3 4
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung den Elektroden 2 und 3 verbunden, wie z. B. durch
besteht die piezoelektrische Keramik gemäß der Erfin- Lötungen 4, befinden sich Drahtleitungen 5 und 6, die
dung aus einer festen Lösung gemäß der Formel den Wandler mit dem zu verwendenden, nicht ge-
ρτ,/άλίτ MK λ τ; 7r α zeigten elektrischen bzw. elektronischen Schaltungs-
Fb(Mg1Z3Nb2Z3Mi2^r2U3, 5 kreis verbinden. Ein elektromechanischer Wandler
und zwar mit Werten für χ zwischen 0,01 und 0,625, dient bekanntlich zur Umwandlung von elektrischer
für y zwischen 0,125 und 0,625 und für ζ zwischen Energie in mechanische Energie, und umgekehrt.
0 und 0,75, wobei etwa 1 bis 20 Atomprozent Blei Wenn der Keramikkörper daher mechanischen Span-
durch Strontium, Barium und/oder Calcium ersetzt nungen unterworfen wird, führt die erhaltene Dehnung
sind. ίο bzw. Kompression zur Erzeugung eines elektrischen
Nach noch einer weiteren besonderen Ausführungs- Ausstoßes in Form eines Spannungspotentials zwischen
form der Erfindung besteht die piezoelektrische Kera- den Leitungen 5 und 6. Umgekehrt für ein zwischen
mik gemäß der Erfindung aus der festen Lösung der den Leitungen angelegtes Potential zu einer Dehnung
vorstehend angegebenen Formel, wobei die Werte bzw. Kompression oder — allgemein ausgedrückt —
für χ zwischen 0,0625 und 0,5, für y zwischen 0,25 15 einer mechanischen Verformung des Keramikkör-
und 0,5 und für ζ zwischen 0,125 und 0,625 liegen pers 1.
und ebenfalls etwa 1 bis 20 Atomprozent Blei durch Gemäß der Erfindung wurde festgestellt, daß GeStrontium, Barium und/oder Calcium ersetzt sind. mische aus Pb(Mg1Z3Nb2Z3)O3 und PbTiO3 in allen
Das Verfahren zur Herstellung der piezoelektrischen Mengenverhältnissen feste Lösungen in einer Struktur
Keramik gemäß der Erfindung wird in der folgenden ao vom Perowskit-Typ bilden. Die feste Lösung hat eine
Beschreibung und den Zeichnungen erläutert, in morphotrope Phasengrenze bei einer Zusammen-
denen Setzung von 59,0 Molprozent Pb(Mg1Z3Nb2Z3)O3 und
F i g. 1 ein Querschnitt durch einen elektromecha- 41,0 Molprozent PbTiO3. Der planare Kopplungsnischen Wandler ist, der unter Verwendung der neuen koeffizient ist am höchsten in der Nähe der morphopiezoelektrischen Keramik hergestellt worden ist, as tropen Zusammensetzung und wird geringer, wenn
F i g. 2 ein Dreieckdiagramm ist, das die Zusammen- sich die Zusammensetzung von der morphotropen setzung der neuen piezoelektrischen Keramik er- Zusammensetzung entfernt. Weiterhin wurde festläutert, gestellt, daß das aus Pb(Mg1Z3Nb2Z3)O3, PbTiO3 und
F i g. 3 bis 5 graphische Darstellungen sind, die den PbZrO3 bestehende ternäre System ebenfalls in allen
Effekt, die Änderungen in der Zusammensetzung auf 30 Mengenverhältnissen als feste Lösung vorliegt. Die
die relative Dielektrizitätskonstante (ε), den planaren feste Lösung des in einer Perovskitstruktur vorliegen-
Kopplungskoeffizienten (Ar2,) und den Resonanzwider- den ternären Systems wird modifiziert, wenn man den
stand (R) haben, für die Keramik gemäß der Erfin- Anteil (Mg1Z3Nb2Z3) teilweise durch Ti und/oder Zr
dung im Vergleich zu einer Keramik gleicher Zusam- ersetzt. Die piezoelektrischen Eigenschaften werden
mensetzung, die aber kein Strontium, Barium oder 35 bei dem ternären System viel stärker als bei dem
Calcium enthält, bei 200C und 1 kHz erläutern, obengenannten binären System verbessert und sind in
F i g. 6 bis 8 graphische Darstellungen sind, die an der Nähe der morphotropen Zusammensetzung ausHand von Beispielen erläutern, welchen Einfluß der gezeichnet. Die Änderung der Eigenschaften mit der teilweise Austausch des Bleianteils durch Strontium, Zusammensetzung wird in den F i g. 3 bis 4 für eine Barium bzw. Calcium auf die relative Dielektrizitäts- 40 beispielhafte ternäre Zusammensetzung einer Keramik konstante (ε), den planaren Kopplungskoeffizienten erläutert, die kein Erdalkalimetall als Austausch- (kp) und den Resonanzwiderstand (R) der piezoelek- bestandteil enthält. Weiterhin wurde eine Verbesserung irischen Keramik hat; der dielektrischen und piezoelektrischen Eigenschaften
F i g. 9 ist ferner eine graphische Darstellung des erreicht, wenn ein Teil .des Bleis in dem ternären
Einflusses einer Änderung in der Zusammensetzung 45 System ersetzt wurde.
der Keramik auf die Dielektrizitätskonstante (ε) und In Zirkonium ist bekanntlich Hafnium als Verun-
den planaren Kopplungskoeffizienten (Ar3,) bei 20°C reinigung in verschiedener Menge enthalten. Für die
und 1 kc für eine Keramik mit einer Zusammen- Zwecke der Erfindung ist das Hafnium dem Zirkonium
setzung nahe der morphotropen Phasengrenze; praktisch gleichwertig, so daß das Hafnium entweder
