Свинцовосодержащая пьезокерамика

 

Изобретение относится к пьезотехнике, например, для изготовления излучателей и приемников ультразвука, пьезодатчиков давления. Технический результат изобретения - достижение более низкой температуры спекания пьезокерамического материала, малых потерь оксида свинца и улучшение пьезокерамических свойств. Керамика представляет собой трехкомпонентный твердый раствор титаната свинца, цирконата свинца и натрий-висмутового титаната, при следующем соотношении компонентов, мол.%: 52-63 PbZrO₃, 8-32 Na_0,5Bi_0,5TiO ₃ и титанат свинца - остальное. Для получения более высоких величин пьезомодуля состав керамики может быть модифицирован стронцием. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

Применяемая в пьезотехнике для изготовления излучателей и приемников ультразвука, пьезодатчиков давления и др. пьезокерамика на основе твердых растворов титаната и цирконата свинца требует для своего изготовления применения сложных технологических процессов. При спекании в обычной атмосфере печи, входящая в состав керамики окись свинца, обладающая при температурах спекания (1240-1260°С) высокой летучестью, испаряется (так что образец теряет от 10 до 20 процентов окиси свинца), в результате чего состав керамики резко отличается от стехиометрического состава. Это приводит к отсутствию воспроизводимости свойств пьезокерамических изделий. Применение при спекании керамики специальной атмосферы паров окиси свинца требует использования специальных капселей из никеля и специальной засыпки, выделяющей пары окиси свинца, которые не могут быть использованы многократно, т.к. после нескольких обжигов выходят из строя.

Предлагаемая пьезокерамика на основе трехкомпонентных твердых растворов PbTiO ₃-PbZrO₃-Na_0,5 Bi_0,5TiO₃ обладает значительно более низкой температурой спекания и некоторыми пьезоэлектрическими характеристиками, превосходящими соответствующие характеристики пьезокерамики титаната - цирконата свинца.

Низкая температура спекания обуславливает незначительную летучесть окиси свинца и обеспечивает отсутствие потерь окиси свинца при обжиге в обычной атмосфере печи, благодаря этому при спекании предложенных составов отсутствует потребность в создании атмосферы паров окиси свинца.

Предлагаемая пьезокерамика основана на трехкомпонентных твердых растворах PbTiO₃-PbZrO₃ -Na_0,5Bi_0,5TiO ₃, которые по составу соответствуют морфотропной фазовой границе, разделяющей тетрагональные и ромбоэдрические составы (где свойства твердых растворов имеют экстремальные значения) или близки к ней, т.е. керамика, содержащая от 52 до 65 мол.% PbZrO₃, от 8 до 32 мол.% Na _0,5Bi_0,5TiO₃ и титаната свинца в количестве, дополняющем до 100%.

Пьезокерамика указанных составов спекается при температуре 1050-1150°C в течение 1-5 ч в обычной атмосфере печи в шамотных капселях.

Таким образом, температура спекания этих составов на 100-200°C ниже, чем у керамики типа титаната свинца-цирконата свинца, которая спекается при 1240-1260°C и требует при этом создания атмосферы окиси свинца.

При спекании предлагаемых составов до нулевой открытой пористости потери веса образца из-за улетучивания PbO не превышали 1% (от веса образца).

Пьезоэлектрические, диэлектрические и другие свойства некоторых составов, лежащих в указанной области концентраций, представлены в таблице.

В таблице приведены средние значения, полученные на больших количествах образцов (от 100 до 500 шт.).

Для сравнения в этой же таблице даны свойства пьезокерамики PZT-4 и PZT-5 по литературным данным (J.R.E. Nation Conven. Record, 7, 227, 1959.)

Как видно из таблицы, температура Кюри перечисленных составов достаточно высока, пьезомодули d₃₁ и d ₃₃ у некоторых составов выше, чем у керамики типа PZT.

Параметры керамики и , характеризующие чувствительность пьезоэлектрического приемника и параметр , характеризующий излучаемую мощность электромеханического преобразователя, у некоторых предлагаемых составов также превышает соответствующие параметры керамики типа RZT.

Керамика, модифицированная стронцием, состав которой наиболее просто может быть записан в виде:Pb_xSr _y(Na_0,5Bi_0,5 )_1-(x+y)·Ti_z Zr_1-zO₃, где x=0,78-0,84, y=0,01-0,07, z=0,40-0,45, имеет более высокие значения величин пьезомодуля и параметров, характеризующих чувствительность и излучаемую мощность

В таблице приведены свойства керамики одного из этих составов (№ 9).

Некоторые модифицированные составы, кроме того, отличаются крайне малым необратимым старением под высоким давлением и не уступают в этом отношении PZT-4.

Модифицированные составы имеют ту же температуру спекания, что и упомянутые трехкомпонентные составы.

Таблица №Составρ,г/см³ tgδ%εт. Кюри,°С d₃₁·10⁶ ед. CGSEd₃₃·10 ⁶ ед. CGSEС _зв·10⁵ см/с Е₁₀·10^-12 Необратимоестарение поддавлением
1000 кг/см³
3 сут в %1 PZT-47,5  1200340 3,37,73,3 0,742,759,5 6,010÷15 2PZT-57,5 15003604,2 9,63,00,68 2,810,88,0 50-6030,3PbTiO ₃+0,55PbZrO₃+0,15Na _0,5Bi_0,5TiO₃ 7,511,9 13403203,5 7,53,30,8 2,69,57,8 20-3540,275PbTiO ₃+0,575PbZrO₃+0,15Na _0,5Bi_0,5TiO₃ 7,452,9 15003154,5 9,93,20,71 3,011,610,0 2550,25PbTiO ₃+0,6PbTiO₃+0,15Na _0,5Bi_0,5TiO₃ 7,53,5 8802953,0 6,03,30,76 3,4105,1 3060,2PbTiO ₃+0,55PbZrO₃+0,25Na _0,5Bi_0,5TiO₃ 7,154,4 14502203,3 7,03,40,79 2,288,76,8  70,15PbTiO ₃+0,6PbZrO₃+0,25Na _0,5Bi_0,5TiO₃ 7,53,3 15502503,8 7,53,20,74 2,459,57,7  80,1PbTiO ₃+0,6PbZrO₃+0,3Na _0,5Bi_0,5TiO₃ 7,21,9 15302803,3 7,03,40,84 2,158,37,5  9Pb _0,81Sr_0,04
(Na _0,5Bi_0,5)_0,15 ·
Ti_0,425Zr _0,575O₃7,3 2,01730 2555,511,0 3,00,653,18 11,513,110

При использовании указанных составов использовались углекислые натрий и стронций и окиси: свинца, висмута, циркония, титана (технической чистоты).

Предложенная пьезокерамика может быть использована для изготовления излучателей и приемников ультразвука, датчиков давлений и ускорений, пьезоэлектрических трансформаторов и др.

Формула изобретения

1. Пьезокерамический материал, используемый для изготовления пьзоэлементов, на основе PbZrO₃ и PbTiO ₃, отличающийся тем, что, с целью снижения его температуры спекания, указанные компоненты входят в следующих количествах, мол.%: PbZrO₃ 52-63; PbTiO ₃ 5-40 и, кроме того, он содержит Na_0,5 Bi_0,5 TiO₃ 8-32.

2. Пьезокерамический материал по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения его пьзоактивности, он содержит Pb _xSr_y(Na_0,5Bi _0,5)_1-(x+y)·Ti _zSr_1-zO₃ при значениях: х=0,78-0,84; y=0,01-0,07; z=0,40-0,4.