ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 1995 года по МПК C04B35/00 

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам и может быть использовано для создания высокочастотных преобразователей, измеряющих параметры вибрации и удара объектов, подвергающихся динамическим нагрузкам при высоких температурах, в частности в атомной энергетике и космической технике.

Известен пьезокерамический материал на основе слоистого титаната натрия-висмута, мас. Na_0,5Bi_4,5Ti₄O₁₅ 90,0-92,5 PbNb_0,4Cr_0,5O₃ 7,5-10,0 используемый в пьезопреобразователях с рабочей температурой до 773 К (1). Указанный материал при пьезомодуле d₃₃ (20-22) х x10^-12 Кл/Н и его изменении Δ d₃₃ 7-14% в интервале до 773 К имеет недостаточно высокую верхнюю рабочую температуру.

Известен пьезокерамический материал LiNbO₃ (2), имеющий Т_к 1473 К, пьезомодуль d₃₃ (9-10) ˙10^-12 Кл/Н, но низкую механическую прочность (σ 120 кГ/см²). Недостаточная механическая прочность указанного материала не позволяет использовать его в широком интервале температур и механических нагрузок.

Наиболее близким к заявляемому материалу по технической сущности является пьезокерамический материал на основе метаниобата лития (ПКР-61), содержащий Li₂O, Nb₂O₅ и СаО при следующем соотношении компонентов, мас. Li₂O 10,03-10,10; Nb₂O₅ 89,22-89,87; СаО 0,03-0,75, и имеющий следующие параметры: Т_к 1450 К, рабочий диапазон использования до 1220 К, d_зз 12 ˙10^-12 Кл/Н, ε₃₃^T/ε_o 50; Q_м ≅ 100, tg δ_пп 1,9% (3,4). Указанный материал изготавливается методом горячего прессования, что приводит к значительному удорожанию изделий и имеет относительно высокую ε₃₃^T/ε_o
Цель изобретения получение пьезокерамического материала с пониженным значением диэлектрической проницаемости, работоспособного в широком диапазоне рабочих температур и механических нагрузок, упрощение технологии изготовления изделий при сохранении высоких значений пьезомодуля d_зз и удельного электрического сопротивления.

Цель достигается тем, что пьезокерамический материал, включающий метаниобат лития, оксиды кальция, лития, содержит оксиды кремния и бора при следующем соотношении компонентов, мас. LiNbO₃ 95,9-96,5 Li₂O 0,55-0,66 CaO 0,50-0,75 B₂O₃ 0,27-0,31 SiO₂ 2,06-2,40
В качестве исходных материалов использованы оксиды и карбонаты следующих квалификаций: Li₂CO₃ хч, Nb₂O₅ Нбо-ПТ, СаО чда, B₂O₃ чда, SiO₂ чда.

Материал изготовляли следующим образом. Метаниобат лития, модифицированный кальцием, синтезировали при 1070 К в течение 1,08 ˙10⁴ с из смеси Li₂CO₃, Nb₂O₅ и CaO. В синтезированный продукт вводили добавку в виде тщательно измельченного стекла. Варку стекла осуществляли в платиновом тигле из реактивов Li₂CO₃, B₂O₃, SiO₂ при 1370-1470 К в течение 5,4˙10⁴ с.

Спекание образцов диаметром 11 мм и высотой 3 мм осуществляли в течение 1,08 ˙10⁴ с при температуре 1320-1360 К. На сошлифованные до 1 мм диски наносили платиновую пасту, которую вжигали при 1170-1270 К. Образцы поляризовали в полиэтилсилоксановой жидкости при 433-453 К в течение (1,8-2,4)˙10³ с в постоянном электрическом поле, напряженностью 50-70 кВ/см. Определение электрофизических характеристик проводилось в соответствии с ОСТом 11.0444-87, пьезомодуль d_зз определялся квазистатическим методом.

В табл. 1 приведены основные характеристики материала в зависимости от состава.

В табл.2 приведены основные электрофизические характеристики для оптимального состава предлагаемого материала и материала-прототипа.

Полученные экспериментальные данные (табл.1, примеры 2, 3) свидетельствуют о том, что пьезокерамический материал предлагаемого состава обладает оптимальными с точки зрения решаемой технической задачи характеристиками в предлагаемом интервале величин компонентов.

Данные, приведенные табл.2, подтверждают преимущества предлагаемого пьезокерамического материала по сравнению с материалом ПКР-61 (прототипом), а именно, снижение значения диэлектрической проницаемости, повышение верхнего предела рабочих температур при сохранении высоких значений пьезомодуля d_зз и удельного электрического сопротивления, а также улучшение стабильности пьезомодуля d_зз от температуры и практическое отсутствие необратимых изменений пьезомодуля d_зз при воздействии температуры до 1273 К.

Предлагаемый материал получают по обычной керамической технологии в отличие от материала ПКР-61, изготавливаемого методом горячего прессования, что позволяет упростить и удешевить процесс производства пьезокерамических изделий.

Использование предлагаемого пьезокерамического материала позволяет решить проблему создания сравнительно дешевых высокочастотных преобразователей для измерения параметров вибрации и удара, работоспособных в экстремальных условиях высоких температур и динамических нагрузок.

Применение преобразователей с использованием предлагаемого материала перспективно при вибродиагностике объектов атомной энергетики и космической техники.

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам и может быть использовано при создании преобразователей для измерения параметров вибрации и удара объектов, подвергающихся динамическим нагрузкам при высоких температурах. Пьезокерамический материал на основе метаниобата лития содержит оксиды кальция, лития, кремния и бора при следующем соотношении компонентов, мас. LiNbO₃ 95,9 - 96,5; Li₂O 0,55 0,66; CaO 0,50 0,75; B₂O₃ 0,27 0,31; SiO₂ 2,06 2,40. Материал характеризуется пониженным значением диэлектрической проницаемости, стабилен в широком интервале рабочих температур и механических нагрузках. Изготавливается по обычной керамической технологии, что позволяет упростить и удешевить процесс производства пьезокерамических изделий при сохранении высоких значений пьезомодуля d_зз и удельного электрического сопротивления. 2 табл.

ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ, включающий LiNbO₃, Li₂O, CaO, отличающийся тем, что он дополнительно содержит B₂O₃ и SiO₂ при следующем соотношении компонентов, мас.

LiNbO₃ 95,9 96,5
Li₂О 0,55 0,66
CaO 0,50 0,75
B₂O₃ 0,27 0,31
SiO₂ 2,06 2,40