Способ получения пористого композиционного пьезоэлектрического материала Российский патент 2025 года по МПК H10N30/00 C04B35/491 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу получения пористого композиционного пьезоэлектрического материала на основе цирконатов и титанатов свинца и может быть использовано для создания устройств пьезотехники, в частности, широкополосных ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей, работающих в диапазоне частот от 100 кГц до 10 МГц.

Преимуществами пьезокомпозитов и пористых пьезокерамик являются высокие значения коэффициентов электромеханической связи, низкий акустический импеданс, хорошее согласование с водой или биологическими тканями, а также сочетание широкой полосы пропускания с высокой электромеханической активностью.

Уровень техники

За последние годы были достигнуты значительные успехи в улучшении механических свойств керамики с использованием технологии керамоматричных композитов (КМК). Разработаны многочисленные способы, основанные на включении функциональной керамики в конструкционную и наоборот, а также разработаны новые конструктивные идеи в области функциональной сегнетоэлектрической керамики [1].

В отличие от структурных, функциональные КМК изучены в гораздо меньшей степени, и их применение в электронной промышленности в настоящее время весьма ограничено. В последние несколько лет в области функциональных КМК были разработаны новые концепции дизайна и керамические композиции КМК [2]. Основной проблемой при разработке пьезоактивных КМК является компромисс между механическими и функциональными свойствами, в частности ухудшение таких важных параметров, как пьезоэлектрические и электромеханические характеристики.

Одним из классов пьезоэлектрических композиционных материалов является пористые пьезокерамики и керамоматричные композиты со связностью 3-3, 3-0 на их основе. Электрофизические свойства пористой пьезокерамики определяются свойствами пьезоматериала, пористостью, типом связности, формой и размером пор. В сравнении с беспористой керамикой цирконата-титаната свинца (ЦТС) для пористой пьезокерамики характерны пониженные значения акустического импеданса Z_A, механической добротности Q_M, поперечного пьезомодуля d₃₁ и коэффициентов электромеханической связи k₃₁ и k_p при практически неизменном значении пьезомодуля d₃₃, и повышенные значения коэффициента электромеханической связи k_t, продольной и объемной пьезочувствительностей (g₃₃ и g_V), объемного пьезомодуля d_V = d₃₃ + 2d₃₁ и фактора приема (d_V, g_V). Поэтому пористые пьезокерамики успешно используют в акустических приемниках, гидрофонах, датчиках давления и ультразвуковых преобразователях (Recent Advances in Porous Piezoceramics Applications / A. N. Rybyanets, D. I. Makarev, N. A. Shvetsova // Ferroelectrics.-2019.-Vol. 539, No 1.-P. 101-111) [3].

Известны следующие способы получения пористой пьезокерамики, описанные в обзоре (Porous piezoceramics: theory, technology, and properties / A. N. Rybyanets // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control.-2011.-V. 58.-No 7.-P. 1492-1507) [4]:

1. Способ выжигания полимерных гранул (BURPS-burning out of plastic spheres). Порошок ЦТС и полимерные гранулы смешиваются с органическим связующим и прессуются в виде элементов необходимой формы. Полимерные гранулы выжигаются вместе со связующим при низкой температуре, после чего керамика спекается. Пористость образца легко варьируется размером и количеством полимерных гранул и может достигать 70%.

2. Способ, основанный на использовании растворимых в воде гранул. Порошок ЦТС смешивается с растворимыми в воде гранулами и органическим связующим и формуется в виде необходимых элементов. Гранулы вымываются из пресс-заготовки водой, после чего керамика спекается.

3. Способ полимерной пены. Суспензия, состоящая из порошка ЦТС, смешанного с водой, приводится в реакцию с полимерным вспенивающим агентом для образования пористой заготовки, которая медленно сушится. Затем полимер выжигается, а керамика спекается. Этот метод позволяет получать керамические каркасы с пористостью до 95%.

4. Криохимический способ, заключающийся в быстром замораживании смеси растворов солей с последующим удалением влаги сублимацией в вакууме и термическим разложением солевого продукта. Этот метод позволяет получать высокопористые керамические каркасы, состоящие из частиц размером 5-7 мкм с пористостью до 95%.