F i g. 10 veranschaulicht in Form einer graphischen 50 als Verunreinigung oder als Ersatz für das Zirkonium
Darstellung die Änderung der Resonanzfrequenz, des vorliegen kann. Wegen der relativ hohen Kosten von
planaren Kopplungskoeffizienten und der Kapazität Hafnium im Vergleich zu Zirkonium ist jedoch seine
von einer polarisierten Keramik nach der Erfindung Verwendung bei der technischen Herstellung der er-
mit der Zeit, d. h. mit der Alterung. findungsgemäßen Keramik unwirtschaftlich, so daß
Ehe eine ausführliche Beschreibung der erfindungs- 55 in der folgenden Beschreibung das mögliche Vorhangemäß vorgeschlagenen piezoelektrischen Keramik densein von Hafnium außer acht gelassen wird. Das erfolgt, soll ihre Anwendung in elektromechanischen gleiche gilt in bezug auf geringe Mengen Tantal, die Wandlern unter Bezugnahme auf F i g. 1 der Zeich- als Verunreinigung im Niob vorkommen können. Der nungen erläutert werden, in der die Bezugszahl 7 Tantalgehalt kann jedoch auf weniger als 2 °/0 verrineinen elektromechanischen Wandler als Ganzes be- 60 gert werden, und derartige Mengen beeinträchtigen zeichnet, der als aktives Element einen vorzugsweise die piezoelektrischen Eigenschaften nicht. Erfindungsscheibenförmigen Körper 1 aus einer piezoelektrischen gemäß ist daher Tantal dem Niob als praktisch äqui-Keramik gemäß der Erfindung aufweist. Der Körper 1 valent anzusehen. Alle möglichen Zusammensetzungen, ist in einer im folgenden beschriebenen Weise elektro- die das ternäre System haben kann, werden durch das statisch polarisiert und ist mit einem Paar von Elek- 65 Dreieckdiagramm von F i g. 2 erläutert. Einige der troden 2 und 3 versehen, die in einer geeigneten und an durch das Diagramm wiedergegebenen Zusammensich bekannten Weise mit zwei gegenüberliegenden Setzungen führen jedoch zu keiner Keramik mit hohem Flächen des Körpers 1 verbunden sind. Leitend mit piezoelektrischem Effekt. Die vorliegende Erfindung
befaßt sich nur mit einer solchen Keramik, die einen piezoelektrischen Effekt von merklicher Größe zeigt. Der planare Kopplungskoeffizient kp von Prüfscheiben wird als Maßstab der piezoelektrischen Aktivität genommen.
Innerhalb der Fläche ABCDEF von Fig. 2, die 87,5 bis 1 Molprozent Pb(Mg1Z3Nb2Z3)O3, 81,3 bis O Molprozent PbTiO3 und 95 bis O Molprozent PbZrO3 erfaßt, führen sämtliche Zusammensetzungen zu einer Keramik, die polarisiert und geprüft worden ist, mit einem planaren Kopplungskoeffizienten von etwa 5% oder höher. Innerhalb der Fläche GHIJKLNO, die 62,5 bis 1 Molprozent Pb(Mg1/3Nb2,3)O3, 62,5 bis 12,5 Molprozent PbTiO3 und 75 bis O Molprozent PbZrO3 erfaßt, zeigt eine polarisierte Keramik einen planaren Kopplungskoeffizienten von etwa 20 % oder höher. Innerhalb der Fläche PQRSTU, die Zusammensetzungen mit 50,0 bis 6,25 Molprozent Pb(Mg1Z3Nb2Z3)O3, 50,0 bis 25,0 Molprozent PbTiO3 und 62,5 bis 12,5 Molprozent PbZrO3 umfaßt, zeigt eine polarisierte Keramik einen planaren Kopplungskoeffizienten von etwa 30% oder höher. Weiterhin führen die Zusammensetzungen nahe der morphotropen Phasengrenze, die 37,5 bis 12,5 Molprozent Pb(Mg1Z3Nb2Z3)O3 und 37,5 Molprozent PbTiO3 enthalten und zum Rest aus PbZrO3 bestehen, zu einer Keramik mit einem planaren Kopplungskoeffizienten von 40% oder höher.
Im folgenden werden die Molenbrüche der drei Bestandteile für die Punkte A bis U von F i g. 2 angegeben:
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 PbTiO3 PbZrO3
A 0,875 0,125 0,000
B 0,875 0,000 0,125
C 0,050 0,000 0,950
D 0,010 0,040 0,950
E 0,010 0,813 0,177
F 0,187 0,813 0,000
G 0,625 0,375 0,000
H 0,625 0,125 0,250
I 0,500 0,125 0,375
J 0,1875 0,1875 0,625
K 0,010 0,240 0,750
L 0,010 0,615 0,375
M 0,125 0,625 0,250
N 0,250 0,625 0,125
O 0,500 0,500 0,000
P 0,500 0,375 0,125
Q 0,500 0,250 0,250
R 0,125 0,250 0,625
S 0,0625 0,3125 0,625
T 0,0625 0,500 0,4375
U 0,375 0,500 0,125
55
In den ternären Zusammensetzungen innerhalb der Fläche ABCDEF, die 87,5 bis 1 Molprozent Pb(Mg1Z3Nb2Z3)O3, 81,3 bis O Molprozent PbTiO3 und 95 bis O Molprozent PbZrO3 umfaßt, hat die Einverleibung von Pb(Mg1Z3Nb2Z3)O3 als Ersatz für einen Teil des PbZrO3 den Effekt einer fortschreitenden Verringerung der Curietemperatur der Keramik, doch behält die Keramik einen verhältnismäßig hohen planaren Kopplungskoeffizienten, insbesondere in der Fläche PQRSTU von F i g. 2, die 50,0 bis 6,25 Molprozent Pb(Mg1Z3Nb2Z3)O3, 50,0 bis 25,0 Molprozent PbTiO3 und 62,5 bis 12,5 Molprozent PbZrO3 umfaßt. Wie oben angegeben ist, ist bei der Keramik gemäß der Erfindung ein Teil des Bleis in den festen Lösungen, die durch die Fläche ABCDEF oder vorzugsweise durch die Fläche PQRSTU von F i g. 2 definiert werden, durch Strontium, Barium und/oder Calcium ersetzt, und zwar etwa 1 bis 20 Atomprozent, vorzugsweise aber 3 bis 10 Atomprozent. Der Effekt von Strontium, Barium und Calcium ist qualitativ der gleiche, doch ist bei gleicher Menge Strontium wirksamer.
