Пьезокерамический материал Российский патент 2003 года по МПК C04B35/491 

Изобретение относится к области сегнетожестких пьезоэлектрических керамических материалов, устойчивых к электрическим и механическим воздействиям и предназначенных для устройств, работающих в силовых режимах, например ультразвуковых излучателей, пьезотрансформаторов, пьезодвигателей, систем зажигания.

Такие материалы должны обладать низкими диэлектрическими (tgδ) и механическими (1/Q_m) потерями как в слабых, так и в сильных электрических полях. Вместе с тем они должны сохранять достаточно высокие пьезоэлектрические параметры. Этим материалам соответствуют максимальные значения параметров и , характеризующих удельную мощность преобразователей и коэффициент полезного действия ультразвуковых излучателей (Фесенко Е.Г., Данцигер А.Я., Разумовская О.Н. Новые пьезокерамические материалы. Ростов-на-Дону. Изд-во Ростовского ун-та, 1983. 160 с.) [1].

В зарубежной литературе не принято специально выделять из группы сегнетожестких материалов материалы с высокой и средней сегнетожесткостью. Общепринятым является подразделение керамики на сегнетомягкую и сегнетотвердую (сегнетожесткую). Вместе с тем крупные зарубежные фирмы, как правило, содержат в своих каталогах два класса сегнетожестких керамик (PZT4 и PZT8 "Morgan Matroc") (Электронный каталог фирмы "Morgan Matroc", США: http://www.morganmatrocecd.com/catalog/propert.htm); BM400 и ВМ800 "Sensor Technology Ltd." (Sensor Technology Limited (BM Hi-tech Division). Piezoelectric ceramics. Product catalogue. Application notes.1995); APC840 и АРС841 "APC International Ltd." (Электронный каталог фирмы "АРС International Ltd.", США: http://www.thomasregister.com/olc/apc/apcpiez.htm)), отличающихся своими характеристиками [2-4]. В отечественной литературе такое подразделение выражено достаточно четко. Основные характеристики отечественных и наиболее известных зарубежных материалов с высокой сегнетожесткостью представлены в табл. 1. Как видно из табл. 1, основная масса материалов данного класса имеет механическую добротность Q_m~1000, тангенс угла диэлектрических потерь tgδ в интервале 0,30-0,40, величину коэффициента электромеханической связи К_р от 0,48 до 0,60 и величину диэлектрической проницаемости εТ33

Все представленные в табл. 1 сегнетожесткие пьезокерамические материалы, как отечественные, так и зарубежные, базируются на системе твердых растворов PbTiO₃-PbZrO₃ (ЦТС), иными словами, основу их химических композиций составляют оксиды свинца, титана и циркония.

Наиболее близким к заявляемому материалу по составу и свойствам является принимаемый за прототип пьезокерамический материал

Pb (Zn_1/3Nb_2/3)_A(Mn_1/3Nb_2/3)_BТi_CZr_DО₃,

где 0 < А ≤ 0,50, 0 < В ≤ 0,50, 0,25 ≤ С ≤ 0,625, 0,125 ≤ D ≤ 0,625 и А+В+С+D=1. (Nishida M., Ouchi H. Improvements in and relating to ceramic compositions. GB 1376013. 04.12.1974) /9/, обладающий относительной диэлектрической проницаемостью ε^T ₃₃ / ε₀ = 920-1140, коэффициентом электромеханической связи К_р = 0.59-0.63 и механической добротностью Q_m = 1910-2410. Пьезокерамический материал /9/ получают одностадийным синтезом при температуре 1123 К в течение 7,2·10³ с с последующим спеканием при температуре 1473-1553 К в течение 2.7·10³ с в отсутствие атмосферы РbО. Материал-прототип отличается пониженным значением относительной диэлектрической проницаемости . В патенте /9/ отсутствуют значения тангенса угла диэлектрических потерь tgδ, являющегося согласно ссылке /1/ и (Физическая акустика/под ред. У. Мэзона. Т.1. Методы и приборы ультразвуковых исследований. Ч. А. Москва. Изд-во: "Мир", 1966.) /10/ одним из основных параметров, определяющих возможность использования пьезокерамического материала в силовых акустических излучающих устройствах. В соответствии со ссылкой /10/ внутренние механические потери (1/Q_m) в пьезокерамике в ряде случаев (например, в гидроакустических излучателях) не могут существенно снизить коэффициент полезного действия (КПД) излучателя, поскольку механическая добротность акустически нагруженного преобразователя значительно меньше механической добротности пьезокерамики. Поэтому основным фактором, ограничивающим КПД преобразователя, следует считать диэлектрические потери, характеризуемые величиной tgδ.

Задачей изобретения является получение сегнетожесткого пьезокерамического материала с параметрами, отвечающими мировому уровню, предназначенного для использования в качестве рабочего элемента ультразвукового излучателя высокой мощности.

Техническим результатом изобретения является низкий тангенс угла диэлектрических потерь tg5 (0.27-0.30); повышение относительной диэлектрической проницаемости ε^T ₃₃ / ε₀ (1300) при сохранении высоких значений пьезоэлектрических параметров.

