ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2015 года по МПК C04B35/495 H01L41/187 

Описание патента на изобретение RU2542009C1

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе ниобатов натрия, калия, лития и может быть использовано в высокочастотных ультразвуковых пьезокерамических преобразователях, предназначенных для работы в воздушной среде в качестве излучателей и приемников в системах дистанционного управления, индикаторах близости препятствий, в устройствах для измерения скорости газового потока.

Для указанных применений материал должен обладать низким значением относительной диэлектрической проницаемости поляризованных образцов, ε 33 T / ε 0 , ~ 600, достаточно высокими пьезомодулем d33 (≥150 пКл/Н), пьезочувствительностью, g33, (~30 мВ·м/Н), коэффициентом электромеханической связи планарной моды колебаний, Кр (≥0.50), низкой механической добротностью, QM, (<150).

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобатов натрия, калия, лития, включающий Na2O, К2O, Li2O, Nb2O5, Ta2O5, Sb2O5, CeO2 и MnO2. Состав материала отвечает химической формуле (Na0.475K0.475Li0.05)(Nb0.92Ta0.05, Sb0.03)O3+0.4%СеО2+0.4%MnО2. Материал имеет (для лучших составов) ε 33 T / ε 0 = 1150 , d33=200 пКл/Н, g33=19 пКл/Н, Кр=0.43 [1]. Для указанных применений материал имеет слишком высокое значение ε 33 T / ε 0 и низкую g33.

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобатов натрия, калия, лития, включающий Na2O, К2O, Nb2O5, Ta2O5, Li2O,. Состав материала отвечает химической формуле ((Na0.5K0.5)0.9Li0.1)Nb0.8Ta0.2O3. Материал имеет для лучших составов ε 33 T / ε 0 624 , d33=104 пКл/Н, Kp,=0.307, g33≈11.9 мВм/Н, Qm=273 [2]. Для указанных применений материал имеет низкие значения d33, g33, Кp и высокую Qm.

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобатов натрия, калия, лития, включающий Na2O, К2O, Li2O, Ta2O5, Nb2O5. Состав материала отвечает химической формуле [Li0.055(K0.5Na0.5)0.945](Nb0.99Ta0.01)O3. Материал имеет ε 33 T / ε 0 = 700 , d33=150 пКл/Н, g33=24 пКл/Н, Kр=0.35, Qм=80 [3]. Для указанных применений материал имеет низкие значения Кр, g33 и недостаточно низкую ε 33 T / ε 0 .

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобатов натрия, калия, лития, включающий Na2O, К2O, Li2O, Nb2O5, Ta2O5. Состав материала отвечает химической формуле (Na0.52K0.44Li0.04)Nb0.8Ta0.2O3. Материал имеет для лучших составов ε 33 T / ε 0 750 , g33≈29 мВм/Н, Кр=0.395 [4]. (Прототип) Для указанных применений материал имеет слишком высокую ε 33 T / ε 0 и недостаточно высокие значения Кр.

Задачей изобретения является повышение Кр (до значений ≥0.50), снижение ε 33 T / ε 0 до значений ~ 600, при сохранении высоких значений g33 (~ 30 мВм/Н) и низких значений Qм (<150).

Указанные результаты достигаются тем, что пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобатов натрия, калия, лития, включающий Na2O, К2O, Li2O, Nb2O5, Та2O5, дополнительно содержит Bi2O3, Fe2O3 и Sb2O5 при следующем соотношении компонентов, масс.%:

Na2O 8.61-8.70 К2O 11.15-11.26 Li2O 0.49-0.50 Ta2O5 11.37-11.49 Nb2O5 61.59-62.19 Bi2O3 0.37-1.10 Fe2O3 0.13-0.38 Sb2O5 5.31-5.37

Состав материала отвечает формуле:

LiaKbNacNbdTamSbnO3+z(Bi2O3-Fe2O3), где a=0.04 (в мол.%), b=0.4416 (в мол.%), c=0.5184 (в мол.%), d=0.864 (в мол.%), m=0.096 (в мол.%), n=0.04 (в мол.%), а+b+с=1, d+m+n=1, 0.005≤z≤0.015.