Zur leichteren und eindeutigeren Definition kann die erfindungsgemäße Keramik durch die folgende allgemeine empirische Formel wiedergegeben werden:
Dabei bedeuten die Indizes a, b, c, d, x, y und ζ die Molenbrüche bzw. die Atomprozentwerte der jeweiligen Bestandteile und haben die folgenden numerischen Werte:
a = 0,99 bis 0,80
b = 0,01 bis 0,20
c = 0,01 bis 0,20
d = 0,01 bis 0,20
b + c + d = 0,01 bis 0,20
χ = 0,01 bis 0,875
y = 0 bis 0,813
z= 0 bis 0,950 und
a + b+ c + d=
35
40
45 Die piezoelektrische Keramik nach der Erfindung besitzt eine hohe Dielektrizitätskonstante und einen hohen planaren Kopplungskoeffizienten zusammen mit einem geringen Resonanzwiderstand. So zeigt die piezoelektrische Keramik nach der Erfindung z. B. eine Dielektrizitätskonstante von 3510, einen piezoelektrischen planaren Kopplungskoeffizienten von 0,64 zusammen mit einem geringen Resonanzwiderstand von 8 Ohm, was gegenüber einer Dielektrizitätskonstante von 1609 und einem radialen Kopplungskoeffizienten von 0,564 von der oben erörterten bekannten piezoelektrischen Keramik technisch sehr vorteilhaft ist. Diese vorteilhaften Eigenschaften können nur mit einer Keramik erzielt werden, die ein ternäres System
Pb(Mg1Z3Nb2Z3)O3 - PbTiO3 - PbZrO3
und eine teilweise Substitution von Pb durch Ba, Sr oder Ca aufweist. Der Effekt einer solchen Substitution in einem solchen ternären System in bezug auf die piezoelektrischen und dielektrischen Eigenschaften der polarisierten Keramik war nach dem Stand der Technik nicht vorauszusehen gewesen.
Beispiele
Zur Herstellung der Keramik gemäß der Erfindung werden die Ausgangsmaterialien, wie z. B. reines PbO oder Pb3O4, MgO oder MgCO3, Nb2O5 oder Nb(OH)5, TiO2 und ZrO2 sowie reaktionsfähige Verbindungen von Strontium, Barium und Calcium (wie z. B. die Oxyde, Hydroxyde oder Carbonate) in einer mit Kautschuk ausgekleideten Kugelmühle innig mit destilliertem Wasser vermischt. Jeder Ansatz wird so abgewogen, daß etwa 100 g Gemisch vorliegen. Die Gemische werden nach dem Trocknen unter einem Druck von 400 kg/cm2 zu der gewünschten Form gepreßt. Die Blöcke werden 2 Stunden bei 85O0C kalziniert, in der Kugelmühle naßpulverisiert und die Pulver getrocknet. Die trockenen Produkte, die eine
7 8
kleine Menge destilliertes Wasser enthalten (organische nähme des Äquivalentresonanzwiderstandes (R) von Bindemittel und Gleitmittel werden vermieden), wer- 28,1 auf 23,7 bzw. 12,7 Ohm zeigt,
den unter einem Druck von 700 kg/cm a zu Scheiben Die gleichen Ergebnisse sind mit einer Keramik der von 20 mm Durchmesser und 2 mm Dicke verformt. Formeln (2) und (3) erhältlich [Beispiele 66 und 69 Die Scheiben werden bei einer gewünschten Tempera- 5 von Tabelle I], bei der ein Teil des Bleis durch Barium tür, die sich nach der jeweiligen Zusammensetzung und Calcium ersetzt ist und die relative Dielektrizitätsrichtet, 45 Minuten gebrannt. Erfindungsgemäß be- konstanten von 1215 bzw. 1198 aufweist. Gleichzeitig steht keine Notwendigkeit, die Massen in einer PbO- wird eine Zunahme bei dem planaren Kopplungs-Atmosphäre zu brennen, und auch im Hinblick auf koeffizienten (von 0,458 auf 0,496 bzw. 0,494) und eine den Temperaturgradienten im Ofen ist keine beson- io Abnahme des Resonanzwiderstandes (von 28,1 auf 23,2 dere Sorgfalt erforderlich. So kann die erfindungs- bzw. 21,7 Ohm) gefunden. Eine Keramik mit den gemäße piezoelektrische Keramik in gleichmäßiger Formeln (5) und (6) [Beispiele 33 und 30 von Tabelle I] und ausgezeichneter Weise leicht durch einfaches hat viel höhere relative Dielektrizitätskonstanten Bedecken der Proben mit einem Tonerdetiegel erhalten (ε = 2320 bzw. 3693) und geringere Resonanzwiderwerden. Die gesinterte Keramik wird auf beiden Ober- 15 stände (R = 16,7 bzw. 16,1 Ohm) als eine Keramik flächen auf eine Dicke von 1 mm poliert. Die polierte mit den Grundzusammensetzungen. Diese hohen Di-Scheibe wird auf beiden Seiten mit Silberfarbe über- elektrizitätskonstanten werden auf Kosten einer zogen und bei 800° C gebrannt, um Elektroden herzu- schwachen Verringerung der planaren Kopplung erstellen. Der Prüfkörper mit dem auf ihm erzeugten reicht, doch kann diese Verringerung in Anbetracht Elektrodenpaar wird auf seine Dielektrizitätskonstante ao der hohen Dielektrizitätskonstanten in Kauf genom- und auf seinen dielektrischen Verlustfaktor bei 20° C, men werden.
