RU2551156C1 - Пьезоэлектрический керамический материал - Google Patents
Пьезоэлектрический керамический материал Download PDFInfo
- Publication number
- RU2551156C1 RU2551156C1 RU2013159320/03A RU2013159320A RU2551156C1 RU 2551156 C1 RU2551156 C1 RU 2551156C1 RU 2013159320/03 A RU2013159320/03 A RU 2013159320/03A RU 2013159320 A RU2013159320 A RU 2013159320A RU 2551156 C1 RU2551156 C1 RU 2551156C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- piezoelectric ceramic
- ceramic material
- cuo
- formation
- liquid phases
- Prior art date
Links
Landscapes
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
Изобретение относится к пьезокерамическим материалам и может быть использовано при создании ультразвуковых преобразователей, в частности устройств медицинской диагностики. Пьезокерамический материал на основе системы твердых растворов aNaNbO3+bKNbO3+cCuNb2O6 (а+b+с=100%) содержит оксиды натрия, калия, ниобия и меди при следующем соотношении компонентов, мас.%: Na2O 13,87-14,87; K2O 4,24-5,62; Nb2O5 79,32-79,70; CuO 1,19. Технический результат изобретения: материал характеризуется повышенным значением относительной диэлектрической проницаемости , при сохранении достаточно высоких значений механической добротности (Qm=1050) и пьезоэлектрических характеристик. Это обусловлено образованием в процессе спекания промежуточных Cu-содержащих соединений с низкой температурой плавления, с которыми связано формирование жидких фаз, способствующих образованию более совершенной микрокристаллической (зеренной) структуры. 2 табл.
Description
Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе ниобата натрия и может быть использовано в силовых и высокочастотных ультразвуковых устройствах, в частности ультразвуковых пьезодвигателях и промышленных измельчителях.
Для указанных применений пьезоэлектрический керамический материал должен иметь высокие значения механической добротности, Qm, (более 1000), коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний, Kр, (более 0.15), пьезоэлектрического коэффициента d33 (более 50), пьезоэлектрического коэффициента |d31| (более 10), относительной диэлектрической проницаемости,
, (от 300 до 500).
Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната бария, включающий оксиды ВаО, СаО, TiO2, SnO, ZrO. Материал имеет для лучших составов Qm=1126, |d31|=61.1 пКл/Н [1].
Данный материал имеет низкое значение температуры Кюри (ТС=110°C), что делает его малопригодным для указанных применений.
Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий карбонаты Na2CO3, K2CO3, Li2CO3 и оксиды Nb2O5, Bi2O3, TiO2. Материал имеет для лучших составов
, d33=80 пКл/Н, Kр=0.24,2, Qm=88 [2].
Для указанных применений материал имеет слишком низкие значения Qm.
Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий оксиды K2O, Na2O, Nb2O5, CdO. Материал имеет
, Кр=0.12, |d31|=28 пКл/Н, Qm=1000 [3].
Для указанных применений материал имеет недостаточно высокие значения Кр и слишком большую величину
.
Наиболее близким к заявляемому материалу по технической сущности и достигаемому результату является пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий карбонаты Na2CO3, K2CO3 и оксиды Nb2O5, CuO. Материал имеет Qm=1408.2, |d31|=29.2 пКл/Н, d33=96.2 пКл/Н, Kр=0.389,
[4] (прототип).
Для указанных применений материал имеет недостаточно высокие значения
и слишком большую величину Qm.
Задачей изобретения является повышение значений относительной диэлектрической проницаемости до
при сохранении достаточно высоких значений Qm, Kр, d33, |d31|. 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 Na2O, K2O, Nb2O5, CuO при следующем соотношении компонентов, в масс.%:
Na2O 13.87-14.87
K2O 4.24-5.62
Nb2O5 79.32-79.70
CuO 1.19-1.19.
Состав материала отвечает формуле:
aNaNbO3+bKNbO3+cCuNb2O6, где а=75.00-80.00 (в мол. %), b=15.00-20.00 (в мол. %), с=2.5 (в мол. %), а+b+с=100%.
Введение в материал на основе Na2O, K2O и Nb2O5 оксида меди CuO приводит к образованию в процессе спекания промежуточных Cu-содержащих соединений, в частности, K4CuNb8O23 с низкой температурой плавления (1050°C [5]), с которыми связано формирование жидких фаз, способствующих образованию более совершенной микрокристаллической (зеренной) структуры. При возрастании средних размеров кристаллитов (при формировании более совершенной микрокристаллической структуры) уменьшается площадь межзеренных границ, являющихся центрами пининга доменных стенок. Это способствует росту значения
.
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.