Комбинированное модифицирование материала на основе ниобатов натрия, калия и лития оксидами, содержащими, в том числе, неизовалентные ионы и ионы с переменной валентностью (Fe(II) и Fe(III)), приводит к усложнению структуры материала, в частности, за счет усиления кристаллохимического беспорядка из-за встраивания катионов-модификаторов как в регулярные А- и В-позиции исходного соединения, так и в нерегулярные тетраэдрические позиций, существующие в ниобатных системах [5], и появлению в процессе изготовления материала вакансий, участвующих в массопереносе и диффузионных процессах. Это способствует облегчению фазообразования при синтезе и спекании керамики, повышению технологичности объектов и формированию, как следствие, более совершенной (менее дефектной, однородной, более плотной) структуры, что и приводит к ее ужестчению, то есть к росту Кр и снижению ε 33 T / ε 0 . Присутствие в материале Fe(II) с тетраэдрической координацией [6] (в отличие от Fe(III) - с октаэдрической координацией, свойственной всем перовскитным структурам, к которым относится и наш материал [7]), благоприятствует заполнению нерегулярных тетраэдрических позиций, существующих в ниобатных системах, что приводит к уплотнению материалов. Этому же способствует и образование жидких фаз [8], обусловленное низкой температурой плавления оксида Bi, облегчающих синтез объектов и упрочняющих керамический каркас за счет оказываемого ими цементирующего действия на кристаллиты. Все это также способствует повышению Kр.

Кроме того, высокая поляризуемость Bi(III) способствует повышению степени деформации элементарных ячеек объекта, ее анизотропии, и, как следствие, спонтанной поляризации, что также усиливает пьезоотклики (в частности, Кр) и пьезоанизатропию (d33/|d31|).

