ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2009 года по МПК C04B35/495 

Изобретение относится к области пироэлектрических керамических материалов и может быть использовано для создания пироэлектрических детекторов для регистрации теплового и светового потоков излучения.

Известны пироэлектрические материалы, используемые в качестве рабочих тел термоэлементов, например монокристаллические пироэлектрики (RU 2079582 С1, МПК⁶ С30В 29/22, дата публикации 20.05.1997) [1], содержащие оксид сурьмы, оксид ниобия и оксид никеля при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

оксид сурьмы 49-53 оксид ниобия 47-49 оксид никеля 0,4-1,8

Указанные составы позволяют увеличить пирокоэффициент γ, а также пироэлектрическую добротность γ/ε, где ε - диэлектрическая проницаемость.

По сравнению с монокристаллами керамические материалы значительно дешевле, проще в изготовлении, поляризуются в любом направлении, из них могут быть приготовлены элементы необходимой формы и размеров.

Известная пьезоэлектрическая пироэлектрическая керамическая композиция (JP 1242464, 7МПК С04В 35/46, H04L 41/18, дата публикации 1989.09.27 [2], состава

(Bi_1/2A_1/2)_1-x (Sr_APb_b·Ca_c)_x TiO₃, где A - Na, К или Li, направленная на уменьшение диэлектрической постоянной и диэлектрических потерь, что приводит к повышению пироэлектрической чувствительности приемников на основе этого материала.

Недостатком известного материала является использование в его основе токсичных химических соединений на основе оксидов висмута, стронция и свинца.

Указанные выше материалы, являясь полярными диэлектриками, обладают пьезоэлектрическим эффектом. Поэтому в пироэлектрических преобразователях борьба с виброшумами пьезоэлектрического происхождения имеет принципиальное значение. Очевидно, что при любых мерах подавления виброшумов (крепление к арматуре, использование дифференциальных схем включения) следует отдавать предпочтение материалам с максимальным значением величины отношения пирокоэффициента γ к величине пьезоэлектрического модуля d₃₃-γ/d₃₃.

Из известных сегнето-пироэлектрических материалов наиболее близким по составу и достигаемому результату к настоящему изобретению является пироэлектрический пьезоэлектрический материал (А.С. SU №694478, кл. С04В 35/00) [3], принимаемый за прототип.

Материал содержит в своем составе NaNbO₃, LiNbO₃, SrO₃ при следующих соотношениях, мол.%:

NaNbO₃ 85,53÷87,24 LiNbO₃ 12,22÷12,46 SrO₃ 0,3÷2,25

Такая система имеет низкие значения диэлектрической проницаемости (ε₃₃ ^T/ε₀=110-130), довольно низкие диэлектрические потери (tgδ=1,69%-2,98% в слабом поле), сравнительно высокие значения коэффициента электромеханической связи (К_Р=0,136÷0,225), пирокоэффициента γ=(1,3÷1,7)·10^-4 Кл·м^-2·К^-1.

Однако отношение пирокоэффициента к пьезомодулю γ/d₃₃=(7,9÷9,6)·10⁴ Н·м^-2·К^-1, что приводит к значительным виброшумам пьезоэлектрического происхождения.

Техническим результатом заявляемого изобретения является уменьшение уровня виброшумов за счет увеличения соотношения пирокоэффициента к пьезомодулю.

Технический результат достигается тем, что пироэлектрический керамический материал, включающий окислы Na₂O, Li₂O, Nb₂O₅, SrO, согласно изобретению дополнительно содержат Ag₂O или Fe₂O₃ при следующем соотношении компонентов, мол.%:

Na₂O 42,5÷43,03 Li₂O 6,07÷6,15 Nb₂O₅ 48,96÷49,57 SrO 0,98÷1,0 Ag₂O 0,25÷1,49 или Fe₂O₃ 0,25÷1,49

Осуществление изобретения

Исходными материалами для синтеза взяты оксиды и карбонаты металлов следующих квалификаций:

- Na₂СО₃ -"ч.д.а",

- Nb₂O₅ - "Нбо-Пт",

- Li₂CO₃ - "хч",

- SrCO₃ - "хч",

- AgO - "ч.д.а",

- Fe₂O₃ - "хч".

Синтез образцов осуществлялся методом твердофазных реакций с двукратным обжигом при 800 и 850°С в течение 5 час каждый; спекание - методом горячего прессования при 1050-1100°С (в зависимости от состава); давление 19,6 МПа подавалось в течение 40 мин в условиях изотермической выдержки при температуре спекания.

Поляризацию образцов проводили в полисилоксановой жидкости при 140°С в течение 45 мин в поле напряженностью 5,5·10⁶ В/м, с последующим охлаждением под полем до 90°С. Определение электрофизических параметров проводилось в соответствии с ОСТ 110444-87 [4]. Рентгеноструктурные исследования полученного материала показали, что при комнатной температуре в нем содержится смесь фаз: моноклинная и ромбоэдрическая.

Параметры моноклинной фазы:

- а=с=3,914 Å,

- в=3,869 Å,

- β=90,73°,

- объем V=59,27 ų.