einer relativen Feuchte von 50 % und einer Frequenz Die F i g. 3 bis 5 erläutern die Veränderung der von 1 kHz geprüft. Zur Polarisation werden die Prüf- relativen Dielektrizitätskonstante (ε), des planaren körper in ein Siliconölbad bei 100° C eingetaucht, Kopplungskoeffizienten (kv) und des Resonanzwider-1 Stunde mit einer Gleichstromspannung von 4 kV/mm as Standes (R) einer beispielhaften Keramik als Funktion beladen und unter Aufrechterhaltung des Feldes in des Molverhältnisses von PbTiO3 zu PbZrO3 bei 30 Minuten auf Raumtemperatur (etwa 20 bis 30°C) konstantem Mol-Anteil (25 Molprozent) von abgekühlt. Die dielektrischen und piezoelektrischen Pb(Mg1Z3Nb2Z3)O3, das 5 Molprozent Strontium entEigenschaften der polarisierten Prüfkörper sind ge- hält, im Vergleich zu der entsprechenden nichtmodimessen worden, und bevorzugte Zusammensetzungen 3° fizierten Keramik. Aus diesen graphischen Darstellunder piezoelektrischen Keramik gemäß der Erfindung gen ist eindeutig ersichtlich, daß sowohl bei der erbei 20° C sind in Tabelle I zusammengestellt. Die Mes- findungsgemäßen Keramik als auch bei der nichtsung der piezoelektrischen Eigenschaften erfolgte modifizierten Keramik in der Nähe der morphotropen unter Verwendung der IRE-Standard-Übertragungs- Übergangsgrenze die höchsten relativen Dielektrizischaltung, und der planare Kopplungskoeffizient 35 tätskonstanten, die höchsten planaren Kopplungswurde nach dem Resonanz-Antiresonanz-Frequenz- koeffizienten und die niedrigsten Resonanzwiderstände verfahren bestimmt. Innerhalb der obengenannten vorliegen. Weiterhin ist eindeutig ersichtlich, daß der allgemeinen Mengenverhältnisse haben die vom Stand- Ersatz eines Teils des Bleis durch die genannten Erdpunkt eines hohen piezoelektrischen Effektes, ver- alkalimetalle eine Zunahme der Dielektrizitätskonbunden mit hoher relativer Dielektrizitätskonstante, 40 stanten und der planaren Kopplungskoeffizienten und aus gesehen bevorzugten Zusammensetzungen der eine Abnahme der Resonanzwiderstände bewirkt,
piezoelektrischen Keramik gemäß der Erfindung die Die F i g. 6 bis 9 sind graphische Darstellungen, die folgenden Formeln: den Effekt der zum Modifizieren verwendeten Menge m ην. c xi\x XTi, τ· ύ in an Erdalkalimetall auf die relative Dielektrizitäts-
(1) Pbo,97Sr0j03[(Mgl/3Nb2/3)0jl25Ti0f405Zr0(47JO, 4g konstante (ε); den planaren Kopplungskoeffizienten
(2) Pbo>95Bao,o5 [(Mg1Z3Nb2/3)o,i25Tio,405Zro,47]03 (^) und den Resonanzwiderstand (R) bei einer Kera-
(3) PbC95Ca01O5KMg1Z3Nb2Z3)C125Ti014OsZrO^Y]O3 mik zeigen, bei der ein Teil des Bleianteils durch
(4) Pb0,90Sr0,10i(Mgl/3Nb2z3)o,125Tic405Zr0,4,]03 Str°ntiu™> Barium bzw· Calcium ersetzt ist.
(K\ Ph Ra ΓΓΜσ , Nh , ϊ Ti 7r in F 1S-10 ist eine graphische Darstellung des Em-
(5 Pb0,95Ba0,05[(Mgl/3Nb2/3)0,375Ti0,375Zr0,25]O3 ^ ^^ ^ SubstitutioQ auf die AltenmgstigenSchaf-
(6) iJb0,90bro,10KMg1/3Nb2/3)0>375liO(375Zr0>25)U3 ten der Keramik gemäß der Erfindung, bei der die
Wie aus der weiter unten folgenden Tabelle I er- Stellung, in der sich das Blei befindet, teilweise durch
sichtlich ist, hat eine piezoelektrische Keramik mit Strontium bzw. Barium besetzt ist, in bezug auf die den obengenannten Formeln (1) und (4) [Beispiele 62 Resonanzfrequenz, den planaren Kopplungskoeffi- und 64] relative Dielektrizitätskonstanten (ε) von 55 zienten und die Kapazität.
1150 bzw. 2328 im Vergleich zu 1090 für eine Keramik Aus diesen graphischen Darstellungen ist ersichtlich,
aus einer Grundzusammensetzung mit dem gleichen daß die Keramik, die Erdalkalielemente enthält, im
Molverhältnis Vergleich zu einer nichtmodifizierten Keramik mit der
Ms Nb 'Ti1Zr Grundzusammensetzung eine merkliche Verbesserung
ta u-auM -Kxu τ· ύ \r, 6o ^er relativen Dielektrizitätskonstante, des planaren
[d.h. Pb(Mg1Z3Nb2Z3)C125IIc405ZrC47)O3]. Kopplungskoeffizienten und des Resonanzwiderstan-
Diese bemerkenswerte Vergrößerung der Dielektri- des zeigt. Bei einer weiteren Zunahme des prozentualen
zitätskonstante ist von einer Zunahme in bezug auf Anteils an Erdalkalielement werden diese Verbesserun-
die elektromechanische Ansprechbarkeit begleitet, gen jedoch nur auf Kosten einer Verschlechterung was sich an einer Vergrößerung des planaren Kopp- 65 anderer Eigenschaften, wie z. B. eines etwas geringeren
lungskoeffizienten (kp) von 0,458 auf 0,502 bzw. 0,581 planaren Kopplungskoeffizienten und einer Zunahme
zeigt, und ist weiterhin von einer Abnahme in der des Resonanzwiderstandes, erzielt. Aus der folgenden
Resonanzimpedanz begleitet, was sich an einer Ab- Tabelle und den Figuren ist ersichtlich, daß die bevor-
zugte Menge an Erdalkalimetall etwa 3 bis 10 Atomprozent beträgt.