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», КНСО3 - «ч», Nb2O5 - «NbO-РТ», Li2CO3 - «хч», Та2O5 - «ТаО-1», Sb2O5 - «хч», Fe2О3 - «ч», Вi2О3 - «ч». Синтез осуществлялся путем однократного обжига смесей сырьевых компонентов: NaHCO3, КНСО3, Nb2O5, Li2CO3, Ta2O5, Sb2O5, Вi2О3, Fe2О3 взятых в количествах (масс.%, в случае NaHCO3, КНСО3, Li2СО3 в пересчете на соответствующие оксиды): Na2O=8.70; К2O=11.26; Nb2O5=62.19; Li2O=0.49; Ta2O5=11.49; Sb2O5=5.37, Bi2O3=0.37, Fe2O3=0.13 с промежуточным помолом синтезированного продукта. Синтез осуществляли в две стадии при температурах: Тсинт.1=1123 К, Тсинт.2 1143 К в течение τсинт.1синт.2=6 часов. Спекание образцов в виде столбиков ⌀12 мм, высотой 15-18 мм осуществлялось при Тсп.=1473 К, длительность изотермической выдержки, τсп=2 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.=1073 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», КНСО3 - «ч», Nb2O5 - «NbO-РТ», Li2CO3 - «хч», Та2O5 - «ТаО-1», Sb2O5 - «хч», Fe2O3 - «ч», Вi2О3 - «ч». Синтез осуществлялся путем однократного обжига смесей сырьевых компонентов: NaHCO3, КНСО3, Nb2O5, Li2СО3, Та2O5, Sb2O5, Вi2О3, Fe2O3 взятых в количествах (масс.%, в случае NaHCO3, КНСО3, Li2СО3 в пересчете на соответствующие оксиды): Na2O=8.66; К2O=11.21; Nb2O5=61.88; Li2O=0.49; Та2O5=11.43; Sb2O5=5.34, Bi2O3=0.74, Fe2O3=0.25 с промежуточным помолом синтезированного продукта. Синтез осуществляли в две стадии при температурах Тсинт.1=1123 К, Тсинт.2 1143 К в течение τсинт.1синт.2=6 часов. Спекание образцов в виде столбиков ⌀12 мм, высотой 15-18 мм осуществлялось при Тсп.=1473 К, длительность изотермической выдержки, τсп.=2 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», КНСО3 - «ч», Nb2O5 - «NbO-РТ», Li2CO3 - «хч», Та2O5 - «ТаО-1», Sb2O5 - «хч», Fe2O3 - «ч», Bi2O3 - «ч». Синтез осуществлялся путем однократного обжига смесей сырьевых компонентов: NaHCO3, KHCO3, Nb2O5, Li2CO3, Ta2O5, Sb2O5, Bi2O3, Fe2O3 взятых в количествах (масс.%, в случае NaHCO3, КНСO3, Li2CO3 в пересчете на соответствующие оксиды): Na2O=8.61; К2O=11.15; Nb2O5=61.59; Li2O=0.49; Ta2O5=11.37; Sb2O5=5.31, Bi2O3=1.10, Fe2O3=0.38 с промежуточным помолом синтезированного продукта. Синтез осуществляли в две стадии при температурах: Тсинт.1=1123 К, Тсинт.2 1143 К в течение τсинт.1синт.2=6 часов. Спекание образцов в виде столбиков ⌀12 мм, высотой 15-18 мм осуществлялось при Тсп.=1473 К, длительность изотермической выдержки, τсп.=2 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, ε 33 T / ε 0 0 - диэлектрическая постоянная), пьезомодули, |d31| и d33, коэффициент электромеханической связи планарной моды колебаний, Кр, механическая добротность, Qm, скорость звука, V 1 E . Пьезомодуль, d33, определяли квазистатическим методом. Измерение экспериментальной плотности образцов, ρэксп, осуществляли методом гидростатического взвешивания в октане. Пьезочувствительность на толщинной моде колебаний, g33, рассчитывали по формуле g 33 = d 33 / ε 33 T ; удельную чувствительность - по формуле d 33 / ε 33 T / ε 0 .

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 повышение Кр до значений ~0.50, снижение ε 33 T / ε 0 до значений ~600 при сохранении высокой g33 ~30 мВ·м/Н и низкой Qм<115.

Эффект повышения Кр достигается, по существу, дополнительным введением в материал, включающий Na2O, К2O, Li2O, Ta2O5, Nb2O5, оксидов Sb2O5, Fe2O3 и Bi2O3.

Низкое значение относительной диэлектрической проницаемости ε 33 T / ε 0 ~600 предлагаемого пьезоэлектрического керамического материала определяет основное его назначение - использование в высокочастотных преобразователях, работающих в диапазоне частот 4.5-5.4 МГц. Это следует, прежде всего, из того, твердые растворы на основе ниобатов щелочных металлов (НЩМ) могут использоваться в качестве резонансных элементов пьезоэлектрических преобразователей в высокочастотных (ВЧ) (3.0-30.0) МГц и очень высокочастотных (ОВЧ) (30.0-300.0) МГц диапазонах. Классификация электромагнитных волн по частотным диапазонам представлена в [9]. При условии согласования преобразователя с нагрузкой (Ri=Rн) (обычно реализуемое в выпускаемой промышленностью радиоэлектронной аппаратуре выходное сопротивление Rн ~50 Ом для высоких частот), используя формулу для емкостного сопротивления преобразователя: Ri=1/ωС, где Ri - емкостное сопротивление преобразователя, Ом; ω - круговая частота, Гц; С - емкость, Ф; - можно приблизительно оценить интервалы значений емкости С=1/2πfRi, для указанных диапазонов частот, а следовательно, и относительной диэлектрической проницаемости поляризованных элементов, ε 33 T / ε 0 = k C , где k - коэффициент, зависящий от размеров элементов, ε0=8.85·10-12 Ф - диэлектрическая проницаемость вакуума; при k=1, ε 33 T / ε 0 = C .