5. Способы, основанные на термическом разложении гидроксидов, карбонатов, нитратов или оксалатов, органических соединений, а также химическом травлении и активации углерода.

Известен также способ изготовления пористого пьезоэлектрического керамического материала, в котором с целью повышения воспроизводимости свойств порошок пьезокерамического материала смешивают с порошком порообразователя-карбоната лития в количестве 1-10 вес. %, добавляют поливиниловый пластификатор, прессуют заготовки и подвергают термообработке для выжигания порообразователя с последующим спеканием керамики (JP1089486 (A), HO1L 41/22, HO1L 41/24, C04B 38/02, 1985-04-03) [5]. При выжигании карбонат лития разлагается с выделением двуокиси углерода. Однако оставшийся литий вступает в реакцию с компонентами керамики с образованием локальных неравномерно расположенных легированных областей, что изменяет свойства пьезокерамики неконтролируемым образом. Малое количество порообразователя не позволяет получить микропористую керамику с пористостью выше 10%, что ограничивет возможность улучшения электрофизических параметров пьезокерамики и применения в устройствах с рабочей частотой выше 5 МГц.

Модификацией описанного выше способа является способ изготовления пористой пьезоэлектрической керамики с градиентной пористостью 3-50% (CN1953226 (A), HO1L 41/187, C04B 35/622, 2007-04-25) [6], заключающийся в формировании 3-5 слоев пористой керамики толщиной 0.2-0.5 мм с различным содержанием органического порообразователя 0-50%. Увеличение пористости по толщине образца позволяет уменьшить акустический импеданс пористого ультразвукового преобразователя для акустического согласования с биологическими тканями или водой. Однако описанный способ не пригоден для массового производства и не позволяет получать тонкие (менее 1 мм) пьезоэлементы для высокочастотных ультразвуковых преобразователей.

Известен также способ изготовления пористой пьезоэлектрической керамики, основанный на термическом разложении органических соединений (JP № 4024971 (A), HO1L 41/24, 1992-01-28) [7]. С целью предотвращения образования трещин при спекании керамики, синтезированный порошок пьезокерамики PZT смешивают с порообразователем в виде порошка сферических частиц парафина диаметром 900 мкм в количестве 10-20 вес. % с последующим выжиганием и спеканием пористой керамики. В результате получают крупнопористую структуру керамики с закрытой пористостью (связность 3-0) для низкочастотных ультразвуковых преобразователей. Малое количество порообразователя не позволяет получить микропористую керамику с относительной пористостью выше 10%, что ограничивает возможность улучшения электрофизических параметров пьезокерамики и применения в широкополосных устройствах с рабочей частотой от 1 кГц до 2 МГц. Увеличение количества порообразователя и уменьшение размера сферических частиц порошка парафина приводит к слипанию частиц, неравномерному распределению пор, образованию сквозных отверстий и невозможности получения пьезоматериала.

Известен также способ получения композиционного пьезоматериала [8], заключающийся в использовании в качестве порообразователя порошка кристаллического корунда (α-Al₂O₃) (RU 2623693 С2, HO1L 41/20, 2015-03-12). Способ осуществляется следующим образом. В исходный синтезированный порошок пьезокерамики цирконата-титаната свинца PbTi_0.6Zr_0.336W_0.006Mn_0.0233Nb_0.0347O₃ добавляют порообразователь в виде порошка кристаллического корунда (α-Al₂O₃) со средним размером частиц 150 мкм в количестве 10-20 об. % и смешивают в шаровой мельнице в течение 12 часов для получения однородной массы. После приготовления шихты, формования с добавлением пластификатора и обжиге заготовок в муфельной печи получают пористый пьезокерамический материал. При спекании заготовок композиционного материала безусадочная фаза (частицы α-Al₂O₃) препятствует усадке исходного синтезированного пьезокерамического материала, что приводит к появлению микропористости за счет микроразрывов сплошной керамической матрицы. В результате получают микропористый композиционный пьезоматериал с размером пор 1-5 мкм и пористостью 15-20%. Присутствие частиц α-Al₂O₃ в микропористом композиционном материале обеспечивает дополнительное рассеяние высокочастотного ультразвука на частицах α-Al₂O₃, обладающих высоким акустическим контрастом, приводящее к снижению механической добротности Q_M и, следовательно, расширению рабочей полосы пропускания ультразвуковых преобразователей.