Zusätzlich zu den obengenannten verbesserten Eigenschaften besitzt die erfindungsgemäße Keramik gute physikalische Eigenschaften und läßt sich gut polarisieren. Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß die ternäre feste Lösung
Pb(Mg1Z3Nb2Z3)O3 - PbTiO3 - PbZrO3,
bei der ein Teil des Bleis durch Strontium, Barium oder Calcium ersetzt ist, zu einer ausgezeichneten piezoelektrischen Keramik führt.
Bei
spiel		 Zusammensetzung
1 Pb(Mgl/3Nb2,s)0i50Ti0i50Os
2 Pb0197Sr0103(Mg1Z3Nb2Zs)0150Ti0150O3
3 Pb0195Sr0105(Mg1Z3Nb2Za)0150Ti01S0O3
4 Pb0190Sr0110(Mg1Z3Nb2Z3)O150TiO150Os
5 Pb01S0Sr0120(Mg1Z3Nb2Z3)O150Ti0150O3
6 Pb0197BaO1O3(Mg1Z3Nb2Z3)O150Ti0105O3
7 PbO195Ba0105(Mg1Z3Nb2Zs)01S0Ti0150O3
8 PbC90BaO110(Mg1Z3Nb2Z3)CSoTiO1SoO3
9 Pb0i80Ba0,20(Mg1/3Nb2z3)0i50Ti0i50O3
10 Pb0197Ca0103(Mg1Z3Nb2Zs)0150Ti0150O3
11 Pb0195Ca0105(Mg1Z3Nb2Z3)O150Ti0150O3
12 Pb0190Ca0110(Mg1Z3Nb2Z3)O1S0Ti0150O3
13 PbO18OCa0120(Mg1ZsNb2Z3)O1SoTiO1SoOs
14 Pb(Mgl/3Nb2/3)oi5oTio,37Zr0,1303
15 Pb0197Sr01O3(Mg1Z3Nb2Zs)01S0Ti0137Zr0113O3
16 PbO]9OSr0110(Mg1ZsNb2Zs)01S0TiO137ZrO113O3
17 Pb(Mg1Z3Nb2Z3)O1S0Zr0150O3
18 Pb0197Sr0103(Mg1ZsNb2Zs)0150ZrO150O3
19 Pb0195Sr0105(Mg1Z3Nb2Zs)O150Zr01SoO3
20 Ph ^It C\Äo ι "NTh ι Λ 7v O
x l"M),90lJ1-0»10vl-"J-ol/3JL^u2/3./0»50 1OjSO 3
21 Pb0197Ba0-03(Mg1Z3Nb2Zs)0150Zr0150O3
22 PbO195BaO1Os(Mg1Z3Nb2Z3)O1S0ZrO150O3
23 Pb0190Ba0110(Mg1Z3Nb2Z3)O1S0Zr01S0O3
24 Pb0197Ca0103(Mg1ZsNb2Z3)O150Zr0150O3
25 PbO]95Ca0105(Mg1Z3Nb2Z3)O150Zr01S0O3
26 ·*■ 0, 90^*'"Ό#10\λ"'&1/3^· ^2/3/0,50^M), 50^ 3
27 Pbriviffi/Q^^bo/Q*) rrTln fjK.J-jTn osOq
28 Pb0-97Sr0103(Mg1Z3Nb2Zs)01375Ti01S75Zr0125O3
29 Pb0195Sr0105(Mg1Z3Nb2Z3)O1375Ti01375Zr0125O3
30 Pb0190Sr0110(Mg1Z3Nb2Zs)01375Ti01375Zr0125O3
31 Pb0180Sr0120(Mg1Z3Nb2Z3)O137STi01375ZrO125O3
32 Pb0197Ba0103(Mg1Z3Nb2Z3)O1375Ti01S75ZrO125O3
33 PbO]95Ba0105(Mg1ZsNb2Z3)O1375Ti01375Zr0125O3
34 PbolgoBacioiMgi/sNba/^olsreTiolsreZro^ggOa
35 Pb0180Ba0120(Mg1Z3Nb2Zs)01S75Ti01375Zr0125O3
36 PbO]97Ca0]O3(Mg1Z3Nb2Z3)O1S75TiO]375Zr0125O3
37 Pb0195Ca0105(Mg1Z3Nb2Z3)O1375Ti01S75Zr0125O3
38 PbC90CaC10(Mg1Z3Nb2Z3)O]375TiC375ZrC25Os
39 Pb0180Ca0120(Mg1ZaNb2Za)01S75Ti01375Zr0125O3
40 Pb(Mg1Z3Nb2Z3)O1375Ti01345Zr0128O3
41 Pb0197Sr0-03(Mg1Z3Nb2Za)01375Ti01S45Zr0128O3
42 Pb0190Sr0110(Mg1Z3Nb2Zs)01375Ti01345Zr0128O3
Bei
spiel		 Zusammensetzung
43 Pb(Mg1ZsNb2Z3)O125Ti01375Zr01S75O3
0 44 Pb0197Sr0103(Mg1Z3Nb2Zs)0125Ti01375Zr01375O3
45 Pb0195Sr01O5(Mg1Z3Nb2Z3)O125Ti01S75Zr01375O3
46 Pbo]9oSro]1o(Mg1/3Nb2/s)o]2sTio]37sZr0]375Os
47 PbO1SoSr012O(Mg1Z3Nb2Z3)O12STi01S75Zr01375Os
10 48 Pb0197BaO1O3(Mg1Z3Nb2Zs)O125TiO1S75Zr01S75Os
49 PbO195BaO1Os(Mg1Z3Nb2Z3)O125Ti01375Zr01375O3
50 Pb0190Ba011O(Mg1ZsNb2Z3)O125Ti01375Zr01375O3
51 Pb0180BaO]20(Mg1ZaNb2Z3)O125Ti0^7SZr01375O3
15 52 Pb0197Ca01Oa(Mg1Z3Nb2Zs)0125Ti01375Zr01375O3
53 Pb0195Ca010S(Mg1Z3Nb2Z3)O125Ti01375Zr01S75O3
54 Pb0190CaO]10(Mg1Z3Nb2Z3)O125TiO]375ZrO]375O3
55 Pb0180Ca012O(Mg1Z3Nb2Z3)O125TiO1S75Zr01S75O,
20 56 Pb(Mg1Z3Nb2Zs)01125Ti01435Zr0144O3
57 Pb0197Sr0103(Mg1Z3Nb2Z3)O1125Ti01435Zr0144O3
58 PbC95SrC05(Mg1Z3Nb2Z3)C125Ti01435Zr0144O3
59 Pb01S5Sr0115(Mg1Z3Nb2Z3)O1125Ti01435Zr0144O3
«5 60 Pb0180Sr0120(Mg1ZsNb2Zs)O1125Ti01435Zr0144O3
61 Pb(Mg1Z3Nb2Zs)01125Ti01405Zr0147O3
62 Pb0^7Sr01O3(Mg1Zi1Nb2Z3)O1125Ti014OsZr0147Oi,
63 Pb0195Sr01O5(Mg1Z3Nb2Z3)O1125Ti01405Zr0147O3
30 64 PbO19OSrO110(Mg1Z3Nb2Z3)O1125Ti01405Zs0147O3
65 PbC8OSrC20(Mg1Z3M)2Zs)C125TiC405ZrC47Os
66 Pb0195Ba0105(Mg1Z3Nb2Zs)01125Ti01405Zr0147O3
67 Pb0185Ba0115(Mg1Z3Nb2Z3)O1125Ti01405Zr0147O3
68 Pb0180Ba0120(Mg1Z3Nb2Z3)O1125TiO14O5Zr0147O3
35 69 Pb0195Ca01O5(Mg1Z3Nb2Z3)O1125Ti014O5Zr0147O3
70 Pb0190Ca0110(Mg1Z3Nb2Z3)O1125TiO14OsZr0147O3
71 *" 0»85^ 0#15ν^·§ΐ/3"^' ^2/3/0*125 ^- ^0,405^^0,47^3
72 -t D()»80^"'**O,20v^'^-&L/3·^' ^2/3/0,125 -^*^0»405^Μ),47^3
40 73 Pb(Mg1Z3Nb2Zs)0125Ti0175O3
74 Pb019SS01Os(Mg1Z3Nb2Zs)0125Ti0175O3
75 Pb(Mgl/3Nb2zs)0i25Ti0i625Zr0il25O3
76 Pb0195Sr0105(Mg1Z3Nb2Zs)O125Ti01625ZrO1125O3
45 77 Pb(Mgl/3Nb2,3)ol2sTiOi5OZrOi2503
78 Pb0195Sr010S(Mg1Z3Nb2Zs)O125TiO150ZrO125Os
79 Pb(Mg1Z3Nb2Zs)0125Ti0143Zr0132O3
80 Pb0195Sr01O5(Mg1ZaNb2Z3)O125Ti0143Zr01S2O3
50 81 Pb(Mg1Z3Nb2Zs)0125Ti0140Zr0135O3
82 Pb0i95Sr0i05(Mgj/3Nb2/s)0i25Ti0i40Zr0i35O3
83 Pb(Mg1Z3Nb2Zs)0125Ti0137Zr0138O3
84 Pb0195Sr01O5(Mg1Z3Nb2Za)0125Ti0137Zr0138Os
55 85 Pb(Mg1Z3Nb2Za)0125Ti01S4Zr0141O3
86 0,95 0,05ν,01/3 2/3/0»25 OjSa1^ 0»41^"^3
87 Pb(Mg1Z3Nb2Zs)0125Ti0131Zr0144O3
88 Pb0195Sr01O5(Mg1Z3Nb2Zs)O125TiO1S1Zr0144O3
6o 89 Pb(Mg1Z3Nb2Zs)0125Ti0121Zr0147O3
90 PbO19SSr0105(Mg1Z3Nb2-S)0125Ti0128Zr0147Oa
91 Pb(Mg1Z3Nb2Z3)C25Ti0125Zr0150O3
92 "Pn ν»t* ι ~\Λο* ι Nn / ι Ti 7t* (~}
0,95 0»05V öl/3 2/3/0,25 0»25^^ 0,50^·^?
65 93
94		 Pb(Mg1Zi1Nb2Zs)0125Ti01125Zr01625O3
