DE19530592C2 - Piezokeramischer Stoff - Google Patents
Piezokeramischer StoffInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen piezokeramischen Stoff und
fällt in das Gebiet der Synthese derartiger Stoffe.
Piezokeramische Stoffe werden in Vorrichtungen ver
wendet, deren Arbeitsweise auf Dickenschwingungen
beruht, wie z. B. Ultraschallgeräte. Zu diesen Einrichtungen gehören z. B. Defektos
kope und Geräte für medizinische Diagnostik. Zur Zeit
nimmt im Bereich der piezokeramischen Stoffe die Titan-
Zirkonium-Bleikeramik (PZT) einen Hauptplatz ein. Das
sind feste Lösungen auf der Basis Titan - Zirkonium - Blei.
Bei den Zusammensetzungen, die im Strukturübergangs
bereich von rhombischer zu tetragonaler Phase liegen
(Bereich morphotropischer Phasengrenze), beobachtet
man Extremwerte der piezoelektrischen Charakteristik.
So hat die Zusammensetzung Pb(Ti0,48Zr0,52)O₃:
einen radialen Koeffizienten der elektro-mechanischen Kopplung kr=0,45 und
einen Dicken-Koeffizienten der elektro-mechanischen Kopplung kd=0,67 (vergl. <1<).
einen radialen Koeffizienten der elektro-mechanischen Kopplung kr=0,45 und
einen Dicken-Koeffizienten der elektro-mechanischen Kopplung kd=0,67 (vergl. <1<).
Die Modifikation PZT mit Dreifachoxiden und die Ver
wendung des Heißpreßverfahrens gestatten es, diese
Charakteristiken zu erhöhen. So haben zum Beispiel
für die heißgepreßten Zusammensetzungen aus dem mor
photropischen Bereich der Systeme PbTiO₃ - PbZrO₃ -
PbNb2/3Mn1/3O₃ - PbW1/2Mg1/2O₃ die Koeffizienten folgende
Werte:
Kr = 0,67, Kd = 0,74 (vergl. <2<)
Kr = 0,67, Kd = 0,74 (vergl. <2<)
Jedoch wird die Keramiksynthese auf der Basis PZT hin
sichtlich der guten Reproduzierbarkeit durch die Aus
dampfung von PbO bei der hohen Sinterungstemperatur
(bis 1.250°C) erschwert und auch, weil die Synthese
unter diesen Bedingungen nur im Dampf von Bleioxiden
durchgeführt werden kann. Das Heißpreßverfahren, das
es gestattet, eine Keramik auf der Basis PZT mit den
Extremcharakteristiken zu bekommen, wird von der In
dustrie nur sehr selten benutzt, weil es zyklisch ist
und eine teure Arbeitsausstattung für die ununterbrochene
Heißpressung benötigte (vergl. <2<).
Außerdem entstehen infolge ungenügend großer Werte der
Koeffizienten k in Piezoelementen auch Radialschwin
gungen, die in Vorrichtungen wie Defektoskopen auf schal
tungstechnischem Wege beseitigt werden. Um die elektro
nischen Schaltungskreise derartiger Geräte einfacher
machen zu können und ein genügend hohes quantitatives
Signal zu bekommen, ist ein piezokeramisches Material
mit genügend hohem Anisotropiekoeffizienten der elektro
mechanischen Kopplung in Längs- (Dicken-) und Querschwin
gungsrichtung des Piezoelements notwendig.
Ein Prototyp hierfür ist ein piezokeramisches Material,
das auf der Basis Natrium-Wismut-Titanat einschließlich
der Ionen Pb und Ca im Verhältnis (BiNa)(1-13)/2(xPb+yCa)₁₃TiO₃
hergestellt wurde, wobei x = 0,50-0,75 und y = 0,25-
0,50 war. Die Probestücke sind mittels normaler Keramik
technologie synthetisiert worden. Für die Synthese sind
die Karbonate Na₂CO₃, CaCO₃ und Oxide Bi₂O₃, PbO, TiO₂
mit der Reinheit von 99% verwendet worden (vergl. <3<).
Die Mischungsröstung wurde unter atmosphärischem Druck
und einer Temperatur von 800°C im Verlauf von einer Stunde
durchgeführt. Die Probestücke wurden als Scheiben mit
einem Durchmesser von 20 mm und einer Dicke von 2 mm
unter atmosphärischem Druck zwei Stunden lang bei einer
Temperatur von 1.050-1.100°C zusammengesintert, und
danach bei einer Temperatur von 50°C in Silikonöl und
unter 50 KV/cm im Verlaufe von 0,5 Stunden polarisiert.
Diese Mischungen liegen im Morphotropenübergangsbereich
aus der rhomboedrischen in die tetragonale Phase und
haben extreme Parameter in dem System Na0,5Bi0,5TiO₃-PbTiO₃-
CaTiO₃ .
Die Werte der Koeffizienten der elektromechanischen Kopp
lung für die Dicken- und Querschwingungen sind in der
Tabelle 1 dargestellt.
Die Vorteile des piezokeramischen Materials sind:
Niedrigere Sinterungstemperatur (um 150-200°C niedriger als bei PZT) und ein kleiner Prozentsatz von Bleititanat. In diesem Fall kann man den Sinterungsprozeß an der frei en Luft durchführen, jedoch hat das Verflüchtigen von PbO in geringen Mengen eine Kennwerteveränderung der Piezo keramik zur Folge, die aus Tabelle 1 erkennbar ist. Außer dem hat dieses Material einen großen Anisotropiekoeffi zienten (Differenz kd - kr) der elektromechanischen Kopplung.