Однако присутствие в пьезокерамической матрице непьезоэлектрической фазы (частицы α-Al₂O₃) в количестве 10-20 об. % приводит к существенной деградации пьезоэлектрических свойств композиционного материала. Кроме того, частотный диапазон применения композита ограничен 5 МГц из-за крупного размера частиц α-Al₂O₃.

Известен также способ изготовления микропористого композиционного пьезоматериала с пористостью выше 15% и размером пор 1-3 мкм с улучшенными относительно исходного пьезокерамического материала электромеханическими характеристиками (RU2713835C1, C04B 35/491, C04B 38/00, H01L 41/187, 2020-07-02) [9], который заключается в введении в шихту пьезокерамического порошка кристаллического ниобата лития (LiNbO₃), препятствующего усадке пьезокерамической матрицы при спекании, и приводящей к формированию микропористой матрицы с включениями пьезоэлектрических частиц LiNbO₃, улучшающих электромеханические свойства и снижающих механическую добротность композита.

Недостатком указанного способа является ухудшение пьезоэлектрических свойств, связанное с низкой пьезоэлектрической активностью и случайной ориентацией монокристаллов ниобата лития в керамической матрице.

Наиболее близким по способу формирования пористого керамического каркаса и достигаемому результату к заявляемому изобретению является способ получения композиционного пьезоматериала, заключающийся в использовании в качестве порошка порообразователя предварительно спеченного исходного пьезокерамического материала (RU № 2414017 C1, HO1L 41/24, 2011-03-10) [10], принимаемый за прототип.

Способ осуществляется следующим образом. В исходный синтезированный порошок пьезокерамики цирконата-титаната свинца Pb_0.95Sr_0.05Ti_0.47Zr_0.53О₃ + 1% Nb₂O₅ добавляют порообразователь в виде порошка предварительно спеченного пьезокерамического материала этого же состава с размером частиц 10-20 мкм в количестве 40-60 вес. %. После приготовления шихты, формования с добавлением пластификатора и обжига заготовок в муфельной печи получают микропористый композиционный пьезоматериал с размером пор 1-5 мкм и пористостью 15-20%.

При спекании заготовок композиционного материала безусадочная фаза (частицы предварительно спеченного пьезоматериала) препятствует усадке исходного синтезированного пьезокерамического материала, что приводит к появлению микропористости за счет микроразрывов сплошной керамической матрицы. При содержании спеченных гранул менее 40 вес. % результирующая пористость композиционного материала составляет менее 10%, что не обеспечивает достаточного понижения механической добротности и поперечных пьезоэлектрических и электромеханических коэффициентов. При увеличении содержания спеченных гранул выше 60 вес. % пьезоэлектрические и электромеханические характеристики пористого композиционного материала ухудшаются. Содержание спеченных гранул в микропористом композиционном материале в количестве 40-60 масс. % обеспечивает дополнительное рассеяние высокочастотного ультразвука на плотных гранулах на частотах 10-20 МГц, приводящее к снижению механической добротности Q_М до 20-40 и, следовательно, расширению рабочей полосы пропускания ультразвукового преобразователя.

Однако такое снижение механической добротности Q_М является недостаточным даже для высокочастотных колебаний, а для низкочастотных преобразователей не наблюдается в принципе из-за большого отношения длин волн к размеру спеченных гранул и низкого акустического контраста (спеченные гранулы и керамическая матрица имеют одинаковый химический состав, плотность и упругие свойства). Кроме того, указанный способ не позволяет повысить пьезоэлектрические и электромеханические свойства исходного пьезокерамического материала из-за использования в качестве порошка порообразователя предварительно спеченного исходного пьезокерамического материала.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание способа получения пористого композиционного пьезоматериала для широкополосных ультразвуковых преобразователей, работающих в диапазоне частот от 100 кГц до 10 МГц.