95 JT D^JVL^j^gJN D2/3J0 25^0» 75 3
96 Pb0,95Sr0105(Mg1Z3Nb2Za)0125Zr0,75O3
Tabelle la
Beispiel Brenntemperatur Relative
Dielektrizitäts		 Planarer Kopplungs- Resonanzwiderstand Dielektrischer
Verlustfaktor D
(0C) konstante ε bei 1 kHz Kucmzicnt Kp \ la) Ri ) (in %) bei 1 kHz
1 1270 915 19,1 80,4 1,22
2 1250 990 24,5 54,0 1,15
3 1250 1093 25,6 47,9 1,29
4 1250 1880 20,3 50,7 1,74
5 1250 4135 7,0 75,2 1,12
6 1250 985 27,3 47,9 1,05
7 1250 1020 26,6 44,3 1,24
8 1250 1066 22,7 40,2 1,34
9 1250 2330 14,0 50,7 2,13
10 1250 697 20,9 78,0 0,87
11 1250 699 20,6 78,3 0,86
12 1250 750 20,3 76,3 0,95
13 1250 1178 14,4 80,2 2,41
14 1270 1433 30,1 38,4 1,85
15 1260 2330 28,7 26,0 1,68
16 1250 4823 15,4 92,5 3,93
17 1300 332 7,5 814,0 1,90
18 1290 1024 8,3 474,7 2,55
19 1290 3976 12,0 106,3 3,95
20 1290 4287 9,0 86,8 0,22
21 1290 1186 8,6 366,7 3,00
22 1290 3915 8,5 98,1 2,53
23 1290 6054 7,0 65,4 0,92
24 1290 509 11,0 420,8 1,89
25 1290 1326 9,5 253,0 3,81
26 1290 1403 7,1 136,7 2,24
27 1280 1671 48,0 18,9 2,28
28 1250 1988 49,1 17,2 2,11
29 1250 2533 50,0 15,4 2,39
30 1250 3693 42,5 16,1 3,10
31 1250 6750 14,6 18,0 0,70
32 1250 1866 48,3 18,1 2,08
33 1250 2320 47,0 16,7 2,41
34 1250 3267 38,2 17,9 3,20
35 1250 5012 12,3 18,6 5,15
36 1250 1781 47,4 18,3 1,95
37 1250 1850 43,7 17,4 1,64
38 1250 2108 32,8 16,2 1,91
39 1250 2887 11,8 18,1 5,62
40 1280 1247 30,2 55,4 2,07
41 1260 2209 39,7 22,2 2,72
42 1260 5329 26,5 46,1 4,90
43 1300 976 49,8 27,0 2,52
44 1290 1242 50,2 24,5 2,15
45 1290 1671 49,0 23,7 2,09
46 1290 2647 35,2 24,2 2,66
47 1290 4975 12,3 26,5 2,68
48 1290 1224 48,7 26,1 2,09
49 1290 1472 46,2 23,8 2,26
50 1290 1975 37,4 25,4 2,59
51 1290 4108 15,7 26,8 5,40
52 1290 1212 51,1 25,4 2,11
53 1290 1590 48,3 24,7 2,01
54 1290 2872 36,6 26,8 2,50
55 1290 3721 14,1 27,5 7,39
56 1310 1246 49,2 20,6 1,65
57 1290 1355 41,1 27,6 1,72
58 1290 1432 38,8 27,9 1,73
59 1310 2347 39,8 17,1 1,60
60 1310 3700 21,8 47,7 3,70
61 1310 1090 45,8 28,1 1,50
62 1290 1150 50,2 23,7 2,51
Tabelle la (Fortsetzung)
Beispiel Brenntemperatur
(0C)		 Relative
Dielektrizitäts
konstante ε bei 1 kHz		 Planarer Kopplungs
koeffizient kp (%)		 Resonanzwiderstand
R(ß) 		Dielektrischer
Verlustfaktor D
(in "/„) bei IkHz
63 1310 1347 53,0 19,0 2,21
64 1290 2328 58,1 12,7 2,00
65 1290 5245 30,5 41,2 5,15
66 1290 1215 49,6 23,2 2,13
67 1290 1668 34,5 36,4 2,45
68 1310 1723 20,2 84,2 3,11
69 1310 1198 49,4 21,7 1,65
70 1290 1351 42,2 51,6 1,77
71 1290 1589 25,1 114,0 4,00
72 1290 1684 13,1 262,0 4,35
73 1230 263 5,9 1394,0 1,60
74 1210 473 8,4 517,0 1,63
75 1250 487 24,6 72,0 1,64
76 1270 591 25,5 60,6 1,80
77 1300 920 29,0 66,7 1,43
78 1280 1186 37,6 26,3 1,10
79 1300 1254 30,3 33,0 1,67
80 1280 1992 39,6 20,5 1,50
81 1300 1274 46,3 25,5 2,05
82 1280 2098 47,0 19,5 1,93
83 1300 1061 47,5 26,2 2,49
84 1300 1622 48,0 23,0 2,39
85 1300 1049 39,9 36,0 2,26
86 1280 1522 43,3 22,5 2,83
87 1300 675 30,1 70,2 3,19
88 1280 1447 35,4 26,1 2,91
89 1300 630 29,7 62,8 3,55
90 1280 1360 34,8 30,7 3,02
91 1300 566 29,5 64,1 3,32
92 1280 1321 33,7 42,9 3,29
93 1300 493 20,7 80,0 2,97
94 1280 1228 22,1 71,6 3,64
95 1300 533 7,3 384,0 3,27
96 1280 1606 10,1 318,0 4,20
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 2 Patentansorüche* anderen Seite soll (2) die piezoelektrische Keramik " für elektrische Wellenfilter einen ganz speziellen
1. Piezoelektrische Keramik, dadurch ge- Kopplungskoeffizienten, einen niedrigen Resonanzkennzeichnet, daß sie aus einer festen widerstand und einen hohen mechanischen Qualitäts-Lösung gemäß der Formel 5 faktor aufweisen. Weiterhin muß die Keramik in bezug Our\xn μι, ιτ;7,.λ auf die Resonanzfrequenz und andere elektrische Pb(Mg1Z3Nb2Z3Mi2ZZr2O3 Eigenschaften eine hohe Temperatur- und Zeitbestänbesteht, und zwar mit Werten für χ zwischen 0,01 digkeit haben.
und 0,875, für y zwischen 0 und 0,813 und für ζ Aus der USA.-Patentschrift 3 268 453, J. Am.
zwischen 0 und 0,95, wobei etwa 1 bis 20 Atom- io Ceram. Soc, 48 [12], S. 630 bis 635 (1965), und J. Am.
prozent Blei durch Strontium, Barium und/oder Ceram. Soc, 49 [11], S. 577 bis 582(1966), ist eine piezo-
Calcium ersetzt sind. elektrische Keramik bekannt, die aus dem System
2 Piezoelektrische Keramik, dadurch gekenn- Pb(Mgl,3Nb2/3)O3 - PbTiO3 - PbZrO3
zeichnet, daß sie aus einer festen Losung gemäß
der Formel 15 besteht und mit bestimmten Zusätzen modifiziert ist.
Pb(Mg1Z3Nb2Z3)ZTi^Zr2O3 Eine Bleititanat-Bleizirkonat-Keramik, die mit bestimmten Zusätzen, wie z. B. Ta2O5, Nb2O5, Fe2O3,
besteht, und zwar mit Werten für χ zwischen 0,01 NiO, CoO, Bi2O3 und WO3, modifiziert ist,
und 0,625, für y zwischen 0,125 und 0,625 und wird in der deutschen Patentschrift 1 009 431, der
