Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе соединений натрия, калия, лития и может быть использовано в высокочастотных преобразователях, системах ультразвуковой сварки, устройствах неразрушающего контроля, дефектоскопии.
Для указанных применений материал должен обладать достаточно низким значением относительной диэлектрической проницаемости поляризованных образцов,
Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе соединений натрия, калия, лития, включающий Li2CO3, K2CO3, NaHCO3, Nb2O5 и Ta2O5. Состав материала отвечает химической формуле ((K0.5Na0.5)0.9Li0.1)(Nb0.8Ta0.2)O3. Материал имеет для лучших составов
Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе соединений натрия, калия, лития, включающий Na2O, K2O, Li2O, Nb2O5, Ta2O5, CuO и MnO2. Материал имеет
Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе соединений натрия, калия, лития, включающий Na(Nb, Ta, Sb)O3, K(Nb, Ta, Sb)O3, Li(Nb, Ta, Sb)O3 с добавками оксидов марганца (MnO2) и редкоземельного элемента - церия (CeO2). Состав материала отвечает химической формуле (Na0.475K0.475Li0.05)(Nb0.92Ta0.05, Sb0.03)O3+0.4%CeO2+0.4%MnO2, то есть включает оксиды Na2O, K2O, Li2O, Nb2O5, Ta2O5, Sb2O5, CeO2 и MnO2. Материал имеет (для лучших составов)
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является пьезоэлектрический керамический материал на основе соединений натрия, калия, лития, включающий Na2O, K2O, Li2O, BaO, Bi2O3, TiO2. Состав материала отвечает химической формуле 0.885(Na0.5Bi0.5)TiO3-0.05(K0.5Bi0.5)TiO3-0.015(Li0.5Bi0.5)TiO3-0.05 BaTiO3. Материал имеет
Задачей изобретения является снижение Qм (до значений 70-90) при сохранении достаточно низких значений
Указанные результаты достигаются тем, что пьезоэлектрический керамический материал на основе соединений натрия, калия, лития дополнительно содержит Ta2O5, Sb2O5, NiO, Nb2O5 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Состав материала отвечает формуле:
LiaKbNacNbdTamSbnO3+zNiO, где a=0.04, b=0.4416, c=0.5184, d=0.864, m=0.096, n=0.04, a+b+c=1, d+m+n=1, 0.01≤z≤0.00175.
Комбинированное модифицирование материала на основе соединений натрия, калия и лития разновалентными катионами приводит к усложнению структуры материала, в частности, за счет усиления кристаллохимического беспорядка в A- и B-позициях исходного соединения, и появлению катионных вакансий. Последнее, способствуя облегчению доменных переориентаций, увеличивает подвижность доменной структуры, усиливает внутреннее трение при большой мобильности доменных стенок и, как следствие, уменьшает Qm, так как последняя обратно пропорциональна внутреннему трению [5]. Кроме того, образование при неизовалентных замещениях ионов новых структурных элементов - точечных дефектов (вакансий), участвующих в массопереносе и усиливающих диффузионные процессы при синтезе и спекании объектов, а также высокая стереохимическая активность и эмиссионная способность Ni(II) (обусловленные его малоразмерностью и особенностями электронной структуры), усиленные в многокомпонентных системах микродефектностью составов [6], способствуют улучшенной спекаемости керамик.
1. Пример изготовления пьезоэлектрического керамического материала.
Материал изготавливался по обычной керамической технологии следующим образом. В качестве исходных реагентов использовались гидрокарбонаты, карбонаты и оксиды следующих квалификаций: NaHCO3 - «чда», KHCO3 - «ч», Nb2O5 - «NbO-PT», Li2CO3 - «хч», Ta2O5 - «TaO-1», Sb2O5 - «хч», NiO - «ч». Синтез осуществлялся путем однократного обжига смесей сырьевых компонентов: NaHCO3, KHCO3, Nb2O5, Li2CO3, Ta2O5, Sb2O5, NiO, взятых в количествах (мас.%, в случае NaHCO3, KHCO3, Li2CO3 в пересчете на соответствующие оксиды): Na2O=8.84; K2O=11.44; Nb2O5=63.17; Li2O=0.33; Ta2O5=11.67; Sb2O5=3.56, NiO=0.99 с промежуточным помолом синтезированного продукта. Температура обжига при синтезе, Тсинт=1223 К, длительность изотермической выдержки, τсинт=5 ч. Спекание образцов в виде столбиков ⌀12 мм, высотой 15-18 мм осуществлялось при Тсп=1413 К, длительность изотермической выдержки, τсп=1.5 ч. Металлизация (нанесение электродов) производилась путем нанесения на плоские поверхности предварительно сошлифованных до толщины 1 мм образцов серебросодержащей пасты и последующего ее вжигания при температуре Твжиг=1070 К в течение 0.5 ч. Образцы поляризовали в полиэтиленсилоксановой жидкости при температуре 410 К в течение 40 мин в постоянном электрическом поле напряженностью 4 кВ/см.