Задача решена с достижением нового технического результата-повышения пьезоэлектрического модуля d₃₃ пористого композиционного материала за счет формирования пьезоэлектрических кластеров, образованных частицами порообразователя в матрице исходного пьезокерамического материала в направлении остаточной поляризации пьезоэлемента, и формирования пористой керамической матрицы, возникающей из-за разницы коэффициентов усадки керамической матрицы и частиц порообразователя при спекании композиционного пьезоматериала с размером пор 1-5 мкм и пористостью 15-20%.

Для этого в качестве порошка порообразователя использован предварительно спеченный пьезокерамический материал с отличным от исходного материала химическим составом и более высоким пьезоэлектрическим модулем d₃₃.

Указанный технический результат достигается тем, что способ получения пористого композиционного пьезоэлектрического материала заключается в смешивании синтезированного порошка исходного пьезокерамического материала из цирконата-титаната свинца (ЦТС) состава Pb_0.95Sr_0.05Ti_0.47Zr_0.53О₃ + 1 масс. % Nb₂O₅ с порошком порообразователя, в качестве которого используют предварительно спеченный и размолотый пьезокерамический материал ЦТС состава Pb_0.96Sr_0.04Zr_0.4042Ti_0.435W_0.052Mg_0.052Sb_0.0426Li_0.0142O₃ с размером частиц 50-100 мкм в количестве 35-50 об. %, добавлении поливинилового пластификатора, прессовании и спекании заготовки.

В предпочтительном варианте выполнения:

- пьезокерамический материал порообразователя состава синтезируют из оксидов методом твердофазной реакции при температуре 890°С в течение 6 часов;

- синтезированный пьезокерамический материал порообразователя предварительно спекают при температуре 1200°С в течение 2 часов;

- спекание заготовки композиционного пьезоэлектрического материала проводят при температуре 1220°С в течение 2 часов.

Указанное количество порообразователя превышает порог пьезоэлектрической перколяции (содержание наполнителя в матрице статистической смеси, равное 1/3) и обеспечивает повышение пьезоэлектрического модуля d₃₃ за счет формирования кластеров частиц предварительно спеченного пьезокерамического материала в направлении остаточной поляризации пьезоэлемента.

Исходный материал-пьезокерамический материал состава Pb_0.95Sr_0.05Ti_0.47Zr_0.53О₃ + 1 масс. % Nb₂O₅ принадлежит тетрагональной границе области морфотропного фазового перехода и характеризутся следующими основными параметрами: пьезомодуль d₃₃ = 360 пКл/Н, относительная диэлектрическая проницаемость ε₃₃^T/ε₀ = 1600, коэффициент электромеханической связи k_t = 0.51.

Материал порообразователя-пьезокерамический материал Pb_0.96Sr_0.04Zr_0.4042Ti_0.435W_0.052Mg_0.052Sb_0.0426Li_0.0142O₃ принадлежит ромбоэдрической границе области морфотропного фазового перехода и характеризуется следующими основными параметрами: пьезомодуль d₃₃ = 760 пКл/Н, относительная диэлектрическая проницаемость ε₃₃^T/ε₀ = 5000, коэффициент электромеханической связи k_t = 0.52. При этом отличие значений d₃₃ исходного материала и материала порообразователя достигает 400 пКл/Н.

Частицы предварительно спеченного пьезокерамического материала, прошедшие термообработку при температуре спекания, не усаживаются при повторном спекании и представляют собой пьезоактивную безусадочную фазу композита. При спекании заготовок композиционного материала безусадочная фаза препятствует усадке исходного синтезированного пьезокерамического материала, что приводит к появлению микропористости за счет микроразрывов сплошной керамической матрицы. В результате получают заявленный пористый композиционный пьезоматериал, который характеризуется хаотическим распределением частиц порообразователя неправильной формы в матрице исходного пьезокерамического материала, формирующих пьезоэлектрические кластеры в направлении остаточной поляризации пьезоэлемента и видимой пористостью керамической матрицы, возникающей из-за разницы коэффициентов усадки керамической матрицы и частиц наполнителя при спекании композиционного пьезоматериала с размером пор 1-5 мкм и пористостью 15-20%.