В табл.3 приведены значения относительной диэлектрической проницаемости, ε 33 T / ε 0 , реализуемые в объемных керамических образцах в ВЧ-диапазоне. Там же (∗) приведен комментарий к таблице. Таким образом, при частотах 4.55-5.31 МГц необходимы значения ε 33 T / ε 0 = 600 700 для снижения сопротивления преобразователя, что улучшает его согласование с нагрузкой.

Высокие значения Кр ~0.50, g33 ~30 мВ·м/Н и низкие значения Qм ~115 в сочетании с низким значением относительной диэлектрической проницаемости ε 33 T / ε 0 ~600 предлагаемого пьезоэлектрического керамического материала позволяет использовать его в высокочастотной технике, в частности в ультразвуковых пьезокерамических преобразователях, предназначенных для работы в воздушной среде в качестве излучателей и приемников в системах дистанционного управления, индикаторах близости препятствий, в устройствах для измерения скорости газового потока.

Источники информации

[1]. Tact 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.267-271.

[2]. EP 1032057 A1, JP 2000042095. C04B 35/00, H01L 41/187, дата публикации 30.08.2000.

[3]. Seock N.S., Jeong H.C., Byung I.K., Eung S.K.. Relationships between crystal structure and electrical properties of Li0.055[Agx(K0.5Na0.5)1-x]0.945(Nb1-уТау3 ceramics // Ceramics International 2012. №38. P.327-330.

[4]. Wenlong Yang, Zhongxiang Zhou, Bin Yang, Yongyuan Jiang, Huan Li, Yanbo Pei. Improvement in temperature stability and modified polymorphic phase transition of La-doped (Na0.52K0.44Li0.04)Nb0.8Ta0.2O3 lead-free piezoelectric ceramics. // Materials Letters. 2012. №70. P.146-148.

[5]. Pao Ч.Н.Р., Гопалакришнан Дж. Новые направления в химии твердого тела. (Структура, синтез, свойства, реакционная способность и дизайн материалов). Под ред. ак. Кузнецова А.Ф. Пер. с англ. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние. 1990. - 520 с.

[6]. Нараи-Сабо. И. Неорганическая кристаллохимия. Будапешт. 1969. - 504 с.

[7]. Фесенко Е.Г. Семейство перовскита и сегнетоэлектричество. М.: Атомиздат, 1972. - 248 с.

[8]. Minhong J., Xinyu L., Guohua С. Phase structures and electrical properties of new lead-free Na0.5K0.5NbO3-LiSbO3-BiFeO3 ceramics. // Scripta Materialia. 2009. V.60. P.909-912.

[9]. Носов Ю.Н., Кукаев A.A. Энциклопедия отечественных антенн. Справочное издание. М. 2001. С.49.