2. Пример изготовления пьезоэлектрического керамического материала.
Материал изготавливался по обычной керамической технологии следующим образом. В качестве исходных реагентов использовались гидрокарбонаты, карбонаты и оксиды следующих квалификаций: NaHCO3 - «чда», KHCO3 - «ч», Nb2O5 - «NbO-PT», Li2CO3 - «хч», Ta2O5 - «TaO-1», Sb2O5 - «хч», NiO - «ч». Синтез осуществлялся путем однократного обжига смесей сырьевых компонентов: NaHCO3, KHCO3, Nb2O5, Li2CO3, Ta2O5, Sb2O5, NiO, взятых в количествах (мас.%, в случае NaHCO3, KHCO3, Li2CO3 в пересчете на соответствующие оксиды): Na2O=8.82; K2O=11.41; Nb2O5=63.02; Li2O=0.32; Ta2O5=11.64; Sb2O5=3.55, NiO=1.24 с промежуточным помолом синтезированного продукта. Температура обжига при синтезе, Тсинт=1223 К, длительность изотермической выдержки, τсинт=5 ч. Спекание образцов в виде столбиков ⌀12 мм, высотой 15-18 мм осуществлялось при Тсп=1413 К, длительность изотермической выдержки, τсп=1.5 ч. Металлизация (нанесение электродов) производилась путем нанесения на плоские поверхности предварительно сошлифованных до толщины 1 мм образцов серебросодержащей пасты и последующего ее вжигания при температуре Твжиг=1070 К в течение 0.5 ч. Образцы поляризовали в полиэтиленсилоксановой жидкости при температуре 410 К в течение 40 мин. в постоянном электрическом поле напряженностью 4 кВ/см.
3. Пример изготовления пьезоэлектрического керамического материала
Материал изготавливался по обычной керамической технологии следующим образом. В качестве исходных реагентов использовались гидрокарбонаты, карбонаты и оксиды следующих квалификаций: NaHCO3 - «чда», KHCO3 - «ч», Nb2O5 - «NbO-PT», Li2CO3 - «хч», Ta2O5 - «TaO-1», Sb2O5 - «хч», NiO - «ч». Синтез осуществлялся путем однократного обжига смесей сырьевых компонентов: NaHCO3, KHCO3, Nb2O5, Li2CO3, Ta2O5, Sb2O5, NiO, взятых в количествах (мас.%, в случае NaHCO3, KHCO3, Li2CO3 в пересчете на соответствующие оксиды): Na2O=8.77; K2O=11.36; Nb2O5=62.71; Li2O=0.32; Ta2O5=11.58; Sb2O5=3.53, NiO=1.73 с промежуточным помолом синтезированного продукта. Температура обжига при синтезе, Тсинт=1203 К, длительность изотермической выдержки, τсинт=5 ч. Спекание образцов в виде столбиков ⌀12 мм, высотой 15-18 мм осуществлялось при Тсп.=1413 K, длительность изотермической выдержки τсп=1.5 ч. Металлизация (нанесение электродов) производилась путем нанесения на плоские поверхности предварительно сошлифованных до толщины 1 мм образцов серебросодержащей пасты и последующего ее вжигания при температуре Твжиг=1070 К в течение 0,5 ч. Образцы поляризовали в полиэтиленсилоксановой жидкости при температуре 410 К в течение 40 мин в постоянном электрическом поле напряженностью 4 кВ/см.
Электрофизические характеристики определяли в соответствии с ОСТ 11.0444-87. Измерялись относительная диэлектрическая проницаемость поляризованных образцов,
В табл.1 приведены основные характеристики материала в зависимости от состава, а в табл.2 приведены основные электрофизические характеристики оптимальных составов предлагаемого материала.
Полученные экспериментальные данные (табл.1, примеры 3-5) свидетельствуют о том, что пьезоэлектрический керамический материал предлагаемого состава обладает оптимальными, с точки зрения решаемой технической задачи, характеристиками в указанном интервале концентраций компонентов, выход за пределы которого приводит к ухудшению параметров.
Данные, приведенные в табл.1-2, подтверждают преимущества предлагаемого пьезоэлектрического керамического материала по сравнению с материалом - прототипом, а именно снижение Qm (почти вдвое) до значений ~70-90 при сохранении достаточно низких значений относительной диэлектрической проницаемости
Эффект снижения Qm достигается, по существу, дополнительным введением в материал, включающий Na2O, K2O, Li2O, оксидов Ta2O5, Sb2O5, Nb2O5, NiO.