Краткое описание чертежей и таблицы

На фиг. 1 приведена оптическая фотография микроструктуры композиционного пьезоматериала, полученного заявляемым способом, с концентрацией частиц предварительно спеченного пьезокерамического материала, равной 47 об. %, где 1-частица спеченного пьезоматериала состава Pb_0.96Sr_0.04Zr_0.4042Ti_0.435W_0.052Mg_0.052Sb_0.0426Li_0.0142O₃, 2-микропористая керамическая матрица состава Pb_0.95Sr_0.05Ti_0.47Zr_0.53O₃ + 1 масс. % Nb₂O₅, 3-микропора.

На фиг. 2 приведена зависимость коэффициента усадки К_ус.^диам. по диаметру образца пористого композиционного пьезоматериала, полученного заявляемым способом, от объемного содержания V частиц порообразователя состава Pb_0.96Sr_0.04Zr_0.4042Ti_0.435W_0.052Mg_0.052Sb_0.0426Li_0.0142O₃ размером 50-100 мкм для образцов композиционного пьезоматериала цилиндрической формы, спеченных в одинаковом режиме.

На фиг. 3 приведены зависимости измеренной плотности ρ^{экспер.} и относительной пористости P% композиционного пьезоматериала от объемного содержания, в V частиц порообразователя состава Pb_0.96Sr_0.04Zr_0.4042Ti_0.435W_0.052Mg_0.052Sb_0.0426Li_0.0142O₃ размером 50-100 мкм для образцов композиционного пьезоматериала цилиндрической формы, спеченных в одинаковом режиме.

На фиг. 4 приведена зависимость пьезомодуля d₃₃ композиционного пьезоматериала от объемного содержания V частиц порообразователя состава Pb_0.96Sr_0.04Zr_0.4042Ti_0.435W_0.052Mg_0.052Sb_0.0426Li_0.0142O₃ размером 50-100 мкм для образцов композиционного пьезоматериала цилиндрической формы, спеченных в одинаковом режиме.

В таблице приведены электрофизические параметры пористого композиционного пьезоматериала, полученного заявляемым способом, при различном объёмном содержании предварительно спеченных частиц порообразователя состава Pb_0.96Sr_0.04Zr_0.4042Ti_0.435W_0.052Mg_0.052Sb_0.0426Li_0.0142O₃.

Осуществление изобретения

Способ осуществляется следующим образом.

Из синтезированного порошка пьезокерамики состава Pb_0.96Sr_0.04Zr_0.4042Ti_0.435W_0.052Mg_0.052Sb_0.0426Li_0.0142O₃ по обычной керамической технологии изготавливают керамические заготовки диаметром 20 мм и толщиной 20 мм. Заготовки спекают при температуре 1200°С в муфельной печи. Спеченные заготовки размалывают в шаровой мельнице и калибруют с помощью набора сит до размера 50-100 мкм. В исходный синтезированный порошок пьезокерамики цирконата-титаната свинца состава Pb_0.95Sr_0.05Ti_0.47Zr_0.53O+1 масс. % Nb₂O₅ добавляют порообразователь в виде измельченных частиц размером 50-100 мкм спеченной пьезокерамики состава Pb_0.96Sr_0.04Zr_0.4042Ti_0.435W_0.052Mg_0.052Sb_0.0426Li_0.0142O₃ с содержанием 35-50 об. % и смешивают в шаровой мельнице в течение 2 часов для получения однородной массы. К полученной шихте добавляют 5% пятипроцентного водного раствора поливинилового пластификатора, тщательно перемешивают и формуют в металлической прессформе под давлением 800 кг/см². Затем полученные заготовки спекают при температуре 1220°С в течение 2 часов в муфельной печи в режиме, исключающем растрескивание материала, вызванное разницей коэффициентов усадки и термического расширения компонентов композита. Частицы предварительно спеченного пьезокерамического материала, прошедшие термообработку при температуре спекания, не усаживаются при повторном спекании и представляют собой пьезоактивную безусадочную фазу композита. При спекании заготовок композиционного материала безусадочная фаза препятствует усадке исходного синтезированного пьезокерамического материала, что приводит к появлению пористости за счет микроразрывов сплошной керамической матрицы. В результате получают заявленный пористый композиционный пьезоматериал, который характеризуется хаотическим распределением частиц порообразователя неправильной формы в матрице исходного пьезокерамического материала, формирующих пьезоэлектрические кластеры в направлении остаточной поляризации пьезоэлемента и видимой пористостью керамической матрицы, возникающей из-за разницы коэффициентов усадки керамической матрицы и частиц наполнителя при спекании композиционного пьезоматериала с размером пор 1-5 мкм и пористостью 15-20%.

