RU2357942C1 - Пьезокерамический материал - Google Patents

Пьезокерамический материал Download PDF

Info

Publication number
RU2357942C1
RU2357942C1 RU2007133386/03A RU2007133386A RU2357942C1 RU 2357942 C1 RU2357942 C1 RU 2357942C1 RU 2007133386/03 A RU2007133386/03 A RU 2007133386/03A RU 2007133386 A RU2007133386 A RU 2007133386A RU 2357942 C1 RU2357942 C1 RU 2357942C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
oxide
piezo ceramic
cdo
sro
mechanic
Prior art date
Application number
RU2007133386/03A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2007133386A (ru
Inventor
Петр Васильевич Мирошников (RU)
Петр Васильевич Мирошников
Виктория Александровна Забелина (RU)
Виктория Александровна Забелина
Андрей Генрихович Сегалла (RU)
Андрей Генрихович Сегалла
Алексей Яковлевич Сафронов (RU)
Алексей Яковлевич Сафронов
Виталий Михайлович Климашин (RU)
Виталий Михайлович Климашин
Original Assignee
Открытое акционерное общество "ЭЛПА"
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 Открытое акционерное общество "ЭЛПА" filed Critical Открытое акционерное общество "ЭЛПА"
Priority to RU2007133386/03A priority Critical patent/RU2357942C1/ru
Publication of RU2007133386A publication Critical patent/RU2007133386A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2357942C1 publication Critical patent/RU2357942C1/ru

Links

Landscapes

  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области сегнетожестких пьезокерамических материалов, устойчивых к электрическим и механическим воздействиям, предназначенных для ультразвуковых устройств, в том числе многослойных и работающих при сильных электрических и механических воздействиях. Пьезокерамический материал, включающий оксиды свинца (PbO), кадмия (CdO), циркония (ZrO2), титана (TiO2), марганца (MnO2), дополнительно содержит оксиды стронция (SrO), цинка (ZnO), лантана (La2O3), висмута (Bi2О3) и железа (Fe3О3) при следующем соотношении компонентов, мас.%: PbO 63,233-65,404, CdO 0,099-0,490, ZrO2 18,990-19,539, TiO2 11,141-11,471, MnO2 0,131-0,532, SrO 1,318-2,226, ZnO 0,248-0,995, La2О3 0,643-0,768, Bi2O3 0,470-1,900, Fe2O3 0,099-0,490. Технический результат заключается в создании сегнетожесткого пьезокерамического материала с улучшенными основными функциональными параметрами, обладающего повышенной механической добротностью, повышенными коэффициентами электромеханической связи, низким тангенсом угла диэлектрических потерь, а также пониженной температурой спекания. 2 табл.

