ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2017 года по МПК C04B35/491 

Изобретение относится к области сегнетомягких пьезокерамических материалов, предназначенных для ультразвуковых устройств, работающих в режиме приема, различных пьезодатчиков.

Одним из важных параметров сегнетомягких пьезоэлектрических материалов является повышенная чувствительность к механическому напряжению, которая характеризуется пьезокерамическим коэффициентом g_ij.

Для этого типа пьезокерамических материалов присущи высокие значения пьезомодулей и коэффициента электромеханической связи при среднем значении относительной диэлектрической проницаемости.

К таким материалам системы цирконата титаната свинца (ЦТС), из зарубежных относятся PZT-5A (США) [Каталог фирмы «Uerizon», США], АС-900 (Япония) [Каталог фирмы «Hayashc» chemical Jndustzy Co. LTD. Япония] и др. Отечественные пьезокерамические материалы такого класса представляют ЦТС-19, ЦТС-26 [Материалы пьезокерамические. Технические условия. Отраслевой стандарт ОСТ 110444-87, М., 1987, стр. 16] и др. Относительно высокая температура точки Кюри сегнетомягких пьезокерамических материалов обеспечивает широкий интервал рабочих температур.

В таблице 1 приведены основные электрофизические параметры известных пьезокерамических материалов. Как видно из таблицы 1, все материалы данного класса имеют довольно близкие значения пьезомодулей, тангенса утла диэлектрических потерь в слабом поле, относительной диэлектрической проницаемости, коэффициента электромеханической связи Кр и пьезоэлектрической чувствительности g_ij.

Наиболее близким к заявляемому сегнетомягкому материалу по химической композиции и пьезосвойствам является принимаемый за прототип пьезокерамический материал, включающий оксиды свинца, циркония, титана, стронция, вольфрама, висмута, никеля, кадмия и германия при следующем соотношении компонентов, мас. % [Патент РФ №2514353, МПК С04В 35/491, опубл. 27.04.2014 г.]:

PbO 62,90÷64,08 ZrO₂ 18,96÷20,10 ТiO₂ 10,85÷11,63 SrO 1,53÷2,64 WO₃ 0,34÷0,62 Bi₂O₃ 1,01÷1,86 Ni₂O₃ 0,08÷0,23 CdO 0,59÷1,18 GeO₂ 0,2÷1,0

Однако известный материал уступает отечественным и зарубежным материалам, по величине температуры точки Кюри, что снижает верхний предел рабочей температуры эксплуатации и ухудшает термостабильность свойств. Кроме этого материал имеет недостаточно высокие значения пьезомодулей d₃₁ и d₃₃.

Как известно, улучшить свойства пьезокерамики системы ЦТС можно путем введения различных модифицирующих добавок [Гринева Л.Д., Фесенко Е.Г. Классификация модификаторов системы титанат-цирконат свинца С5 «Кристаллизация и свойства кристаллов», Новочеркасск, 1974, стр. 99-107]. Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в создании сегнетомягкого пьезоэлектрического материала с улучшенными основными электрофизическими параметрами. Поставленная задача решается в пьезокерамическом материале, включающем оксиды свинца, циркония, титана, стронция, висмута и дополнительного содержащем оксиды гадолиния и эрбия при следующем соотношении компонентов, мас. %:

PbO 64,05÷66,84 ZrO₂ 19,11÷19,60 ТiO₂ 10,92÷11,20 SrO 1,54÷2,15 Bi₂O₃ 0,72÷1,57 Gd₂O₃ 0,69÷1,18 Er₂O₃ 0,18÷0,25

Таким образом, отличительными признаками изобретения являются то, что в сегнетомягкий материал дополнительно введены оксиды гадолиния и эрбия. Введение оксида гадолиния позволяет повысить пьезочувствительность и пьезомодуль материала, уменьшить тангенс угла диэлектрических потерь. Оксид эрбия повышает коэффициент электромеханической связи.

Перечисленная совокупность отличительных признаков позволяет достичь технического результата, заключающегося в создании сегнетомягкого пьезокерамического материала с улучшенными основными электрофизическими параметрами, обладающего повышенной пьезочувствительностью g₃₁=11,8-11,9 мВ⋅м/Н, g₃₃=26,9-27,4 мВ⋅м/Н, повышенным пьезомодулем d₃₁=220-225⋅10^-12 Кл/Н и d₃₃=510-518⋅10^-12 Кл/Н; повышенным коэффициентом электромеханической связи Кр=0,63-0,64; пониженным тангенсом утла диэлектрических потерь tgδ=1,6-1,7%.

