DE1671039C - Elektromechanischer Wandler, der aus einer Keramikmasse vom Typ Pb (Zr, Ti) O tief 3 besteht und Verfahren zur Herstellung eines solchen Wandlers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Wandler, der aus einer Keramik müsse vom Typ Pb(Zr₁Ti)O₃ besteht, die mit einem Zusatz von MnO., (bzw. MnO) versehen ist und bei der Pb bis zu etwa 25 Molprozent durch wenigstens eines der Erdalkalielemente Ba, Sr oder Ca und Zr mindestens teilweise durch wenigstens eines der Elemente Sn oder Hf ersetzt sein können.

Es ist bekannt, daß die elektrischen und mechanischen Eigenschaften perowskitischer Keramikmassen vom Bleizirkonat-Bleititanat-Typ Pb(Zr,Ti)O_;, durch Oxidzusätze beeinflußt werden können. Als besonders günstig haben sich dabei unter anderem auch Mangandioxid MnO₂-(bzw. Manganmonoxid MnO-) Zusätze erwier.en. Da es bei den Zusätzen auf die Mn-Menge und kaum auf die O-Menge ankommt, wird die Mn-Masse kurz mit Pb(Zr,Ti)O_a:Mn bezeichnet. Dabei ist allgemein bekannt, daß Pb bis zu etwa 25 Molprozent <1urch wenigstens eins der Erdalkalielemente Ba, Sr oder Ca und daß Zr mindestens teil- ao weise durch wenigstens eins der Elemente Sn oder Hf ersetzt werden können.

Die bekannten Keramikmassen vom Typ Pb(Zr₁Ti)O₃:Mn zeigen zwar gegenüber der reinen Pb(Zr,Ti)O_n-Keramik schon wesentlich verbesserte Eigenschaften; dennoch bestand der Wunsch, weitere Keramikmassen mit zum Teil noch besseren Eigenschaften zu gewinnen. Zu diesem Zweck wurden auch schon zahlreiche Pb(Zr,Ti)O₃-Massen mit anderen Oxidzusätzen voigeschlagen, z. B. Eisenoxid Fe₂O₃ oder Chromoxid Cr₂O₃ oder Oalliumoxid Ga₂O₃, aber auch solche mit außer MnO₂ (bzw. MnO) noch weiteren Zusätzen, z. B. MnO ;jzw. MnO₂) und Cr₂O₃ und/oder Iridiumoxid IrO₂. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, weitere Pb(Zr₁Ti)O₃-Massen — insbesondere solche, die auch MnO₂ bzw. MnO-Zusätze enthalten — anzugeben, deren Kopplungsfaktor und Güte ebenso vorteilhaft sind wie die der bereits bekannten Massen und die außerdem gute Temperaturkonstanz, insbesondere der Resonanzfrequenz, und hohe Zeitkonstanz, d. h. nur geringe Alterung, aufweisen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der elektromechafiische Wandler der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß gekennzeichnet durch die Zusammenfcetzung der Keramikmasse

^)O₃ + y Gewichtsprozent MnO₂ + ζ Gewichtsprozent AI₂O₃

χ — 0,49 bis 0,53, vorzugsweise 0,515, y -= 0,5 bis 2,5, vorzugsweise 1,0 bis 1,5, und r = 0,10 bis 0,20,

tvobci das MnO₂ auch ganz oder teilweise durch eine fcezüglich des Mn-Gehalts äquivalente Menge MnO «rsetzt sein kann.

Das Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers besteht darin, daß die eingewogenen Oxidmengen von PbO, ZrO,, TiO₁, MnO, (bzw. MnO) und Al_aO_a in Kugelmühlen naß gemahlen, dann abfiltriert und getrocknet werden und daß der trockene Filterkuchen anschließend bei etwa 850°C umgesetzt, nochmals gemahlen, dann verpreßt und schließlich bei etwa 1150 bis 123O⁰C, vorzugsweise bei 1190 bis 1220°C, fertiggesintert wird.

An Stelle des MnO₁ kann auch ganz oder teilweise eine bezüglich des Mn-Oehaltes äquivalente Menge MnO verwendet werden.