für ζ zwischen 0 und 0,75, wobei etwa 1 bis 20 20 deutschen Auslegeschrift 1116 742 und der britischen
Atomprozent Blei durch Strontium, Barium und/ Patentschrift 1 010 508 beschrieben. Die dort beschrie-
oder Calcium ersetzt sind. bene Keramik besitzt jedoch eine relativ niedrige Di-
3. Piezoelektrische Keramik, dadurch gekenn- elektrizitätskonstante und einen niedrigen elektro-
zeichnet, daß sie aus einer festen Lösung gemäß mechanischen Kopplungskoeffizienten. So hat z. B.
der Formel 25 die nach dieser Literatur bekannte Keramik eine Di-
Nb2Z3)ZTi^Zr2O3 elektrizitätskonstante von 1609 zusammen mit einem
radialen Kopplungskoeffizienten von 0,564 gezeigt,
besteht, und zwar mit Werten für χ zwischen Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu-
0,0625 und 0,5, für y zwischen 0,25 und 0,5 und gründe, eine piezoelektrische Keramik mit sehr ver-
für ζ zwischen 0,125 und 0,625, wobei etwa 1 bis 30 besserten piezoelektrischen und dielektrischen Eigen-
20 Atomprozent Blei durch Strontium, Barium schäften zur Verfügung zu stellen. Derart verbesserte
und/oder Calcium ersetzt sind. Eigenschaft wird nicht bei der herkömmlichen
Keramik aus Bleititanat-Bleizirkonat oder Bleimagne-
siumniobat, das in Ivs. Akad., Nauk, USSR., 1960,
35 S. 1276, beschrieben ist, erzielt. Die Curie-Temperatur
Die Erfindung betrifft eine neue piezoelektrische von Bleimagnesiumniobat der Formel
Keramik. Bei dem Keramikgrundmaterial dieser Pb(Me Nb )O
piezoelektrischen Keramik handelt es sich um poly- 1/3 2 3 3
kristalline Aggregate bestimmter, im nachfolgenden liegt bei-120C, also sehr unter der Raumtemperatur, beschriebener Konstitution. Die piezoelektrische Kera- 40 was als Grund dafür anzunehmen ist, daß der genannmik gemäß der Erfindung kann für elektromechanische ten Literatur über die Piezoelektrizität dieser Verbin-Wandler verwendet werden. dung nichts zu entnehmen ist. Der Stand der Technik Wegen der im Vergleich zu kristallinen Substanzen, gibt daher keine Lehre, wie eine piezoelektrische wie z. B. dem Rochellesalz, geringeren Kosten und Keramik zusammengesetzt sein muß, damit sie eine der leichten Herstellbarkeit von Keramikerzeugnissen 45 sehr hohe Dielektrizitätskonstante, einen hohen piaverschiedenster Gestalt und Größe und der größeren naren Kopplungskoeffizienten und einen geringen Beständigkeit dieser Erzeugnisse bei hohen Tempera- Resonanzwiderstand aufweist.
türen und/oder Feuchtigkeit hat die piezoelektrische Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer verKeramik in letzter Zeit für verschiedene Energie- besserten piezoelektrischen Keramik, die durch eine umwandlungszwecke Bedeutung erlangt. Sowohl bei 50 hohe relative Dielektrizitätskonstante, einen hohen der Entwicklung neuer Anwendungen für eine schon elektromechanischen Kopplungskoeffizienten und bekannte Keramik als auch bei der Entwicklung einen niedrigen Resonanzwiderstand ausgezeichnet ist. einer neuen oder verbesserten piezoelektrischen Kera- Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung mik für elektromechanische Wandler sind beträcht- einer neuen piezoelektrischen Keramik, bei der beliche Anstrengungen unternommen worden. Die piezo- 55 stimmte Eigenschaften in der gewünschten Weise eingeelektrischen Eigenschaften der Keramik variieren stellt werden können, um sie bestimmten elektromechanatürlich mit dem jeweiligen Anwendungszweck. nischen Energieumwandlungszwecken anzupassen.
Zum Beispiel erfordern elektromechanische Wandler, Es wurde nun eine piezoelektrische Keramik gewie (1) Schallplattenaufnahmegeräte und Mikro- funden, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie aus phone, eine hohe Ausstoßspannung und ein unscharfes 60 einer festen Lösung gemäß der Formel
Ansprechen auf Frequenzänderungen. Die piezo- Λ . .
elektrische Keramik muß daher einen sehr hohen Pb(Mg1Z2Nb2Z3)ZIi2ZZr3O3
elektromechanischen Kopplungskoeffizienten und eine besteht, und zwar mit den Werten für χ zwischen 0,01 sehr hohe Dielektrizitätskonstante aufweisen. Bei und 0,875, für y zwischen 0 und 0,813 und für ζ zwi-Hochleistungsresonatoren für Ultraschallwaschgeräte 65 sehen 0 und 0,95, wobei etwa 1 bis 20 Atomprozent oder ähnlichen Anwendungszwecken ist es erwünscht, Blei durch Strontium, Barium und/oder Calcium einen niedrigen Resonanzwiderstand zu haben, um ersetzt sind. Eine solche piezoelektrische Keramik die inneren Betriebsverluste zu vermindern. Auf der zeigt hohe elektromechanische Wandlereigenschaften.
DE19661646699 1965-08-16 1966-04-14 Piezoelektrische keramik Ceased DE1646699B1 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP5026465 1965-08-16

