ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2002 года по МПК C04B35/491 

Изобретение относится к области пьезоэлектрических керамических материалов и может быть использовано для создания электромеханических преобразователей, работающих в широком диапазоне температур и давлений.

Известны следующие пьезокерамические материалы на основе цирконата-титаната свинца, работающие при повышенных температурах:
-ЦТС-21 /1/, имеющий параметры:
ε₃₃/ε₀ = 420-600; tgδ ≤ 0,018; K_p=0,27-0,4;
|d₃₁| = (30-60) пКл/H; d₃₃=75-120 пКл/Н; Т_к≥400^oС;
- пьезокерамический материал /2/, имеющий параметры:
εT33

Указанные пьезокерамические материалы имеют хорошую пьезоэлектрическую активность, однако их максимальная рабочая температура не превышает 300^oС.

Наиболее близким к заявляемому материалу по технической сущности является пьезоэлектрический керамический материал /3/, содержащий ВiTi_3/4О₃, РbТiO₃, PbZrО₃, PbW_1/2Cd_1/2O₃, при следующем соотношении компонентов, мол.%:
РbТiO₃ - 58,25-62,25
PbZrО₃ - 19,25-20,75
PbW_1/2Cd_1/2O₃ - 2,0-2,50
ВiTi_3/4O₃ - 15,0-20,0
имеющий параметры:
εT33

Указанный материал имеет хорошую температурную стабильность пьезоэлектрических характеристик в рабочем диапазоне температур (изменение пьезомодуля d₃₃ составляет 9-17%).

Однако, верхняя граница рабочего диапазона температур не превышает 350^oС. Кроме того, материал имеет недостаточно высокую пьезоэлектрическую активность.

Заявляемое изобретение позволяет получить пьезоэлектрический керамический материал с повышенными значениями пьезоэлектрических параметров и расширенным до 400^oС диапазоном рабочих температур. Заявляемый материал также имеет хорошую стабильность пьезоэлектрического параметра d₃₃ при воздействии высоких (до 400^oС) температур и одноосного сжатия до 150 МПа.

Указанный технический эффект достигается тем, что пьезокерамический материал, включающий в себя титанат висмута ВiТi_3/4O₃, титанат свинца РbТiO₃ и цирконат свинца РbZrO₃, дополнительно содержит титанат кальция СаТiO₃, титанат бария ВаТiO₃ и титанат стронция SrТiO₃, при следующем соотношении компонентов, мол.%:
РbТiO₃ - 76,0-76,5
PbZrO₃ - 19,0-20,0
ВiТi_3/4O₃ - 1,5-2,0
СаТiO₃ - 0,5-1,0
ВаТiO₃ - 0,5-1,0
SrТiO₃ - 0,5-1,0
Такое соотношение компонентов и наличие титанатов кальция, бария и стронция повышает пьезоэлектрическую активность (К_p=0,2; |d₃₁| = 20 пКл/H; d₃₃= 60 пКл/Н) и повышает температуру точки Кюри, расширяя тем самым диапазон рабочих температур до 400^oС. Кроме того, материал работает в условиях одновременного воздействия одноосного сжатия до 150 МПа и высокой температуры (до 400^oС).

Изобретение осуществляется следующим образом.

В качестве исходных компонентов используются оксиды металлов, которые смешиваются в водной среде в течение 48 часов. После обезвоживания проводится синтез, который осуществляется в две стадии с промежуточным помолом. Температура первого синтеза 840^oС, второго 870^oС. Общее время выдержки 7 часов. После второго синтеза материал вновь измельчается, а затем формируется в изделие.

Обжиг изделий проводится при температуре 1230-1260^oС в течение 2-3 часов в защитной атмосфере РbO (используется свинецсодержащая засыпка). После механической обработки поверхностей образцов на них наносятся электроды.

Поляризация осуществляется в полиэтилсилоксановой жидкости при температуре 170^oС в течение 30 минут в поле с напряженностью 4 кВ/мм. Измерение электрофизических параметров производится в соответствии с ОСТ 11 0444-87; пьезомодуль d₃₃ определяется в квазистатическом режиме. Основные электрофизические параметры заявляемого материала и материала-прототипа приведены в таблице 1. Данные, приведенные в таблице 1, подтверждают преимущество предлагаемого пьезокерамического материала по сравнению с материалом-прототипом, а именно - повышение пьезоэлектрической активности (увеличение значений К_p, d₃₁, d₃₃), повышение температуры точки Кюри и, следовательно, расширение диапазона рабочих температур. Кроме того, возможно применение материала в условиях воздействия одноосного сжатия до 150 МПа.

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

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что пьезокерамический материал предлагаемого состава обладает оптимальными характеристиками, с точки зрения решаемой технической задачи, в интервале величин, указанном в формуле изобретения.

В таблице 3 приведены экспериментальные данные, подтверждающие работоспособность материала в условиях воздействия одноосного сжатия до 150 МПа.

Применение изобретения перспективно при изготовлении пьезоэлементов, используемых в качестве рабочих элементов датчиков с повышенными требованиями к стабильности коэффициента преобразования при совместном воздействии высокой температуры и высокого статического давления. В частности, перспективно применение изобретения на объектах ракетно-космической техники.

Источники информации.

1. ОСТ 110444-87. Материалы пьезокерамические. Технические условия.

2. SU, авторское свидетельство 975681, кл. С 04 В 35/46, 1982.

3. SU, авторское свидетельство 1073227, кл. С 04 В 35/46, 1984.

Изобретение предназначено для изготовления пьезоэлементов для датчиков на объектах ракетно-космической техники. Изобретение позволяет создать пьезоэлектрический материал с повышенными значениями пьезоэлектрических параметров, с расширенным до 400^oС интервалом рабочих температур и высокой стабильностью пьезомодуля d₃₃ при воздействии высоких температур и давлений. Материал содержит компоненты при следующем соотношении, мол.%: PbTiO₃ 76,0-76,5; PbZrO₃ 19,0-20,0; BiTi_3/4О₃ 1,5-2,0; СаТiO₃ 0,5-1,0; ВаТiО₃ 0,5-1,0; SrTiО₃ 0,5-1,0. 3 табл.

Пьезоэлектрический керамический материал, включающий BiTi_3/4О₃, PbTiO₃, PbZrO₃, отличающийся тем, что дополнительно содержит СаТiO₃, ВаТiО₃ и SrTiО₃ при следующем соотношении компонентов, мол. %:
PbTiO₃ - 76,0-76,5
PbZrO₃ - 19,0-20,0
BiTi_3/4О₃ - 1,5-2,0
СаТiO₃ - 0,5-1,0
ВаТiО₃ - 0,5-1,0
SrTiО₃ - 0,5-1,0