Похожие патенты RU2542009C1

название год авторы номер документа
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ 2011
  • Резниченко Лариса Андреевна
  • Разумовская Ольга Николаевна
  • Павленко Анатолий Владимирович
  • Дудкина Светлана Ивановна
  • Вербенко Илья Александрович
  • Павелко Алексей Александрович
RU2498961C2
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ 2013
  • Резниченко Лариса Андреевна
  • Разумовская Ольга Николаевна
  • Павленко Анатолий Владимирович
  • Вербенко Илья Александрович
  • Дудкина Светлана Ивановна
  • Самойлова Виктория Игоревна
RU2542008C1
БЕССВИНЦОВЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ 2014
  • Резниченко Лариса Андреевна
  • Вербенко Илья Александрович
  • Павленко Анатолий Владимирович
  • Дудкина Светлана Ивановна
  • Болдырев Никита Анатольевич
RU2571465C1
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ 2013
  • Резниченко Лариса Андреевна
  • Разумовская Ольга Николаевна
  • Андрюшин Константин Петрович
  • Вербенко Илья Александрович
  • Павленко Анатолий Владимирович
  • Андрюшина Инна Николаевна
  • Дудкина Светлана Ивановна
RU2542012C1
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ 2011
  • Резниченко Лариса Андреевна
  • Вербенко Илья Александрович
  • Садыков Хизир Амирович
  • Дудкина Светлана Ивановна
  • Павленко Анатолий Владимирович
  • Андрюшин Константин Петрович
RU2498959C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ НИОБАТОВ КАЛИЯ-НАТРИЯ 2014
  • Смотраков Валерий Георгиевич
  • Еремкин Владимир Васильевич
  • Корчагин Владимир Иванович
RU2555847C1
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ 2014
  • Резниченко Лариса Андреевна
  • Вербенко Илья Александрович
  • Таланов Михаил Валерьевич
  • Садыков Хизир Амирович
  • Абубакаров Абу Геланиевич
  • Дудкина Светлана Ивановна
  • Шилкина Лидия Александровна
RU2548278C1
Высокочастотный пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия 2020
  • Резниченко Лариса Андреевна
  • Андрюшин Константин Петрович
  • Глазунова Екатерина Викторовна
  • Андрюшина Инна Николаевна
  • Дудкина Светлана Ивановна
  • Вербенко Илья Александрович
RU2751324C1
БЕССВИНЦОВЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ 2014
  • Резниченко Лариса Андреевна
  • Вербенко Илья Александрович
  • Павленко Анатолий Владимирович
  • Марков Антон Вадимович
  • Самойлова Виктория Игоревна
RU2580538C1
Низкочастотный пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия 2020
  • Резниченко Лариса Андреевна
  • Андрюшин Константин Петрович
  • Глазунова Екатерина Викторовна
  • Дудкина Светлана Ивановна
  • Андрюшина Инна Николаевна
  • Вербенко Илья Александрович
RU2751323C1

Реферат патента 2015 года ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам. Технический результат изобретения заключается в повышении коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний, снижении относительной диэлектрической проницаемости. Пьезоэлектрический керамический материал содержит следующие компоненты, мас.%: Na2O 8,61-8,70; К2O 11,15-11,26; Li2O 0,49-0,50; Та2O5 11,37-11,49; Nb2O3 61,59-62,19; Bi2O3 0,37-1,10; Fe2O3 0,13-0,38; Sb2O5 5,31-5,37. 3 пр., 3 табл.

Формула изобретения RU 2 542 009 C1

Пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, калия, лития, включающий Na2O, К2O, Li2O, Ta2O5, Nb2O5, отличающийся тем, что дополнительно содержит Вi2O3, Fe2O3 и Sb2O5 при следующем соотношении компонентов, масс.%:
Na2O 8.61-8.70 К2O 11.15-11.26 Li2O 0.49-0.50 Та2O5 11.37-11.49 Nb2O3 61.59-62.19 Bi2O3 0.37-1.10 Fe2O3 0.13-0.38 Sb2O5 5.31-5.37

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2015 года RU2542009C1

Wenlong Yang, Zhongxiang Zhou, Bin Yang, Yongyuan Jiang, Huan Li, Yanbo Pei
Improvement in temperature stability and modified polymorphic phase transition of La-doped (Na0.52K0.44Li0.04)Nb0.8Ta0.2O3 lead-free piezoelectric ceramics, Materials Letters, 2012
Деревянный торцевой шкив 1922
  • Красин Г.Б.
SU70A1
Приспособление, увеличивающее число оборотов движущихся колес паровоза 1919
  • Козляков Н.Ф.
SU146A1
RU 93016396 A, 20.07.1995
US 2007120446 A1, 31.05.2007
KR 20130029476 A, 25.03.2013
US 2013162109 A1, 27.06.2013

RU 2 542 009 C1

Авторы

Резниченко Лариса Андреевна

Вербенко Илья Александрович

Абубакаров Абу Геланиевич

Дудкина Светлана Ивановна

Павленко Анатолий Владимирович

Даты

2015-02-20Публикация

2014-01-09Подача