ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2000 года по МПК C04B35/491 

Изобретение относится к области пьезоэлектрических керамических материалов, отличающихся повышенной чувствительностью к механическому напряжению. Последнее обеспечивается высокими значениями коэффициентов g_ij. Такие материалы используются для создания электромеханических преобразователей, применяемых в акселерометрах, дефектоскопах, приборах медицинской диагностики, запоминающих устройствах и т.д.

Известны пьезокерамические материалы на основе системы PbTiO₃-PbZrO₃, обладающие электрофизическими характеристиками и, в частности, высокими значениями пьезочувствительности g₃₃ представленными в табл. 1 [1-11]. В связи с тем, что информация о зарубежных материалах носила рекламный характер [6-11], не представляется возможным судить о качественном и количественном составе добавок, вводимых в материал PZT.

Наиболее близким к заявляемому материалу по технической сущности является пьезокерамический материал ПКР-1, содержащий PbO, TiO₂, ZrO₂, CdO, WO₃ при соотношении компонентов, мас.%: PbO - 68,04; TiO₂ - 10,96; ZrO₂ - 19,91; CdO - 0,39; WO₃ - 0,70 и имеющий параметры: tgδ =2%, g₃₃ • 10³=38 Вм/H (табл. 1) [1]. Указанный материал изготавливается методом горячего прессования, что приводит к значительному удорожанию изделий и имеет относительно высокую диэлектрическую проницаемость, εт33

/ε_o.
Заявляемое изобретение позволяет получить пьезокерамический материал с пониженным значением диэлектрической проницаемости методом обычной керамической технологии, работающий в том же диапазоне рабочих температур и механических нагрузок, обладающий низким tg δ (0,7- 0,9%) и более высокими значениями g₃₃ (41-48 • 10^-3 Вм/Н).

Указанный технический эффект достигается тем, что пьезокерамический материал, включающий PbO, ZrO₂, TiO₂, Cd0, WO₃, дополнительно содержит оксиды кобальта, германия и бора при следующем соотношении компонентов, мас.%:
PbO - 67,34 - 68,69
ZrO₂ - 19,52 - 19,62
TiO₂ - 10,75 - 10,80
CdO - 0,38 - 0,39
WO₃ - 0,69 - 0,70
CoO - 0,98 - 0,99
GeO₂ - 0,08 - 0,15
B₂O₃ - 0,10 - 0,11
Введение CoO в качестве модификатора способствовало снижению εт33

/ε_o и tgδ, использование В₂О₃ и GeO₂ в качестве составляющих стеклодобавки приводило к повышению плотности и механической прочности керамики, снижению tg δ, повышению пьезомодуля d₃₃. В целом использование добавок CoO, B₂O₃, GeO₂ способствовало также и повышению технологичности данного материала.

В качестве исходных материалов использованы оксиды следующих квалификаций: PbO - "ч.д.а.", TiO₂ - "конденсаторная", ZrO₂ - "ч.д.а.", CdO - "ч.д. а.", WO₃ - "ч.", CoO -"ч.д.а.", В₂О₃ - "ч.д.а.", GeO₂ - "ч.".

Материал изготовляли следующим образом. Шихту, составленную из оксидов PbO, ZrO₂, TiO₂, CdO, WO₃, CoO, синтезировали в две стадии при 1070 К в течение 1,44-10⁴ с и при 1120 К в течение 7,2 • 10³ с промежуточным помолом. В синтезированный продукт вводили добавку в виде тщательно измельченного стекла. Варку стекла осуществляли в платиновом тигле из реактивов PbO, В₂O₃, GeO₂ при 1270 К в течение 7,2 • 10³ с.

Спекание образцов диаметром 10 мм и высотой 3 мм осуществляли в течение 1,08 • 10⁴ с при температуре 1520-1540 К в засыпке, обеспечивающей атмосферу паров PbO.

На сошлифованные до 1 мм диски наносили серебряную пасту, которую вжигали при температуре 970 К. Образцы поляризовали в воздушной среде при охлаждении от 650 К в постоянном электрическом поле напряженностью 12 кВ/см. Определение электрофизических характеристик проводилось в соответствии с ГОСТом 12370-72. Пьезомодуль d₃₃ определялся квази-статическим методом.

В табл. 2 приведены основные электрофизические характеристики предлагаемого материала в зависимости от состава.