Параметры ромбоэдрической фазы:

- а=3,914 Å,

- α=89,27°,

- V=59,98 ų.

Результаты испытаний электрофизических параметров составов заявляемой системы, полученных при различных концентрациях компонентов и температурах спекания, представлены в таблице.

Самые высокие значения γ/d₃₃=20,8·10⁶ Н·м^-2·К^-1; γ=3,0·10^-4 Кл·м^-2·К^-1; коэффициента электромеханической связи К_Р=0,22 зафиксированы в составах №6, 4, 3 соответственно. Состав 6, кроме того, имеет наиболее низкие значения тангенса диэлектрических потерь tgδ=1,7% и температуры спекания Т_с=1020°С.

Сочетание в заявляемом материале повышенных значений γ/d₃₃ с достаточно высокими значениями γ, К_Р, сравнительно низкими значениями относительной диэлектрической проницаемости ε₃₃ ^T/ε₀, tgδ и удельной плотности ρ является благоприятным для более эффективного его применения в пироэлектрических устройствах, где необходимо исключить влияние шумов пьезоэлектрического происхождения (акустические воздействия; упругие деформации и механические напряжения, возникающие под действием собственных инерционных сил при ускорениях от вибраций и т.п.).

Совокупность электромеханических параметров предлагаемого материала обусловлена его качественным и количественным составом, что подтверждают также примеры 9-10 таблицы, демонстрирующие ухудшение свойств за пределами заявленной области концентраций компонентов. Нарушение заявляемых пределов приводит, как видно из табл.1, к уменьшению γ/d₃₃ повышению tgδ, ε₃₃ ^Т/ε₀.

Источники информации

1. RU 2079582 С1, МПК⁶ С30В 29/22, дата публикации 20.05.1997.

2. JP 1242464, 7МРК С04В 35/46, H04L 41/18, дата публикации 1989.09.27.

3. А.С. SU №694478, кл. С04В 35/00.

4. Материалы пьезокерамические. Технические условия. Отраслевой стандарт ОСТ 110444-87, М., 1998, с.18.

Таблица ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ состав системы NaNbO₃-Li₂O-Nb₂O₅-SrO-Ag₂O(Fe₂O₃) № пп Na₂O Li₂O Nb₂O₅ SrO Ag₂O Fe₂O₃ ε₃₃ ^Т/ε₀ tgδ, % в слабом поле К_Р γ·10⁴,
Кл·м^-2·К^-1 γ/d₃₃·10⁶,
Н·м^-2 К^-1 ρ·10³,
кг·м^-3 T спекания, °С 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1 43,03 6,15 49,57 1,0 0,25 - 185 2,24 0,158 2,2 13,7 4,53 1050 2 42,92 6,13 49,45 1,0 0,50 - 150 1,75 0,203 2,5 14,7 4,55 1160 3 42,81 6,12 49,32 1,0 0,75 - 145 2,7 0,22 2,4 12,9 4,31 1100 4 42,50 6,07 48,96 0,98 1,49 - 150 2,55 0,187 3,0 14,9 4,5 1100 5 43,03 6,15 48,57 1,0 - 0,25 175 2,12 0,184 2,2 11,1 4,48 1080 6 42,92 6,13 48,45 1,0 - 0,50 158 1,7. 0,176 2,6 20,8 4,5 1020 7 42,81 6,12 48,32 1,0 - 0,75 162 1,7 0,185 2,6 12,8 4,51 1070 8 42,50 6,07 48,96 0,98 - 1,49 146 2,15 0,176 2,5 12,5 4,5 1040 9 43,09 6,16 49,65 1 0,1   250 1,69 0,207 2,5 12,0 4,54 1045 10 43,09 6,16 49,65 1   0,1 180 3,39 0,162 2,1 10,2 4,5 1090

Изобретение относится к области пироэлектрических керамических материалов и может быть использовано для создания пироэлектрических детекторов для регистрации теплового и светового потоков излучения. Техническим результатом является уменьшение уровня виброшумов за счет увеличения соотношения пирокоэффициента к пьезомодулю. Технический результат достигается тем, что пироэлектрический керамический материал, включающий окислы Na₂O, Li₂O, Nb₂O₅, SrO, согласно изобретению дополнительно содержит Ag₂O или Fe₂O₃ при следующем соотношении компонентов, мол.%: Na₂O 42,5-43,03, Li₂O 6,07-6,15, Nb₂O₅ 48,96-49,57, SrO 0,98-1,0, Ag₂O 0,25-1,49 или Fe₂O₃ 0,25-1,49. 1 табл.

Пироэлектрический керамический материал, содержащий оксиды Na₂O, Li₂O, Nb₂O₅, SrO, отличающийся тем, что он дополнительно содержит Ag₂O или Fe₂O₃ при следующем соотношении компонентов, мол.%:
Na₂O 42,5÷43,03 Li₂O 6,07÷6,15 Nb₂O₅ 48,96÷49,57 SrO 0,98÷1,0 Ag₂O 0,25÷1,49