ПРИМЕР:

Предлагаемый материал согласно формуле изготавливается по обычной «керамической» технологии. Для сравнения изготавливался материал по прототипу.

В качестве исходных компонентов предлагаемого сегнетомягкого материала использовались оксиды: PbO - глет свинцовый марки «Г-2», TiO₂, ZrO₂, SrCO₃, Bi₂O₃, Gd₂O₃, Er₂O₃ квалификации «хч». Смешение компонентов производилось мокрым измельчением в планетарной мельнице с шарами из оксида циркония в течение 180 минут, после сушки шихта подвергалась температурной обработке при Т=800°С в течение 2 часов, после чего синтезированный материал подвергался помолу в планетарной мельнице с шарами из оксида циркония в течение 180 минут до дисперсности S_уд=550 м²/кг на приборе ПСХ-4.

Аттестация качества синтезированного материала осуществлялась на отпрессованных при давлении Р_уд=100 МПа стандартных образцах размером 25×3 мм. Спекание этих образцов проводили при температуре Т=1170-1180°С в течение 4 часов в засыпке, обеспечивающей атмосферу паров окиси свинца. На отшлифованные по толщине и диаметру образцы до размера 20×1 мм наносили серебряную пасту, которую вжигали при температуре 820°С. Образцы поляризовали в воздушной среде при Т=250°С в постоянном электрическом поле напряженностью 2 кВ/мм. Определение электрофизических параметров проводилось в соответствии с [Материалы пьезокерамические. Технические условия. Отраслевой стандарт ОСТ 110444-87, М., 1987, стр. 16].

В таблице 2 приведены основные электрофизические характеристики предлагаемого материала в зависимости от состава, полученные усреднением измерений характеристик 10 образцов с каждой партии. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что предлагаемый сегнетомягкий пьезоэлектрический материал обладает оптимальными, с точки зрения решаемой задачи, характеристиками в интервале величин компонентов, указанных в формуле изобретения (составы №3-5 табл. 2). В сравнении с пьезокерамическими материалами ЦТС-19 и PZT-5A (табл. 1 и 2), полученный материал имеет более высокие значения g₃₁, g₃₃, d₃₁, d₃₃ и Кp, в то же время материал этого класса согласно прототипу имеет существенно более низкую температуру точки Кюри, что ведет к уменьшению интервала рабочих температур использования пьезоматериала.

Изобретение относится к области сегнетомягких пьезокерамических материалов, предназначенных для ультразвуковых устройств, работающих в режиме приема, различных пьезодатчиков, а также для устройств монолитного типа, таких как многослойные пьезоэлектрические актюаторы. Материал, включающий оксиды свинца, циркония, титана, стронция и висмута, дополнительно содержит оксиды гадолиния и эрбия при следующем соотношении компонентов, мас.%: РbO 64,05÷66,84; ZrO₂ 19,11÷19,60; ТiO₂ 10,92÷11,20; SrO 1,54÷2,15; Bi₂O₃ 0,72÷1,57; Gd₂O₃ 0,69÷1,18; Er₂O₃ 0,18÷0,25. Технический результат заключается в получении пьезокерамического материала с улучшенными электрофизическими параметрами: повышенной пьезочувствительностью g₃₁=11,8-11,9 мВ⋅м/Н, g₃₃=26,9-27,4 мВ⋅м/Н, повышенным пьезомодулем d₃₁=220-225⋅10^-12 Кл/Н и d₃₃=510-518⋅10^-12 Кл/Н; повышенным коэффициентом электромеханической связи Кр=0,63-0,64; пониженным тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ=1,6-1,7%. 1 пр., 2 табл.

Пьезокерамический материал, включающий оксиды свинца, циркония, титана, стронция, висмута, отличающийся тем, что дополнительно содержит оксиды гадолиния и эрбия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

PbO 64,05÷66,84 ZrO₂ 19,11÷19,60 TiO₂ 10,92÷11,20 SrO 1,54÷2,15 Bi₂O₃ 0,72÷1,57 Gd₂O₃ 0,69÷1,18 Er₂O₃ 0,18÷0,25