Затем из полученного материала изготавливаются диски диаметром 20 мм и толщиной 1 мм для измерений электрофизических параметров. На основные поверхности дисков наносятся электроды методом вжигания серебросодержащей пасты. Диски поляризуются на воздухе путем приложения к электродам постоянного электрического поля 1 кВ/мм при температуре 340°С и охлаждением под полем до комнатной температуры. Измерения электрофизических параметров, коэффициента усадки, плотности и относительной пористости пористого композиционного пьезоматериала проводятся стандартными методами в соответствии с ОСТ 11 0444-87. Материалы пьезокерамические. Технические условия [11].

Как видно из фиг. 1, полученный пористый композиционный пьезоматериал представляет собой композиционную структуру с керамической матрицей 1 со связностью 3-0, содержащую частицы спеченного пьезоматериала 2 размером 50-100 мкм и микропоры 3 размером 1-5 мкм, равномерно распределенные в керамической матрице 1.

Как видно из фиг. 2, коэффициент усадки пористого композиционного материала К_ус.^диам. быстро уменьшается с 1.13 до 1.04 с увеличением концентрации частиц предварительно спеченного пьезоматериала от 0 до 50 об. %, что обусловлено увеличением концентрации безусадочной фазы (частицы предварительно спеченного пьезоматериала) в керамической матрице.

Как видно из фиг. 3, измеренная плотность ρ пористого композиционного пьезоматериала уменьшается от 7.6 г/см³ до 6.4 г/см³, а относительная пористость P% быстро растет от 0 до 20% при увеличении концентрации частиц предварительно спеченного пьезоматериала от 0 до 50 об. %, что обусловлено уменьшением коэффициента усадки (фиг. 2), приводящим к микроразрывам керамической матрицы и образованию микропор.

Как следует из таблицы, полученный пористый композиционный пьезоматериал с содержанием частиц предварительно спеченного пьезоматериала 35-50 об. % имеет относительную пористость закрытого типа 14-18%, высокие значения коэффициента электромеханической связи толщинной моды колебаний k_t, пониженные значения коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний k_p, поперечного пьезомодуля d₃₁ и механической добротности Q_M при экстремально высоком значении продольного пьезоэлектрического модуля d₃₃ = 760 пКл/Н, что необходимо для создания пьезоустройств и широкополосных ультразвуковых преобразователей с высокой эффективностью, чувствительностью и разрешающей способностью, работающих в диапазоне частот от 100 кГц до 10 МГц.

Заявленное количество порообразователя превышает порог пьезоэлектрической перколяции (содержание наполнителя в матрице статистической смеси равное 1/3) и обеспечивает повышение пьезоэлектрического модуля d₃₃ до значения пьезомодуля материала порообразователя за счет формирования кластеров частиц предварительно спеченного пьезокерамического материала в направлении остаточной поляризации пьезоэлемента. Содержание частиц предварительно спеченного пьезокерамического материала в пористом композиционном материале в количестве 35-50 об. % обеспечивает снижение поперечного пьезоэлектрического модуля d₃₁ и коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний k_p, а также дополнительное рассеяние высокочастотного ультразвука на плотных частицах с размерами 50-100 мкм, приводящее к снижению механической добротности Q_М до 20, снижению уровня паразитных колебаний и расширению рабочей полосы пропускания ультразвукового преобразователя.

В таблице приведены электрофизические параметры пористого композиционного пьезоматериала, полученного заявляемым способом, при различном объемном содержании предварительно спеченных частиц порообразователя Pb_0.96Sr_0.04Zr_0.4042Ti_0.435W_0.052Mg_0.052Sb_0.0426Li_0.0142O₃.

Таблица.