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE1646699B1 true DE1646699B1 (de) 1972-05-31

Family

ID=12854098

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE19661646699 Ceased DE1646699B1 (de) 1965-08-16 1966-04-14 Piezoelektrische keramik

Country Status (3)

Country Link
US (1) US3424686A (de)
DE (1) DE1646699B1 (de)
GB (1) GB1116283A (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005037508A2 (en) * 2003-10-15 2005-04-28 Piezotech, Llc D/B/A Piezo Technologies Compositions for high power piezoelectric ceramics
WO2006110704A3 (en) * 2005-04-11 2007-07-05 Piezotech Llc Compositions for high power piezoelectric ceramics

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3544471A (en) * 1967-08-31 1970-12-01 Nippon Electric Co Piezoelectric ceramics
DE1907199A1 (de) * 1968-02-17 1970-02-26 Nippon Electric Co Piezoelektrisches Keramikmaterial
JPS5948969A (ja) * 1982-09-14 1984-03-21 Toshiba Corp 超音波探触子用酸化物圧電材料
US5440894A (en) * 1993-05-05 1995-08-15 Hussmann Corporation Strategic modular commercial refrigeration
US6140746A (en) * 1995-04-03 2000-10-31 Seiko Epson Corporation Piezoelectric thin film, method for producing the same, and ink jet recording head using the thin film

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1116742B (de) * 1958-09-15 1961-11-09 Brush Crystal Company Ltd Ferroelektrische keramische Mischung fuer ein elektromechanisches Wandlerelement
GB1010508A (en) * 1960-12-02 1965-11-17 Philips Electronic Associated Improvements in or relating to the manufacture of ceramic bodies suitable for piezo-electric uses

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3068177A (en) * 1958-09-15 1962-12-11 Brush Crystal Company Ltd Ferroelectric ceramic materials
GB1066752A (en) * 1964-04-28 1967-04-26 Matsushita Electric Ind Co Ltd Piezoelectric ceramic compositions

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1116742B (de) * 1958-09-15 1961-11-09 Brush Crystal Company Ltd Ferroelektrische keramische Mischung fuer ein elektromechanisches Wandlerelement
GB1010508A (en) * 1960-12-02 1965-11-17 Philips Electronic Associated Improvements in or relating to the manufacture of ceramic bodies suitable for piezo-electric uses

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005037508A2 (en) * 2003-10-15 2005-04-28 Piezotech, Llc D/B/A Piezo Technologies Compositions for high power piezoelectric ceramics
WO2005037508A3 (en) * 2003-10-15 2005-07-14 Piezotech Llc D B A Piezo Tech Compositions for high power piezoelectric ceramics
US7303692B2 (en) * 2003-10-15 2007-12-04 Piezotech, Llc Compositions for high power piezoelectric ceramics
US7547401B2 (en) 2003-10-15 2009-06-16 Piezotech, Llc Compositions for high power piezoelectric ceramics
US7560043B2 (en) 2003-10-15 2009-07-14 Piezotech, Llc Compositions for high power piezoelectric ceramics
WO2006110704A3 (en) * 2005-04-11 2007-07-05 Piezotech Llc Compositions for high power piezoelectric ceramics

Also Published As

Publication number Publication date
US3424686A (en) 1969-01-28
GB1116283A (en) 1968-06-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE68903997T2 (de) Ferroelektrisches keramisches material.
DE19964243C2 (de) Piezoelektrische keramische Zusammensetzung
DE102008021827B9 (de) Keramischer Werkstoff, Verfahren zur Herstellung des keramischen Werkstoffs, Bauelement mit dem keramischen Werkstoff und seine Verwendung
DE19964233C2 (de) Piezoelektrische keramische Zusammensetzung
DE68923579T2 (de) Ferroelektrisches keramisches Material.
DE102004002204A1 (de) Keramikmaterial
DE1646699B1 (de) Piezoelektrische keramik
DE69000733T2 (de) Ferroelektrisches keramisches material.
DE1646698B1 (de) Piezoelektrische keramik
DE1796233C2 (de) Piezoelektrische Keramiken
DE1940974C3 (de) Piezoelektrische Keramik
DE69605966T2 (de) Piezoelektrische Keramiken
DE1950317C3 (de) Piezoelektrische Keramik
DE19605050C1 (de) Niedrig sinternder PZT-Werkstoff
DE2200787A1 (de) Piezoelektrische Keramikzusammensetzungen
DE19609739C1 (de) Niedrig sinternder Hart-PZT-Werkstoff
DE1646675C2 (de) Piezoelektrische Keramik
DE1922265C3 (de) Piezoelektrische Keramik
DE1223290B (de) Keramik fuer ein piezolelektrisches Filter
DE2121138B2 (de) Piezoelektrische keramiken
DE2164403C3 (de) Ferroelektrische keramische Zusammensetzungen
DE1646691C2 (de) Piezoelektrische Keramik
DE1771697C2 (de) Piezoelektrische Keramik
DE1471344C (de) Keramisches Ferroelektnkum mit Bleititanat Bleizirkonat
DE1646740A1 (de) Piezoelektrische keramische Massen

Legal Events

Date Code Title Description
BHV Refusal