В качестве исходных реагентов использовались оксиды следующих квалификаций: K2O - «ч», Na2O - «ч.д.а.», Nb2O5 - «Нбо-Пт», CuO - «хч».
Пьезоэлектрический керамический материал изготавливается по обычной керамической технологии следующим образом. Синтез осуществляется путем однократного обжига смесей, предварительно полученных ниобатов NaNbO3 и KNbO3 и колумбита CuNb2O6. В качестве исходных реагентов выступали оксиды, мас.%: Na2O 13.87-14.87, K2O 4.24-5.62, Nb2O5 79.32-79.70, CuO 1.19-1.19. Температура обжига Тсинт.=(750-1050)°C, при длительности изотермической выдержке τ=5 ч. Спекание образцов в виде столбиков ⌀12 мм, высотой 15÷18 мм осуществляется при Тсп.=(1050-1130)°C, длительность изотермической выдержки τ=2 ч. Металлизация (нанесение электродов) производится 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 поляризуют в полиэтиленсилоксановой жидкости при температуре 410 K в течение 40 мин в постоянном электрическом поле напряженностью 3 кВ/см.
В соответствии с ОСТ 11.0444-87 определяли электрофизические характеристики: относительную диэлектрическую проницаемость поляризованных
образцов, пьезомодули - (|d31|) и (d33), коэффициент электромеханической связи планарной моды колебаний (Кр), механическую добротность (Qm).
Полученные экспериментальные данные (табл.1, примеры 2-4) свидетельствуют о том, что пьезоэлектрический керамический материал предлагаемого состава обладает совокупностью электрофизических параметров, отвечающих задаче изобретения (
, d33≥50 пКл/Н, |d31|≥10 пКл/Н, Kр>0.15, Qm>1000). Выход за пределы заявленных концентраций компонентов приводит к значительному снижению целевых параметров, в частности, Qm,
и Kр.
Данные, приведенные в табл.2, подтверждают преимущества предлагаемого пьезоэлектрического керамического материала по сравнению с материалом - прототипом, а именно повышение
, при сохранении высоких значений Qm, Kр, d33 и |d31|, 1050, 0.17, 50 пКл/Н и 15 пКл/Н, соответственно.
Эффект повышения электрофизических параметров достигается по существу введением в материал, включающий Na2O, K2O и Nb2O5 большего количества оксида меди CuO.
Высокие значения
, Qm и Kр материала определяют основное его назначение - использование в силовых и высокочастотных ультразвуковых устройствах, в частности в ультразвуковых пьезодвигателях и промышленных измельчителях.
При условии согласования преобразователя с нагрузкой (Ri=RH) (обычно реализуемое в выпускаемой промышленностью радиоэлектронной аппаратуре выходное сопротивление RH ~ 50 Ом для высоких частот), используя формулу для емкостного сопротивления преобразователя: Ri=1/ωC, где Ri - емкостное сопротивление преобразователя, Ом; ω - круговая частота, Гц; С - 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, повышение значения
позволяет понизить рабочую частоту целевых ультразвуковых устройств для более эффективного их использования.
Источники информации
1. US 2013/0278681 А1, МПК G02B 27/00, H01l 41/43, H01l 41/047, дата публикации 24.10.2013.
2. CN 102180670 (А), МПК С04В 35/495, С04В 35/622, дата публикации 14.09.2011.
3. RU 2498960, МПК С04В 35/49, дата публикации 20.11.2013.
4. ЕР 1032057(А1), МПК H01L 41/187, дата публикации 23.02.2000.
5. Matsubara М., Yamaguchi Т., Sakamoto W., Kikuta К., Yogo Т., Hirano S.-I. Processing and Piezoelectric Properties of Lead-Free (K, Na) (Nb, Ta) О3 Ceramics // J. Am. Ceram. Soc. 2005. V.88. №5. P.1190-1196.