Description

Изобретение относится к области сегнетожестких пьезокерамических материалов, устойчивых к электрическим и механическим воздействиям, предназначенных для ультразвуковых устройств, работающих в силовых режимах таких как ультразвуковые излучатели, генераторы высокого напряжения, двигатели и пьезотрансформаторы, в том числе и многослойные из чередующихся слоев пьезокерамики и металлических электродов.
Одним из важнейших показателей качества этого класса пьезокерамических материалов является максимальная удельная мощность пьезопреобразователей на их основе, которая пропорциональна комплексному параметру
Figure 00000001
Kij - коэффициенты электромеханической связи К31 и К33 поперечных и продольных мод колебаний;
Qм - механическая добротность;
εт330 - относительная диэлектрическая проницаемость.
Эти пьезокерамические материалы отличаются малыми диэлектрическими потерями в слабых и сильных полях, высокой механической добротностью и относительно высокими коэффициентами электромеханической связи. К таким материалам системы цирконата-титана свинца (ЦТС) относятся: PZT-4 (США) [2], К 1300 (США) [3], 4 В (Япония) [4], отечественные пьезокерамические материалы ЦТС-23 [5], ЦТС-24 [5], ЦТС-174 [6] и др.
В таблице 1 приведены основные электрофизические параметры заявляемого и известных пьезокерамических материалов. Как следует из данных таблицы 1, все материалы данного типа имеют близкие значения:
- пьезомодулей (за исключением ЦТС-174),
- относительной диэлектрической проницаемости,
- коэффициентов электромеханической связи;
но существенно отличаются по величине:
- механической добротности,
- удельной мощности излучения пьезопреобразователей.
Недостатками большинства сегнетожестких материалов этого типа являются относительно невысокая механическая добротность и высокая температура спекания (1200÷1300°С), что требует при изготовлении монолитных многослойных изделий применения в качестве электродов дорогостоящей платины.
Наиболее близким к заявляемому сегнетожесткому пьезокерамическому материалу по химической композиции и назначению является принимаемый за прототип, отечественный пьезокерамический материал ЦТС-174 [6].
0,98Pb(Ti0,47Zr0,533+0,02CdMnO3.
Этот материал обладает низкими диэлектрическими потерями, высокой электромеханической добротностью, относительно низкой температурой спекания керамики. Недостатками данного материала являются: невысокие коэффициент электромеханической связи и удельная мощность излучения пьезопреобразователей на его основе.
Предлагаемый пьезокерамический материал по величине удельной мощности излучения превосходит все перечисленные материалы данного типа благодаря высоким значениям механической добротности и коэффициентам электромеханической связи.
Кроме того, предлагаемый материал за счет низкой температуры спекания (1000÷1050°С) позволяет изготовление многослойных монолитных изделий без использования в качестве электродов дорогостоящей платины, что в несколько раз снижает стоимость многослойных пьезокерамических изделий, например многослойных пьезотрансформаторов. В этом случае можно использовать электроды из сплава серебра с палладием.
Как известно, улучшить свойства пьезокерамических материалов системы ЦТС можно путем введения модифицирующих добавок [7, 8, 9]. Модификаторы различаются по типу замещений (изовалентного или гетеровалентного) и способу распределения атомов модификаторов по местам А и (или) В в решетке перовскита АВО3. Введение при определенном сочетании в материал системы ЦТС модифицирующих добавок оксидов: цинка (ZnO), кадмия (CdO), бора (В2О3), висмута (Bi2O3), лантана (La2О3), стронция (SrO), марганца (MnO2) и др., позволяет существенно снизить температуру спекания керамики [6].
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в создании сегнетожесткого пьезоэлектрического материала с улучшенными основными электрофизическими параметрами, обладающего повышенными характеристиками:
- удельной мощностью излучения пьезопреобразователей K231·Qм·εт330;
- механической добротностью Qм;
- коэффициентами электромеханической связи и низким тангенсом угла диэлектрических потерь, а также пониженной температурой спекания.
