Пьезоэлектрический керамический материал (его варианты) Советский патент 1984 года по МПК C04B35/495 

Изобретение относится к пьезоэлектрическим, керамическим материалам н может быть использовано для создания высокочувствительных электромеханических преобразователей, основанных на явлении пьезоэлектричества, и, в частности, для устройств измерения механических воздействий .например давления.

Известен сегнетопьезоэлектрический керамический материал на основе твердых растворов метаниобатов щелочных металлов lj .

I Однако материал при применении его в определенного рода радиотехнических устройствах, в частности в устройствах измерения механических воздействий, характеризуется недостаточно высокими значениями диэлектрической проницаемости (Cj / о 100-300) и скорости звука (,8-10 м/с),на обеспечмвающие хорошее согласование пьезоэлементов с внешней цепью по электрическому сопротивлению, а также высокой температурой спекания (1180122.0°С),

Наиболее близким к предлагаемому является материал L2J, содержащий На20, К20, (илиСеО) в следую1цем соотношении, мас.%: 8,98; КрО 13.,53;МЪ205 77,12; СЗб 0,37, или NajO 8,64; К20 13,13; HbjOg 76,42; Qe02 1,80.

Электрофизические параметры указанных материалов следующие:

БЗЗ /Со 300-330; g,, (13,8-15,7) XI0-3 Кр 0,35-0,38; . 1180-1220°С; V, (4,69-4,80)х

;Х103 м/с.

При высоком значении пьезоэлектрического коэффициента f эти составы обтшдают пониженными значениями диэлектрической проницаемости скорости звука V , а также спекаются при высокой температуре

Цель изобретения - повышение диэлектрической проницаемостн, скорости

Сослав

Содержанне компонентов в составах, вес.%

13,66

77,12 0,23

я оя

13,64 77,00 0,38

f J 5 -

звука, снижение температуры спекани при сохранении высоких значений пьезоэлектрического коэффициента

Указанная цель достигается тем, что пьезоэлектрический керамический материал, Чэключающий NagO, , Nb-jOj CcJO, содержит указанные компоненты при следующем их соотношении, мае.%:

,98-8,69

KiO13,64-13,20

Nb20577,00-74,51

CdO3,60-0,38

Указанная цель достигается тем, что пьезоэлектрический керамический материал, включающий Na20, К20, Hb,0, Ge02, содержит указанные компоненты в следующем соотношении, Mac.Z:

,88-8,93

,49-13,57

,14-76,60

Gie020,90-1,49,

В табл, 1 приведены примеры конкретного выполнения составов материала.

Синтез осуществляют двукратным обжигом при Т 800°С, Т 850-с, продолжительностях 5 ч. Спекание проводят методом горячего прессования при давлении 100 200 кг/см , длительностях изотермических выдержек при температурах спекания от 40 мин до 6-8 ч. Более низкие величины давления (200 кг/см и удлиненные изотермические вьщержки (6-8 ч) применяются при изготовлении материалов в виде крупногабаритнь х блоков размерами 110x110x25 м 70x75 мм.

Поляризация образцов проводится в силиконовом масле при 140 С в течение 45 мин в поле напряженностью 55 кВ/см с последующим охлаждением под полем до 90°С. Значения электрофизических параметров данного материала приведены в табл..

Таблица 1

т%тI fo

490

4,02

510

3,95

Параметры

Состав

1. Пьезоэлектрический керамический материал, содержащий N а20, К20, NbjOg, CdO, о тли ч ающий с я тем, что, с целью повьшения диэлектрической проницаемости скорости звука, снижения температуры спекания при сохранении высоких значений пьезоэлектрического коэффициента , он содержит указанные компоненты при следующем соотношении, мас.%: 8,69-8,98 13,20-13,64 74,51-77,00 CdO 0,38-3,60 2. Пьезоэлектрический керамический материал, содержащий NajO, , NbjO, QeOg, отличающийся тем, что с целью повьшения диэлектрической проницаемости, скорости звука, снижения температуры спекания при сохранении высоких значений пьезоэлектричес(/) кого коэффициента , он содержит указанные компоненты при следующем соотношении, мас.%: 8,88-8,93 13,49-13,57 76,14-76,60 NbjOy qe02 0,90-1,49

16 30 30 50 43 42 21 22 34 35 31 20

0,210

0,269

0,300

0,310

0,32

0,34

0,22

0,23

0,301

0,310

0,277

0,21

1090

4,59

5,15 1035 4,46 5,51 1065 4,52 6,00

915 4,59 5,45 1045 4,52 5,76 1065 4,54 5,36 1110 4,60 5,10 1070 5,59 5,13 1010 4,56 5,46

990 4,55 5,41 1035 5,38 4,54 1070 4,59 5,15 Как видно из табл. 1,введение CcjO в указанных .пределах концентраций позволяет увеличить Б / , сравненкю с аналогичными параметрами известного материала при сохранении высоких значений пьезочувствительйости, а также снизить Т|.. материала Последний эффект достигается не использованием метода горячего прессования а- количественным составом .материала. Приложение внешнего давле ния при спекании ниобатных материалов методом горячего прессования не приводит к сдвигу их температуры спекания в сторону более низких температур. Положительньй эффект предлагаемог материала обусловлен его качественным и количественкьм составом, что подтверждают примеры № 1, 7, 8 и 12, демонстрирующие ухудшение свойств за пределами предлагаемой области концентраций.. Нарушение пределов привод к уменьшению К, Vo . Повьв.иение Ь /fco Данных материало обеспечивает увеличение электрЪстатической емкости мелэду электродами без изменения (тченьшения) геометрических размеров устройств (затруднив шего бы технологию их изготовления), а повьпиение /С. и V благоприят-ствует хорошему электрическому и акустическому согласованию узлов датчика с измерительными блоками устройств. Последнее способствует выМатериал

Параметры сокому соотношению уровней полезногосигнала и шуна в высокочувствительных устройствах, в частности устройствах измерения механических воздействий, например давления. Увеличение ведет к снижению ;; и сохранение высоких значений последнего не всегда достижимо. Высокие VP преобразователей позволяют расширить частотный диапазон их использования и облегчить конструктивное исполнение устройств. Снижение Т способствует улучшению воспроизводимости свойств полученных материалов за счет сохранения заданного стехиометрического состава в результате уменьшения возгонки компонентов при пониженных температурах спекания, долговечности и надежности работы технологического оборудования, экономии материалов (металлов, используемых при из1 отовлении технологической оснастки) . Наиболее оптимальное сочетание параметров набхдадается у составов 2, 6 и 10: 33 510-610; Ко 0,2690,34;d, MOVfl 30-42; g3,.{o3, -§- 6,6-7,8; VR-IO- 5,56-5,51; р, г/смз 4,46-4,53. В табл. 2 приведены значения электрофизических характеристик данного материала, прототипа, а также промышленных материалов, применяемых в ВЧ технике, Т а блица 2