Таблица 1 | |||||||||
Зависимость электрофизических параметров заявляемого пьезоэлектрического керамического материала от концентрации компонентов | |||||||||
№ п/п | Состав, масс.% | Электрофизические параметры | |||||||
Na2O | K2O | Nb2O5 | CuO |
|
Kp | Qm | d33, пКл/Н | |d31|, пКл/Н | |
1 | 13.38 | 6.31 | 79.13 | 1.18 | 260 | 0.14 | 875 | 45 | 12 |
2 | 13.87 | 5.62 | 79.32 | 1.19 | 300 | 0.17 | 1050 | 50 | 13 |
3 | 14.37 | 4.93 | 79.51 | 1.19 | 305 | 0.17 | 1045 | 53 | 14 |
4 | 14.87 | 4.24 | 79.7 | 1.19 | 300 | 0.16 | 1030 | 50 | 13 |
5 | 15.37 | 3.53 | 79.9 | 1.2 | 280 | 0.15 | 90 | 35 | 10 |
Таблица 2
Claims (1)
- Пьезоэлектрический керамический материал, включающий Na2O, K2O, Nb2O5, отличающийся тем, что содержит дополнительно CuO при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Na2O 13,87-14,07
K2O 5,34-5,62
Nb2O5 79,32-79,40
CuO 1,19
или
Na2O 14,47-14,87
K2O 4,24-4,79
Nb2O5 79,55-79,70
CuO 1,19.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013159320/03A RU2551156C1 (ru) | 2013-12-30 | 2013-12-30 | Пьезоэлектрический керамический материал |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013159320/03A RU2551156C1 (ru) | 2013-12-30 | 2013-12-30 | Пьезоэлектрический керамический материал |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2551156C1 true RU2551156C1 (ru) | 2015-05-20 |
Family
ID=53294285
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013159320/03A RU2551156C1 (ru) | 2013-12-30 | 2013-12-30 | Пьезоэлектрический керамический материал |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2551156C1 (ru) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU587129A1 (ru) * | 1976-09-01 | 1978-01-05 | Ростовский Ордена Трудового Красного Знамени Государственный Университет | Пьезоэлектрический керамический материал |
EP1032057A1 (en) * | 1999-02-24 | 2000-08-30 | Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho | Alkali metal-containing niobate-based piezoelectric material composition and a method for producing the same |
US20060006360A1 (en) * | 2004-06-17 | 2006-01-12 | Denso Corporation | Grain oriented ceramics and production method thereof |
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 |
-
2013
- 2013-12-30 RU RU2013159320/03A patent/RU2551156C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU587129A1 (ru) * | 1976-09-01 | 1978-01-05 | Ростовский Ордена Трудового Красного Знамени Государственный Университет | Пьезоэлектрический керамический материал |
EP1032057A1 (en) * | 1999-02-24 | 2000-08-30 | Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho | Alkali metal-containing niobate-based piezoelectric material composition and a method for producing the same |
US20060006360A1 (en) * | 2004-06-17 | 2006-01-12 | Denso Corporation | Grain oriented ceramics and production method thereof |
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 |
---|---|---|
JP3406611B2 (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 | |
Fan et al. | Effects of Li2CO3 and Sm2O3 additives on low-temperature sintering and piezoelectric properties of PZN-PZT ceramics | |
JP2010120835A (ja) | 圧電磁器、振動子及び超音波モータ | |
JP4466652B2 (ja) | 圧電磁器及び圧電セラミック素子 | |
JP2009227535A (ja) | 圧電性磁器組成物 | |
JP2014224038A (ja) | 圧電セラミックス及びこれを用いた圧電デバイス | |
JP4281726B2 (ja) | 圧電磁器組成物、圧電磁器および圧電セラミック素子 | |
Tsai et al. | Electrical properties and temperature behavior of ZnO-doped PZT–PMnN modified piezoelectric ceramics and their applications on therapeutic transducers | |
Hou et al. | Effects of CuO addition on the structure and electrical properties of low temperature sintered Pb ((Zn1/3Nb2/3) 0.20 (Zr0. 50Ti0. 50) 0.80) O3 ceramics | |
JP2020102539A (ja) | 圧電組成物及び圧電素子 | |
JP2005008516A (ja) | 圧電磁器組成物及びこれを用いた圧電素子 | |
KR101043041B1 (ko) | 초음파 진동자용 무연 압전세라믹스 조성물 | |
JPWO2011004679A1 (ja) | 圧電体/電歪体、圧電/電歪セラミックス組成物、圧電素子/電歪素子及び圧電モータ | |
KR100685327B1 (ko) | 압전자기 조성물, 압전소자 | |
JP7363966B2 (ja) | 圧電セラミックス、セラミックス電子部品、及び、圧電セラミックスの製造方法 | |
RU2551156C1 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
KR100610495B1 (ko) | 압전 자기 조성물 및 그것을 이용한 압전 세라믹 소자 | |
JP4992796B2 (ja) | 発振子 | |
Tandon et al. | Properties of low temperature sintered neodymium doped lead zirconate titanate ceramics | |
RU2561439C2 (ru) | Пьезоэлектрический керамический материал | |
JP2010180073A (ja) | 圧電磁器組成物及び発振子 | |
JP3508244B2 (ja) | 圧電磁器組成物およびその製造方法 | |
JP2010052977A (ja) | 圧電磁器およびそれを用いた圧電素子 | |
KR100463587B1 (ko) | 세라믹 필터용 압전 세라믹스 조성물 | |
JP2009242175A (ja) | 圧電磁器組成物、圧電素子、及び発振子 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171231 |