Поставленная задача решается в пьезокерамическом материале, включающем оксиды свинца (PbO), кадмия (CdO), циркония (ZrO2), титана(TiO3), марганца (MnO2) и дополнительно содержащем оксиды стронция (SrO), цинка (ZnO), лантана (La2О3), висмута (Bi2O3) и железа (Fe2О3) при следующем соотношении компонентов, мас.%:
PbO - 63,233-65,404 SrO - 1,318-2,226
CdO - 0,099-0,490 ZnO - 0,248-0,995
ZrO2 - 18,990-19,539 La2О3 - 0,643-0,768
TiO2 - 11,141-11,471 Bi2O3 - 0,470-1,900
MnO2 - 0,131-0,532 Fe2О3 - 0,099-0,490
Таким образом, отличительными признаками изобретения является то, что в сегнетожесткий материал дополнительно введены оксиды стронция, цинка, висмута, лантана и железа. Перечисленная совокупность отличительных признаков позволяет достичь технического результата, заключающегося в создании сегнетожесткого пьезокерамического материала с улучшенными основными функциональными параметрами, обладающего повышенной удельной мощностью излучения, повышенной механической добротностью, повышенными коэффициентами электромеханической связи, низким тангенсом угла диэлектрических потерь, а также пониженной температурой спекания.
Изобретение поясняется таблицами 1, 2.
Пример
Предлагаемый материал изготавливался по обычной "керамической" технологии.
В качестве исходных компонентов предлагаемого сегнетожесткого материала использовались оксиды: PbO - свинцовой марки "Г-2", TiO2, ZrO2, SrO, CdO, MnO2, Bi2O3, ZnO, La2O3 и Fe2О3 квалификации "ч". Смешение компонентов производилось в вибромельнице в течение 30 мин, после чего шихта подвергалась температурной обработке (синтезу) при Т=800°С в течение 4 часов. Затем синтезированный материал подвергался помолу в вибромельнице в течение 30 мин до дисперсности Sуд=5000 см2/г, измеренной по газопроницаемости на приборе ПСХ-4.
Аттестация качества синтезированного материала осуществлялась на отпрессованных при δ(уд)=900 кг/см2 заготовках стандартных образцов диаметром 25 мм и толщиной 3 мм. Спекание заготовок проводилось при Т=1000°С в течение 5 часов в засыпке, обеспечивающей атмосферу паров окиси свинца. На отшлифованные до размера ⌀ 20 мм × 1 мм заготовки наносили серебряную пасту, которую вжигали при Т≈830°С. Образцы поляризовали в полиэтилсилоксановой жидкости при Т≈150°С в постоянном электрическом поле напряженностью 3 кВ/мм. Определение электрофизических параметров проводилось в соответствии с ОСТом [5].
В таблице 2 приведены основные электрофизические параметры предлагаемого материала в зависимости от состава.
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что предлагаемый сегнетожесткий пьезокерамический материал обладает оптимальными, с точки зрения решаемой задачи, характеристиками в интервале величин компонентов, указанных в формуле изобретения (состав №4, табл.№2).
В сравнении с пьезокерамическими материалами ЦТС-23, -24, ЦТС-174 и PZT-4 (табл.№1, №2) полученный материал имеет более высокие значения удельной мощности излучения пьезопреобразователей, механической добротности, коэффициентов электромеханической связи, кроме того, спекание керамики осуществляется при температурах, не превышающих 1050°С, в то же время все материалы системы ЦТС этого типа спекаются при Т=1200÷1400°С [6].
Источники информации
1. Сыркин Л.Н. "Новые пьезоактивные материалы и их применение в ультразвуковой технике", Л., 1979, стр.44.
2. Каталог фирмы "Vernitron", США.
3. Каталог фирмы "AuRa Ceramics Jnc.", США.
4. Каталог фирмы "Sumitomo", Япония.
5. Материалы пьезокерамические. Технические условия (отраслевой стандарт) ОСТ 110444 - 87, М., 1987, стр.16, 17.
6. Грибовский П.О. "Керамические твердые схемы", М., Энергия, 1971, стр.70, стр.78.
7. Гринева Л.Д., Фесенко Е.Г. "Классификация модификаторов системы титанат - цирконат свинца". Сб. "Кристаллизация и свойства кристалов", Новочеркасск, 1974, стр.99-107.
8. Гринева Л.Д., Данцигер Л.Я., Фесенко Е.Г. "Зависимость между основными электрофизическими параметрами модифицированного твердого раствора цирконата - титаната свинца (ЦТС)", "Материалы IV межотраслевой конференции по методам получения и анализа ферритовых, сегнето-пьезоэлектрических и конденсаторных материалов и сырья из них", Донецк, М., 1973, стр.108-112.
9. Фельдман Н.Б. и др. "Структура и свойства пьезокерамических твердых растворов ЦТС с добавками окислов лантана и ниобия". Вопросы радиоэлектроники, 1962, сер. III, вып.7.
Figure 00000002
Figure 00000003

Claims (1)

  1. Пьезокерамический материал, включающий оксиды свинца (PbO), кадмия (CdO), циркония (ZrO2), титана (TiO2), марганца (MnO2), отличающийся тем, что он дополнительно содержит оксиды стронция (SrO), цинка (ZnO), лантана (La2О3), висмута (Bi2O3) и железа (Fe2О3) при следующем соотношении компонентов, мас.%:
    PbO 63,233-65,404 CdO 0,099-0,490 ZrO2 18,990-19,539 TiO2 11,141-11,471 MnO2 0,131-0,532 SrO 1,318-2,226 ZnO 0,248-0,995 La2O3 0,643-0,768 Bi2O3 0,470-1,900 Fe2O3 0,099-0,490
RU2007133386/03A 2007-09-06 2007-09-06 Пьезокерамический материал RU2357942C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007133386/03A RU2357942C1 (ru) 2007-09-06 2007-09-06 Пьезокерамический материал

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007133386/03A RU2357942C1 (ru) 2007-09-06 2007-09-06 Пьезокерамический материал

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2007133386A RU2007133386A (ru) 2009-03-20
RU2357942C1 true RU2357942C1 (ru) 2009-06-10

Family

ID=40544718

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007133386/03A RU2357942C1 (ru) 2007-09-06 2007-09-06 Пьезокерамический материал

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2357942C1 (ru)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2581421C1 (ru) * 2013-03-25 2016-04-20 Вуджин Инк. Высокотемпературный ультразвуковой датчик и способ его изготовления
RU2624473C1 (ru) * 2016-05-20 2017-07-04 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" Пьезокерамический материал
RU2691424C1 (ru) * 2018-09-11 2019-06-13 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС" Пьезокерамический материал

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ГРИБОВСКИЙ П.О. Керамические твердые схемы. - М.: Энергия, 1971, с.70, 78. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2581421C1 (ru) * 2013-03-25 2016-04-20 Вуджин Инк. Высокотемпературный ультразвуковой датчик и способ его изготовления
RU2624473C1 (ru) * 2016-05-20 2017-07-04 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" Пьезокерамический материал
RU2691424C1 (ru) * 2018-09-11 2019-06-13 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС" Пьезокерамический материал

Also Published As

Publication number Publication date
RU2007133386A (ru) 2009-03-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lima et al. Raman study of morphotropic phase boundary in PbZr 1− x Ti x O 3 at low temperatures
CN103102154B (zh) Bi0.5Na0.5TiO3-BaTiO3–BiMg0.5Ti0.5O3无铅压电陶瓷材料
JP2001508753A (ja) 低い焼結温度で銀とともに焼成し得る低損失pztセラミック組成物およびそれを製造するための方法
JP5714819B2 (ja) 圧電磁器組成物及びこれを用いた圧電素子
JP2009256186A (ja) 圧電材料
CN103172374B (zh) 压电陶瓷和压电元件
JP2008537724A (ja) 高出力圧電セラミック用組成物
CN102531578A (zh) 一种钛酸钡钙-锆钛酸钡-锡钛酸钡三元系无铅压电陶瓷
CN105884350A (zh) 一种锆钛酸钡钙无铅压电陶瓷材料及其制备方法
JPS6131640B2 (ru)
Yang et al. Investigation of CuO‐Doped NKN Ceramics with High Mechanical Quality Factor Synthesized by a B‐Site Oxide Precursor Method
CN104844202B (zh) 一种锰锑酸铅掺杂的铌镍‑锆钛酸铅压电陶瓷
RU2357942C1 (ru) Пьезокерамический материал
CN100360466C (zh) 一种掺杂改性钛酸铋钠钾压电陶瓷及其制备方法
JPWO2009119322A1 (ja) 圧電磁器及び圧電磁器組成物
KR102385814B1 (ko) 우수한 기계적 품질 계수 및 높은 상전이 온도를 가지는 무연 압전 세라믹스 및 그 제조방법
RU2514353C1 (ru) Пьезокерамический материал
JP2000128632A (ja) 圧電セラミックス
JP2008537927A (ja) 高出力圧電セラミック用組成物
Choy et al. Study of compressive type accelerometer based on lead-free BNKBT piezoceramics
JP5526945B2 (ja) 圧電組成物、圧電磁器、振動子、及び超音波モータ
RU2624473C1 (ru) Пьезокерамический материал
RU2288902C1 (ru) Пьезокерамический материал
JP3032761B1 (ja) 圧電セラミックス
CN103539447B (zh) 一种低温烧结的压电陶瓷材料及其制备方法