Niedrigere Sinterungstemperatur (um 150-200°C niedriger als bei PZT) und ein kleiner Prozentsatz von Bleititanat. In diesem Fall kann man den Sinterungsprozeß an der frei en Luft durchführen, jedoch hat das Verflüchtigen von PbO in geringen Mengen eine Kennwerteveränderung der Piezo keramik zur Folge, die aus Tabelle 1 erkennbar ist. Außer dem hat dieses Material einen großen Anisotropiekoeffi zienten (Differenz kd - kr) der elektromechanischen Kopplung.
Als Nachteil gegenüber PZT hat dieses piezokeramische
Material eine niedrigere piezoelektrische Charakteristik
als PZT (vergl. <3<).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein piezo
keramisches Material auf der Basis Natrium - Wismut - Titanat
zu schaffen, das keine Bleioxide enthält und einen großen
Anisotropiekoeffizienten der elektromechanischen Kopplung
in Dicken- und Querrichtung aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Stoff gemäß dem
Patentanspruch.
Eine vergleichende Analyse mit dem bekannten Material-
Prototypen und anderen bekannten technischen Lösungen
zeigt, daß das neue Material sich nicht nur in der Zusam
mensetzung von den bekannten Materialien unterscheidet,
sondern auch durch einen erhöhten Anisotropiekoeffi
zienten der elektromechanischen Kopplung.
Die Synthese des neuen Materials wurde mittels der
bekannten Keramiktechnologie durchgeführt aus den Kar
bonaten Na₂CO₃, BaCO₃, aus CaTiO₃ und den Oxiden Bi₂O₃, TiO₂.
Die Verbindung wurde bei einer Temperatur vom 800°C
im Verlaufe von 2 Stunden synthetisiert. Die Keramik
wurde bei einer Temperatur von 1.050-1.150°C an der
freien Luft zusammengeröstet. Die Probestücke als Schei
ben mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Dicke
von 1 mm wurden unter einer Gleichspannung von 50 KV/cm
bei einer Temperatur von 25-120°C im Verlaufe von
0,25 Stunden polarisiert. Die Versuchsergebnisse sind
in der Tabelle 2 wiedergegeben.
Die Verwendung der angegebenen Zusammensetzung gestattet
bei einfachem Herstellungsverfahren (gebräuchliche Kera
miktechnologie und Zusammenröstung unter atmosphärischem
Druck) eine wesentliche Erhöhung des Anisotropiekoeffi
zienten der elektromechanischen Kopplung, was vorteil
haft ist für Geräte, die nach dem Prinzip der Dicken
schwingungen arbeiten.
Die einleitenden Angaben zum Stand der Technik sind
folgenden Schriften entnommen:
<1< Okadsaki K. Technologÿa keramizeskich dielektrikov.
M., "Energÿa", 1976, S. 336
<2< Fesenko E.G., Danziger A.J., Rasumowskaja O.N.
Novye piezokeramizeskie materialy, Rostovskii Universität, 1983, S. 156
<3< T. Takenaka and K. Sakata. New piezo- and Pyro electronic Sensor Materials of (BiNa)1/2TiO3 - based Ceramics. Sensor and Materials, 3 (1988) S. 123-131.
<1< Okadsaki K. Technologÿa keramizeskich dielektrikov.
M., "Energÿa", 1976, S. 336
<2< Fesenko E.G., Danziger A.J., Rasumowskaja O.N.
Novye piezokeramizeskie materialy, Rostovskii Universität, 1983, S. 156
<3< T. Takenaka and K. Sakata. New piezo- and Pyro electronic Sensor Materials of (BiNa)1/2TiO3 - based Ceramics. Sensor and Materials, 3 (1988) S. 123-131.
Claims (1)
- Piezokeramischer Stoff auf der Basis von Natrium - Wismut - Titanat mit einem Zusatz von Kalzium-Titanat sowie einem Anteil von Barium-Titanat in folgendem Komponenten verhältnis:
87,00 bis 88,00 Mol% an Na0,5Bi0,5TiO₃
1,20 bis 3,25 Mol% an CaTiO₃
9,00 bis 11,70 Mol% an BaTiO₃
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19530592A DE19530592C2 (de) | 1995-08-21 | 1995-08-21 | Piezokeramischer Stoff |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19530592A DE19530592C2 (de) | 1995-08-21 | 1995-08-21 | Piezokeramischer Stoff |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE19530592A1 DE19530592A1 (de) | 1996-08-22 |
| DE19530592C2 true DE19530592C2 (de) | 1998-02-12 |
Family
ID=7769924
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19530592A Expired - Lifetime DE19530592C2 (de) | 1995-08-21 | 1995-08-21 | Piezokeramischer Stoff |
Country Status (1)
| Country | Link |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102014211465A1 (de) | 2013-08-07 | 2015-02-12 | Pi Ceramic Gmbh Keramische Technologien Und Bauelemente | Bleifreier piezokeramischer Werkstoff auf Bismut-Natrium-Titanat (BNT)-Basis |
Families Citing this family (2)
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| EP1340731B1 (de) * | 2000-11-21 | 2009-01-07 | TDK Corporation | Piezoelektrische keramik |
-
1995
- 1995-08-21 DE DE19530592A patent/DE19530592C2/de not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Sensors and Materials, 3 (1988), 123-131 * |
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|---|---|---|---|---|
| DE102014211465A1 (de) | 2013-08-07 | 2015-02-12 | Pi Ceramic Gmbh Keramische Technologien Und Bauelemente | Bleifreier piezokeramischer Werkstoff auf Bismut-Natrium-Titanat (BNT)-Basis |
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| DE19530592A1 (de) | 1996-08-22 |
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