Содержание частиц порообразователя, об. % 0 33.5 38 46.6 Пористость Р, % 5 14 15.5 18 Пьезомодуль d₃₃, пКл/Н 360 700 740 760 Пьезомодуль d₃₁, пКл/Н - 140 - 130 - 125 -120 Коэффициент электромеханической связи k_t 0.51 0.52 0.54 0.56 Коэффициент электромеханической связи k_p 0.51 0.4 0.35 0.3 Относительная диэлектрическая проницаемость ε₃₃^T /ε₀ 1600 2700 3000 3200 Механическая добротность Q_M 60 35 25 20

Источники информации:

1. Advanced ceramic matrix composite materials for current and future propulsion technology applications / S. Schmidt, S. Beyer, H. Knabe [et al.] // Acta Astronautica.-2004.-V. 55.-P. 409-420.-DOI: 10.1016/j.actaastro.2004.05.052.

2. Mechanical and electrical properties of small amount of oxides reinforced PZT ceramics / Ping-Hua Xiang, Xian-Lin Dong, Heng Chen [et al.] // Ceramics International.-2003.-V. 29.-P. 499-503.-DOI: 10.1016/S0272-8842(02)00193-1

3. Recent Advances in Porous Piezoceramics Applications / A. N. Rybyanets, D. I. Makarev, N. A. Shvetsova // Ferroelectrics.-2019.-Vol. 539, No 1.-P. 101-111.

4. Porous piezoceramics: theory, technology, and properties / A. N. Rybyanets // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control.-2011.-V. 58.-No 7.-P. 1492-1507.

5. JP1089486 (A), HO1L 41/22, HO1L 41/24, C04B 38/02, 1985-04-03.

6. CN1953226 (A), HO1L 41/187, C04B 35/622, 2007-04-25.

7. JP № 4024971 (A), HO1L 41/24, 1992-01-28.

8. RU 2623693 С2, HO1L 41/20, 2015-03-12.

9. RU2713835C1, C04B 35/491, C04B 38/00, H01L 41/187, 2020-07-02.

10. RU № 2414017 C1, HO1L 41/24, 2011-03-10-прототип.

11. ОСТ 11 0444-87. Материалы пьезокерамические. Технические условия: издание официальное: утвержден и введен в действие Минэлектронпром СССР: дата введения 1987-01-01.-Москва: Стандартинформ, 1987.-142 c.

Использование: для создания широкополосных ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей, работающих в диапазоне частот от 100 кГц до 10 МГц. Сущность изобретения заключается в том, что способ получения пористого композиционного пьезоэлектрического материала заключается в смешивании синтезированного порошка исходного пьезокерамического материала из цирконата-титаната свинца состава Pb_0.95Sr_0.05Ti_0.47Zr_0.53O₃ + 1 масс. % Nb₂O₅ с порошком порообразователя, в качестве которого используют предварительно спеченный и размолотый пьезокерамический материал цирконата титаната свинца состава Pb_0.96Sr_0.04Zr_0.4042Ti_0.435W_0.052Mg_0.052Sb_0.0426Li_0.0142O₃ с размером частиц 50–100 мкм в количестве 35–50 об. %, добавлении поливинилового пластификатора, прессовании и спекании заготовки. Техническим результатом является повышение пьезоэлектрического модуля d₃₃. 3 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Способ получения пористого композиционного пьезоэлектрического материала, заключающийся в смешивании синтезированного порошка исходного пьезокерамического материала из цирконата-титаната свинца состава Pb_0.95Sr_0.05Ti_0.47Zr_0.53O₃ + 1 масс. % Nb₂O₅ с порошком порообразователя, в качестве которого используют предварительно спеченный и размолотый пьезокерамический материал цирконата титаната свинца состава Pb_0.96Sr_0.04Zr_0.4042Ti_0.435W_0.052Mg_0.052Sb_0.0426Li_0.0142O₃ с размером частиц 50–100 мкм в количестве 35–50 об. %, добавлении поливинилового пластификатора, прессовании и спекании заготовки.

2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что пьезокерамический материал порообразователя синтезируют из оксидов методом твердофазной реакции при температуре 890 °С в течение 6 ч.

3. Способ по п. 1 или 2, характеризующийся тем, что синтезированный пьезокерамический материал порообразователя предварительно спекают при температуре 1200 °С в течение 2 ч.

4. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что спекание заготовки композиционного пьезоэлектрического материала проводят при температуре 1220 °С в течение 2 ч.