В табл. 3 приведены основные электрофизические характеристики для оптимального состава предлагаемого материала и материала прототипа.

Полученные экспериментальные данные (табл. 2, примеры 3, 4) свидетельствуют о том, что предлагаемый пьезокерамический материал обладает оптимальными, с точки зрения решаемой технической задачи, характеристиками в интервале величин компонентов, указанных в формуле изобретения.

Данные табл. 3 подтверждают преимущества предлагаемого пьезокерамического материала по сравнению с материалом ПКР-1 (прототип), а именно снижение тангенса угла диэлектрических потерь, повышение пьезочувствительности. К тому же предлагаемый материал получают по обычной керамической технологии в отличие от материала ПКР-1, приготавливаемого методом горячего прессования, что позволяет удешевить процесс производства пьезокерамических изделий.

Использование предлагаемого пьезокерамического материала позволит решить проблему создания сравнительно недорогих пьезоэлементов, отличающихся повышенной пьезочувствительностью, используемых в качестве чувствительных элементов в акселерометрах, дефектоскопах и т.д.

Источники информации
1. Е.Г. Фесенко, А.Я. Данцигер, О.Н. Разумовская. Новые пьезо-керамические материалы. Ростов-на-Дону: изд-во Ростовского госуниверситета, 1983 г., 160 с.

2. С.И. Дудкина, С.В. Гавриляченко, А.Я. Данцигер, А.Е. Панич. Материалы типа ПКР различного назначения. В сб.: Пьезоактивные материалы. Физика. Технология. Применение в приборах. Ростов-на-Дону: изд-во Ростовского госуниверситета, 1991 г., с. 47-51.

3. Stettner GmbH & Co. Electronic components. Actuators/Sensors. http: // www. stcostettner. com/english/ppk.htm#a2.

4. А.с. 528283 (СССР). Пьезокерамический материал / Е.Г. Фесенко и др. - Опубл. в БИ, 1976, N 34.

5. Г. Яффе, Д. Берлинкур. ТИИЭР, 1965, Т. 53, С. 1552.

6. Sensor Technology Limited (BM Hi-Tech Division). Piezoe lectric Ceramics. Product Catalogue. Application Notes. 1995. 24 p.

7. Piezo Systems, Inc. Interim Catalog 2C, March 1998, 48 p.

8. APC International Ltd. Piezoceramics and Material Characteristics. http:/www. thomasregister.com/olc/apc/apcpiez.html.

9. TRS Ceramics, Inc. http: /www. trsceramics. com/PZTproperties. htm.

10. Active Control experts. Inc. Piezo Properties. http: /www. acx. com/piezoproperties. html.

11. Morgan Matroc. Electro Ceramics Division. Online Catalog. Typical values of PZT: supplied by ECD. http: /www.morganmatroc-ecd. com/catalog/propert.him.

Изобретение позволяет создать пьезокерамический материал с пониженным значением диэлектрической проницаемости (tgδ = 0,7-0,9%) и повышенной чувствительностью к механическому напряжению (g₃₃ = 41-48•10^-3 Вм/Н) методом обычной керамической технологии. Пьезокерамический материал содержит оксиды свинца, циркония, титана, кадмия, вольфрама, кобальта, германия и бора при следующем соотношении компонентов, мас.%: PbO 67,34-68,69, ZrO₂ 19,52-19,62, TiO₂ 10,75-10,80, CdO 0,38-0,39, WO₃ 0,69-0,70, СоО 0,98-0,99, GeO₂ 0,08-0,15, B₂O₃ 0,10-0,11. Использование изобретения эффективно при изготовлении пьезоэлементов для приборов медицинской диагностики и акустических преобразователей. 3 табл.

Пьезокерамический материал, включающий оксиды свинца, циркония, титана, кадмия, вольфрама, отличающийся тем, что он дополнительно содержит оксиды кобальта, германия и бора при следующем соотношении компонентов, мас. %:
PbO - 67,34 - 68, 69
ZrO₂ - 19,52 - 19,62
TiO₂ - 10,75 - 10,80
CdO - 0,38 - 0,39
WO₃ - 0,69 - 0,70
CoO - 0,98 - 0,99
GeO₂ - 0,08 - 0,15
B₂O₃ - 0,10 - 0,11