Достаточно низкое значение относительной диэлектрической проницаемости
В таблице 3 приведены значения относительной диэлектрической проницаемости,
Достаточно высокие значения Kp (~0.38), d33 (≥140 пКл/Н), g33 (~20 мВ·м/Н),
Высокая анизотропия пьезосвойств (d33/|d31|~3) в сочетании с низкой Qm способствует повышению отношение сигнал/шум и подавлению паразитных резонансов (ложных колебаний), искажающих форму рабочего сигнала и ухудшающих характеристики изготовленных из этого пьезокерамического материала устройств.
Кроме того, снижению Тсп с 1443 К (прототип) до 1413 К (предлагаемый материал) позволяет сохранить стехиометрический состав керамики за счет снижения возможности улетучивания легких малоразмерных катионов Na, Li, а процесс изготовления материала при этом становится менее затратным.
Источники информации
1. EP 1032057 A1, JP 2000042095, C04B 35/00, H01L 41/187, дата публикации 30.08.2000.
2. EP 2113952 A2, JP 2008090331, H01L 41/08, C04B 35/495, H01L 41/187, дата публикации 04.11.2009.
3. Т. Lee, K.W. Kwok, H.L. Li, H.L.W. Chan. Lead-free alkaline niobate-based transducer for ultrasonic wirebonding applications. // Sensor and Actuators A. 2009. №150. P.268.
4. H.L.W. Chan, S.H. Choy, C.P. Chong, H.L. Li, P.C.K. Liu. Bismuth sodium titanate based lead-free ultrasonic transducer for microelectronics wirebonding applications. // Ceramics International 2008. №34. P. 774-775 (Прототип).
5. А.Я. Данцигер, O.H. Разумовская, Л.А. Резниченко и др. Многокомпонентные системы сегнетоэлектрических сложных оксидов: физика, кристаллохимия, технология. Аспекты дизайна пьезоэлектрических материалов. Ростов-на-Дону. Изд-во Рост. Ун-та. 2001. Т.1. - 408 с.
6. Л.А. Резниченко, О.Н. Разумовская, С.И. Дудкина. Аномальное поведение диэлектрической проницаемости в сегнетопьезоэлектрических материалах на основе ЦТС с участием Ni (II) и Cd (II) - содержащих компонентов. // Сб-к трудов Международной научно-практической конференции "Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения" ("Пьезотехника-99"). Ростов-на-Дону, Азов. - 1999. - Т.1. -С 109-123.
7. Носов Ю.Н., Кукаев А.А. Энциклопедия отечественных антенн. Справочное издание. М., 2001, с.49.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ | 2011 |
|
RU2498961C2 |
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ | 2014 |
|
RU2542009C1 |
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ | 2013 |
|
RU2542012C1 |
БЕССВИНЦОВЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ | 2014 |
|
RU2571465C1 |
Высокочастотный пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия | 2020 |
|
RU2751324C1 |
БЕССВИНЦОВЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ | 2014 |
|
RU2580538C1 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ НИОБАТОВ КАЛИЯ-НАТРИЯ | 2014 |
|
RU2555847C1 |
Низкочастотный пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия | 2020 |
|
RU2751323C1 |
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ | 2014 |
|
RU2548278C1 |
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ | 2011 |
|
RU2498959C2 |
Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам. Технический результат изобретения заключается в снижении механической добротности, относительной диэлектрической проницаемости поляризованных образцов, в повышении пьезомодуля, пьезочувствительности, удельной чувствительности, коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний. Пьезоэлектрический керамический материал содержит следующие элементы, мас.%: Na2O 8,77-8,84; K2O 11,36-11,44; Li2O 0,32-0,33; Ta2O5 11,58-11,67; Sb2O5 3,53-3,56; Nb2O5 62,71-63,17; NiO 0,99-1,73. 3 табл., 3 пр.
Пьезоэлектрический керамический материал на основе соединений натрия, калия, лития, включающий Na2O, K2O, Li2O, отличающийся тем, что дополнительно содержит Ta2O5, Sb2O5, Nb2O5, NiO при следующем соотношении компонентов, мас.%:
H.L.W | |||
Chan, S.H | |||
Choy, C.P | |||
Chong, H.L | |||
Li, P.C.K | |||
Liu | |||
Bismuth sodium titanate based lead-free ultrasonic transducer for microelectronics wirebonding applications | |||
Станок для изготовления деревянных ниточных катушек из цилиндрических, снабженных осевым отверстием, заготовок | 1923 |
|
SU2008A1 |
КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ | 1993 |
|
RU2097361C1 |
US 20130162109 A1, 27.06.2013 | |||
KR 100790407 B1, 02.01.2008 | |||
US 20070120446 A1, 31.05.2007 |
Авторы
Даты
2015-02-20—Публикация
2013-12-30—Подача