Указанный технический эффект достигается тем, что известный пьезокерамический материал, включающий оксиды свинца, циркония, титана, марганца, цинка и ниобия, мас.%:

РbО 68,50 - 68,70

ZrO₂ 15,70 - 16,70

TiO₂ 10,20 - 10,70

MnO 0,30 - 0,35

ZnO 0,70 - 0,90

Nb₂O₅ 3,50 - 4,20

подвергается двухстадийному твердофазному синтезу, причем вторая стадия твердофазного синтеза осуществляется при температуре 1170 К, а спекание проводится в атмосфере оксида свинца.

Изобретение осуществляется следующим образом.

В качестве исходных материалов предложенного сегнетожесткого пьезоэлектрического керамического материала использовались окислы: РbО, MnO квалификации "ч.д.a.", ZrO₂ квалификации "ч.", TiO₂ квалификации "конденсаторная", ZnO и Nb₂0₅ квалификации "ос.ч.". Материал получен следующим образом. Смешение компонентов осуществлялось в шаровой мельнице в водной среде. После сушки шихту синтезировали в две стадии: при 1120 К в течение 1,8·10⁴ с и при 1170 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 1520-1530 К в засыпке, обеспечивающей атмосферу паров РbО. На сошлифованные до 1 мм диски наносили серебряную пасту, которую вжигали при температуре 970 К. Образцы поляризовали в воздушной среде с переходом через точку Кюри при охлаждении от 670 К в постоянном электрическом поле напряженностью 17 кВ/см. Определение электрофизических характеристик проводилось в соответствии с ГОСТом 12370-72.

В табл. 2 приведены основные электрофизические характеристики предлагаемого материала в зависимости от состава. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что предлагаемый пьезокерамический материал обладает оптимальными, с точки зрения решаемой технической задачи, характеристиками в интервале величин компонентов, указанных в формуле изобретения.

Использование изобретения эффективно при создании ультразвуковых излучателей большой мощности и других изделий пьезотехники, работающих в силовых режимах.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Фесенко Е.Г., Данцигер А.Я., Разумовская О.Н. Новые пьезокерамические материалы. Ростов-на-Дону. Изд-во Ростовского ун-та, 1983. 160 с.

2. Электронный каталог фирмы "Morgan Matroc", США:

http://www.morganmatroc-ecd.com/catalog/propert.htm

3. Sensor Technology Limited (BM Hi-tech Division). Piezoelectric ceramics. Product catalogue. Application notes.1995.

4. Электронный каталог фирмы "АРС International Ltd.", США:

http://www.thomasregister.com/olc/apc/apcpiez.htm

5. Фесенко Е.Г., Данцигер А.Я., Разумовская О.Н. и др. Высокоэффективные пьезокерамические материалы. Сб. Пьезоактивные материалы. Физика. Технология. Применение в приборах. Ростов-на-Дону. Изд-во Ростовского университета, 1991. С. 5-15.

6. Материалы пьезокерамические. Технические условия. Отраслевой стандарт ОСТ 11 0444-87, М., 1987, с. 141.

7. Смотраков В.Г., Полонская А.М., Вусевкер Ю.А., Панич А.Е., Еремкин В.В., Кудинов А.П., Гориш А.В., Гришин В.М. Шихта для получения пьезокерамического материала. Патент RU 2067567 С1, МКИ С 04 В 35/00, 35/472, опубл. 10.10.1996, Бюл. № 28.

8. Электронный каталог фирмы "Stettner GmbH & Co.", Германия: http://www.stcostettner.com/englisch/pkg.htm

9. Nishida M., Ouchi H. Improvements in and relating to ceramic compositions. GB 1376013. 04.12.1974 (ПРОТОТИП).

10. Физическая акустика. /Под ред. У.Мэзона. Т. 1. Методы и приборы ультразвуковых исследований. Ч. А. Москва. Изд-во: "Мир", 1966.

Изобретение относится к области сегнетожестких пьезокерамических материалов. Использование изобретения эффективно при создании ультразвуковых излучателей большой мощности и других изделий пьезотехники, работающих в силовых режимах. Пьезокерамический материал содержит оксиды свинца, циркония, титана, ниобия, цинка и марганца при следующем соотношении компонентов, мас.%: PbO - 68,50-68,70; ZrO₂ - 15,70 - 16,70; TiO₂ - 10,20 - 10,70; Nb₂O₅ - 3,50-4,20; ZnO - 0,70-0,90; MnO - 0,30-0,35. Материал получен двухстадийным твердофазным синтезом, причем вторую стадию твердофазного синтеза осуществляют при температуре 1170 К, а спекание осуществляют в атмосфере паров оксида свинца. Материал обладает tgδ, соответствующим лучшим значениям для этого класса соединений (0,29%); величиной Кр, равной 0,56; высоким значением d₃₁ (125·10^-12 Кл/Н), Q_M=1000 и НT33

Пьезокерамический материал, включающий оксиды свинца, циркония, титана, марганца, цинка и ниобия, мас.%:

РbО 68,50 - 68,70

ZrO₂ 15,70 - 16,70

TiО₂ 10,20 - 10,70

MnO 0,30 - 0,35

ZnO 0,70 - 0,90

Nb₂O₅ 3,50 - 4,20

подвергающийся твердофазному синтезу и последующему спеканию, отличающийся тем, что твердофазный синтез проводят в две стадии, причем вторую стадию твердофазного синтеза осуществляют при 1170 К, а спекание осуществляют в атмосфере паров оксида свинца.