Die erlindungsgemaße l^Jb(Zr,Ti)O_a-Kerumik mit Mn- und Al - Oxidzusätzen wird kurz mit Pb(Zr₁Ti)O₃: (Mn₁AI) bezeichnet, wobei Pb bis zu etwa 25 Molprozent durch wenigstens eins der Erdalkalielemente Ba, Sr oder Ca und Zr mindestens teilweise durch wenigstens eins der Elemente Sn oder I If ersetzt werden können. Diese vorgeschlagene Keramikmasse /cigt gegenüber der in vergleichbarer Konzentration nur mit Mn-Oxidzusatz versehenen Keramik höhere Werte für den (radialen) Kopplungsfaktor k, und die mechanische Schwinggüte Q_n sowie einen geringeren dielektrischen Verlustfaktor tg Λ. Die Dielektrizitätskonstante bleibt praktisch unbeeinflußt von dem zusätzlichen Einbau des Aluminiumoxids AI₂O₃. Auch die gute Temperatiirkonstanz der Resonanzfrequenz fn und die hohe Zeitkonstanz, d.h. die geringe Alterung, der Pb(Zr₁Ti)O₃: Mn-Keramik werden kaum beeinflußt. Die wesentliche Verbesserung durch den Al₂O₃-Zusatz besteht darin, daß die hohe Temperaturkonstanz der Resonanzfrequenz f_R und die geringe Alterung erreicht werden, ohne den Kopplungsfaktor zu verringern.

In den F i g. 1 und 2 sind die vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemäßen Pb(Zr₁Ti)O₃: (Mn₁AI)-Keramik veranschaulicht. Fig. 1 zeigt die Werte A-_r, Q_m und tg<5 für eine Keramikmasse der Zusammensetzung

Pb(Zr_0-51Ti_0>4B)O₃ \ 1,2 Gewichtsprozent MnO₂ -t ζ Gewichtsprozent AI₂O₃

in Abhängigkeit von der Al-Konzentration. Optimale Werte erhält man beiz«:0,15. Für eine solche Keramikmasse ist in F i g. 2 der Temperaturgang dtr Resonanzfrequenz /r aufgetragen; T ist die Temperatur.

Die Keramikmasse der erfindungsgemäßen Zusammensetzung läßt sich vorteilhaft nach folgendem Verfahren herstellen:

Die eingewogenen Oxide PbO — mit bis zu 1 Mol Überschuß zum Ausgleich von Verdampfungsverlusten —, ZrO₂, TiO₂, MnO₂ (bzw. MnO) und AI₂O₃ werden gemeinsam etwa 15 bis 20 Stunden in Kugelmühlen naß vermählen, dann abfiltriert und getrocknet. Der trockene Filterkuchen wird bei etwa 85O°C etwa 2 Stunden umgesetzt und anschließend nochmals naß gemahlen, filtriert und getrocknet. Das Pulver wird dann mit einem Bindemittel, z. B. Polyvinylalkohol, versehen, granuliert und zu Körpern der jeweils gewünschten Form verpreßt und bei 1150 bis 1230⁰C₁ vorzugsweise bei 1190 bis 122O°C fertiggesindert.

Auf Grund ihrer elektrischen und mechanischen Eigenschaften eignet sich die erfindungsgemäße Keramik vom Typ Pb(Zr₁Ti)O₃: (Mn₁AI) besonders als Material für elektromechanische Wandler, z. B. in mechanischen Filtern.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Elektromechanischer Wandler, der aus einer Keramikmasse vom Typ Pb(Zr,Ti)O₃ besteht, die mit einem Zusatz von MnO₁ (bzw. MnO) versehen ist und bei der Pb bis zu etwa 25 Molprozent durch wenigstens eines der Brdalkalielemente Ba, Sr oder Ca und Zr mindestens teilweise durch wenigstens eines der Elemente Sn oder Hf ersetzt sein können, gekennzeichnet durch die Zusammensetzung der Keramikmasse

Pb(ZrJi₁ x)O_a I

;> Gewichtsprozent MnO₃ : Gewichtsprozent A1₂U_;,

.ν =■■ 0,49 bis 0,53, vorzugsweise 0,5 bis 0,515, y =- 0,5 bis 2,5, vorzugsweise 1,0 bis 1,5, und ζ = 0,10 bis 0,20,

wobei das MnO_s auch ganz oder teilweise durch eine bezüglich des Mn-Gehaks äquivalente Menge MnO ersetzt sein kann.

2. Verfuhren zum Herstellen eineti elektromechanischen Wandlers nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, dali die eingewogenen Oxiiimengen von PbO, ZrO₄, TiO₁., MnO₂ (bzw. MnO) und Al₁₁O;, in Kugelmühlen naß gemahlen, dann abfiltriert und getrocknet werden und daß der trockene Filterkuchen anschließend bei etwa 85O^UC umgesetzt, nochmals gemahlen, dann verprdlt und schließlich bei etwa 1150 bis 1230 C, vorzugsweise bei 1190 bis 122O⁰C, fertiggesiniert wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen