RU2548278C1 - Пьезоэлектрический керамический материал - Google Patents
Пьезоэлектрический керамический материал Download PDFInfo
- Publication number
- RU2548278C1 RU2548278C1 RU2014103771/03A RU2014103771A RU2548278C1 RU 2548278 C1 RU2548278 C1 RU 2548278C1 RU 2014103771/03 A RU2014103771/03 A RU 2014103771/03A RU 2014103771 A RU2014103771 A RU 2014103771A RU 2548278 C1 RU2548278 C1 RU 2548278C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- piezoelectric ceramic
- ceramic material
- sro
- composition
- oxides
- Prior art date
Links
Landscapes
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам и может быть использовано при создании высокочастотных акустоэлектрических преобразователей. Пьезоэлектрический керамический материал содержит оксиды натрия, ниобия, стронция, лития, алюминия, висмута и железа при следующем соотношении компонентов, мас.%: Na2O 16.32-16.40, Nb2O5 79.81-80.20, SrO 0.63, Li2O 1.12-1.13, Al2O3 0.40, Bi2O3 0.92-1.28, Fe2O3 0.32-0.44. Технический результат изобретения - снижение значения относительной диэлектрической проницаемости и повышение значения коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний при сохранении достаточно высоких значений механической добротности. 2 табл.
Description
Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе ниобата натрия и может быть использовано при создании высокочастотных акустоэлектрических преобразователей.
Для указанных применений пьезоэлектрический керамический материал должен иметь невысокую относительную диэлектрическую проницаемость,
, (менее 200), достаточно высокие значения механической добротности, Qm, (более 700), коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний, Kp, (более 0.15), пьезомодуля, d33, (более 45 пКл/Н) и скорости звука,
, (более 5.0 км/с).
Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий карбонаты Na2CO3, K2CO3, Li2CO3 и оксиды Nb2O5, Bi2O3, TiO2, MnO, NdO, состав которого отвечает химической формуле (1-х-y)Bi(Li0.5Me0.5)O3-xBaTiO3-y(K0.5Bi0.5)TiO3-zMaOb, где Me=0.9Nb+0.1Mn, M=Nd, x=0.06, y=0.89, z=0.01. Материал имеет для лучших составов
, d33=97 пКл/Н, Kp=0.21, Qm=319 [1].
Для указанных применений материал имеет слишком большую величину
и недостаточно высокое значение Qm. Кроме того, в состав материала входит редкоземельный элемент Nd, что значительно увеличивает себестоимость продукции.
Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий оксиды K2O, Na2O, Nb2O5, CuO, состав которого отвечает химической формуле 0.99K0.5Na0.5NbO3-0.01CuO. Материал имеет для лучших составов
, Kp=0.389, Qm=1408.2 [2].
Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий оксиды Na2O, Nb2O5, SrO и карбонат Li2CO3, состав которого отвечает химической формуле xNaNbO3-yLiNbO3-1-x-ySrNb2O6, где x=0.85, y=0.125. Материал имеет для лучших составов
, Kp=0.143, Qm=877 [3].
Для указанных применений материал имеет недостаточно высокие значения Kp. Кроме того, материал изготавливается по дорогостоящей технологии горячего прессования, которая неприменима к условиям промышленного производства.
Наиболее близким к заявляемому материалу по технической сущности и достигаемому результату является пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий оксиды K2O, Na2O, Nb2O5, CdO, состав которого отвечает химической формуле (NaxKyCdz)NbO3, где x=0.50-0.55, y=0.20, z=0.125-0.150. Материал имеет для лучших составов
, Kp=0.12, Qm=1000 [4] (Прототип).
Для указанных применений материал имеет слишком большую величину
и недостаточно высокие значения Kp.
Задачей изобретения является снижение значений относительной диэлектрической проницаемости до
; повышение коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний, Kp, (>0.15) при сохранении высокой механической добротности, Qm, (>700). При этом материал должен быть получен по обычной керамической технологии, допускающей его массовое производство.
Указанные результаты достигаются тем, что пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий оксиды Na2O и Nb2O5, согласно изобретению дополнительно содержит SrO, Li2O, Al2O3, Bi2O3, Fe2O3 при следующем соотношении компонентов (в мас.%):
Na2O | 16.32-16.40 |
Nb2O5 | 79.81-80.20 |
SrO | 0.63-0.63 |
Li2O | 1.12-1.13 |
Al2O3 | 0.40-0.40 |
Bi2O3 | 0.92-1.28 |
Fe2O3 | 0.32-0.44 |
Состав материала отвечает химической формуле:
Модифицирование материала на основе ниобата натрия оксидами стронция, SrO, лития, Li2O, алюминия, Al2O3, висмута, Bi2O3 и железа, Fe2O3, приводит к комплексному эффекту. Введение ионов Li+ и Al3+, характеризующихся низкой величиной α/r3 (где α - поляризуемость, r - радиус иона), способствует снижению
[5]. Кроме того, гетеровалентное модифицирование оксидами Al2O3, Bi2O3 и особенно Fe2O3 (с ионом переменной валентности Fe(II), Fe(III)) приводит к росту числа кислородных вакансий, выступающих в качестве центров пининга доменных стенок, что затрудняет доменные переключения и, как следствие, благоприятствует повышению степени сегнетожесткости керамики, а следовательно, снижению
и повышению Qm. Введение Bi2O3, способствуя образованию низкоплавких Bi-содержащих эвтектик, приводит к уплотнению структуры и повышению пьезоэлектрических параметров, в частности, Kp.
В табл.1 приведены значения электрофизических параметров пьезоэлектрического керамического материала в зависимости от состава.
В табл.2 приведены сравнительные электрофизические параметры прототипа и оптимального состава заявляемого пьезоэлектрического керамического материала.
Материал изготавливался по обычной керамической технологии следующим образом. В качестве исходных реагентов использовались гидрокарбонаты, карбонаты и оксиды следующих квалификаций: NaHCO3 - «чда», SrO - «чда», Nb2O5 - «NbO-РТ», Li2CO3 - «хч», Al2O3 - «чда», Fe2O3 - «ч», Bi2O3 - «ч». Синтез осуществлялся путем двукратного обжига смесей сырьевых компонентов: NaHCO3, SrCO3, Nb2O5, Li2CO3, Al2O3, Bi2O3, Fe2O3, взятых в количествах (масс. %, в случае NaHCO3, KHCO3, Li2CO3 в пересчете на соответствующие оксиды): Na2O=16.32-16.40; SrO=0.63; Nb2O5=79.81-80.20; Li2O=1.12-1.13; Al2O3=0.40; Bi2O3=0.92-1.28, Fe2O3=0.32-0.44 c промежуточным помолом синтезированного продукта. Температура обжига при синтезе, Тсинт.=1140 K, длительность изотермической выдержки, τ1=τ2=6 час. Спекание образцов в виде столбиков ⌀12 мм, высотой 15-18 мм осуществлялось при τсп.=1450 K, длительность изотермической выдержки, τсп=2 ч. Металлизация (нанесение электродов) производилась путем нанесения на плоские поверхности предварительно сошлифованных до толщины 1 мм образцов серебросодержащей пасты и последующего ее вжигания при температуре Твжиг.=1070 K в течение 0.5 ч. Образцы поляризовали в полиэтиленсилоксановой жидкости при температуре 430 K в течение 60 мин в постоянном электрическом поле напряженностью 8 кВ/см.
В соответствии с ОСТ 11.0444-87 определяли электрофизические характеристики: относительные диэлектрические проницаемости поляризованных
образцов, коэффициент электромеханической связи планарной моды колебаний (Kp), прямой пьезомодуль (d33), механическую добротность (Qm) и скорость звука
.
Полученные экспериментальные данные (табл.1, примеры 2-4) свидетельствуют о том, что пьезоэлектрический керамический материал предлагаемого состава обладает совокупностью электрофизических параметров, отвечающих задаче изобретения: сниженными значениями относительной диэлектрической проницаемости
(135-160); повышенным коэффициентом электромеханической связи планарной моды колебаний Kp (0.15-0.18); при сохранении высоких значений механической добротности Qm (730-750). Выход за пределы заявленных концентраций компонентов приводит к значительному снижению целевых параметров, в частности, Kp.
Данные, приведенные в табл.2, подтверждают преимущества предлагаемого пьезоэлектрического керамического материала по сравнению с материалом-прототипом, а именно снижение
до 155, повышение коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний, Kp, до 0.18 при сохранении высоких значений Qm (744) (в лучшем составе - пример №3 из табл.1).
Эффект снижения
и повышения Kp достигается, по существу, введением в материал, включающий Na2O и Nb2O5, следующих оксидов: SrO, Li2O, Al2O3, Bi2O3, Fe2O3.
Высокие значения Qm и Kp в сочетании с низкой
материала определяют основное его назначение - использование в высокочастотных акустоэлектрических преобразователях. При условии согласования преобразователя с нагрузкой (Ri=RH) (обычно реализуемое в выпускаемой промышленностью радиоэлектронной аппаратуре выходное сопротивление RH~ 50 Ом длит высоких частот), используя формулу для емкостного сопротивления преобразователя: Ri=1/ωС, где Ri - емкостное сопротивление преобразователя, Ом; ω - круговая частота, Гц; C - емкость, Ф; - можно приблизительно оценить интервалы значений емкости С=1/2πfRi для указанных диапазонов частот, а следовательно, и относительной диэлектрической проницаемости поляризованных элементов,
, где k - коэффициент, зависящий от размеров элементов, ε0=8.85·10-12 Ф - диэлектрическая проницаемость вакуума; при k=1,
. Таким образом, снижение значения
позволяет эффективно использовать элементы на основе предлагаемого материала на частоте 20-30 МГц.
Высокие значения
предлагаемого материала позволяют упростить технологию изготовления элементов за счет увеличения их толщины при работе на высоких частотах, а также обеспечить хорошее согласование элементов с внешней цепью по электрическому сопротивлению.
Источники информации
1. CN 103172370 A, МПК C04B 35/475, C04B 35/468, C04B 35/622, дата публикации 26.06.2013.
2. EP 1032057 (A1), МПК H01L 41/187, дата публикации 30.08.2000.
3. Авторское свидетельство №687042 по заявке №2467273, МПК C04B 35/00, дата публикации 28.05.1979.
4. RU 2498960, МПК C04B 35/49, дата публикации 20.11.2013.
5. Резниченко Л.А., Кузнецова Е.М., Разумовская О.Н., Шилкина Л.А. Кристаллохимическое моделирование сегнетоэлектрических материалов с низкой диэлектрической проницаемостью // ЖТФ. 2001. T.75. №5. С.53-56.
Таблица 1 | |||||||||||||
Электрофизические параметры заявляемого пьезоэлектрического керамического материала в зависимости от состава | |||||||||||||
N п/п | Состав, масс. % | Электрофизические параметры | |||||||||||
Na2O | SrO | Nb2O5 | Li2O | Al2O3 | Bi2O3 | Fe2O3 |
|
Kp | d33 ,, пКл/ H | Qм | |
||
1 | 16.45 | 0.63 | 80.40 | 1.13 | 0.40 | 0.74 | 0.25 | 125 | 0.12 | 18 | 650 | 5.28 | |
2 | 16.40 | 0.63 | 80.20 | 1.13 | 0.40 | 0.92 | 0.32 | 135 | 0.16 | 38 | 730 | 5.32 | |
3 | 16.36 | 0.63 | 80.00 | 1.13 | 0.40 | 1.10 | 0.38 | 155 | 0.18 | 47 | 744 | 5.59 | |
4 | 16.32 | 0.63 | 79.81 | 1.12 | 0.40 | 1.28 | 0.44 | 160 | 0.15 | 25 | 750 | 6.00 | |
5 | 16.28 | 0.63 | 79.61 | 1.12 | 0.40 | 1.46 | 0.50 | 165 | 0.08 | 15 | 830 | 6.10 |
Claims (1)
- Пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий Na2O и Nb2O5 и следующие оксиды SrO, Li2O, Аl2О3, Bi2O3, Fe2O3, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Na2O 16.32-16.40
Nb2O5 79.81-80.20
SrO 0.63-0.63
Li2O 1.12-1.13
Al2O3 0.40-0.40
Вi2O3 0.92-1.28
Fe2O3 0.32-0.44
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014103771/03A RU2548278C1 (ru) | 2014-02-04 | 2014-02-04 | Пьезоэлектрический керамический материал |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014103771/03A RU2548278C1 (ru) | 2014-02-04 | 2014-02-04 | Пьезоэлектрический керамический материал |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2548278C1 true RU2548278C1 (ru) | 2015-04-20 |
Family
ID=53289250
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014103771/03A RU2548278C1 (ru) | 2014-02-04 | 2014-02-04 | Пьезоэлектрический керамический материал |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2548278C1 (ru) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU687042A1 (ru) * | 1977-03-29 | 1979-09-25 | Ростовский Ордена Трудового Красного Знамени Государственный Университет | Пьезоэлектрический керамический материал |
US6979410B2 (en) * | 2001-03-30 | 2005-12-27 | Tdk Corporation | Piezoelectric ceramic, method of manufacturing the same and piezoelectric device |
RU2498960C2 (ru) * | 2011-11-09 | 2013-11-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) | Пьезоэлектрический керамический материал |
RU2498959C2 (ru) * | 2011-11-09 | 2013-11-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) | Пьезоэлектрический керамический материал |
-
2014
- 2014-02-04 RU RU2014103771/03A patent/RU2548278C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU687042A1 (ru) * | 1977-03-29 | 1979-09-25 | Ростовский Ордена Трудового Красного Знамени Государственный Университет | Пьезоэлектрический керамический материал |
US6979410B2 (en) * | 2001-03-30 | 2005-12-27 | Tdk Corporation | Piezoelectric ceramic, method of manufacturing the same and piezoelectric device |
EP1382587B1 (en) * | 2001-03-30 | 2009-07-08 | TDK Corporation | Piezoelectric porcelain and method for preparation thereof, and piezoelectric element |
RU2498960C2 (ru) * | 2011-11-09 | 2013-11-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) | Пьезоэлектрический керамический материал |
RU2498959C2 (ru) * | 2011-11-09 | 2013-11-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) | Пьезоэлектрический керамический материал |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN1188918C (zh) | 压电陶瓷材料、烧结的压电陶瓷压块和压电陶瓷器件 | |
JP3788198B2 (ja) | 圧電磁器組成物およびそれを用いた圧電セラミック素子 | |
JP3931513B2 (ja) | 圧電磁器組成物およびそれを用いた圧電セラミック素子 | |
JP4432969B2 (ja) | 圧電磁器組成物、及び圧電素子 | |
KR100434419B1 (ko) | 압전 세라믹 조성물 및 압전 소자 | |
JP2006056778A (ja) | 圧電磁器組成物およびそれを用いた圧電セラミック素子 | |
KR100296933B1 (ko) | 압전 세라믹 조성물 | |
JP4020454B2 (ja) | 圧電セラミックスの製造方法 | |
RU2548278C1 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
KR100685327B1 (ko) | 압전자기 조성물, 압전소자 | |
KR20020018064A (ko) | 압전세라믹 조성물 및 이를 이용한 압전세라믹 소자 | |
CN102219511A (zh) | 压电陶瓷组合物、压电元件以及振荡器 | |
KR100610495B1 (ko) | 압전 자기 조성물 및 그것을 이용한 압전 세라믹 소자 | |
US20210119109A1 (en) | Piezoelectric ceramic, ceramic electronic component, and method of manufacturing piezoelectric ceramic | |
JP3613140B2 (ja) | 圧電磁器組成物およびそれを用いた圧電セラミック素子 | |
CN1344064A (zh) | 用于表面声波元件的压电陶瓷组合物和表面声波元件 | |
EP1327615B1 (en) | Piezoelectric ceramic and piezoelectric ceramic element comprising the same | |
JP3617411B2 (ja) | 圧電セラミック振動子 | |
US6391223B1 (en) | Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric ceramic element using the same | |
RU2551156C1 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
KR100379201B1 (ko) | 압전 세라믹 조성물 및 상기 조성물을 사용한 압전 세라믹 장치 | |
RU2561439C2 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
KR100604148B1 (ko) | 압전 세라믹스 조성물 및 그 제조방법 | |
KR100481718B1 (ko) | 압전 세라믹 조성물과 그 압전 세라믹 조성물을 이용한 압전소자 | |
RU2542009C1 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190205 |