Способ получения керамики метаниобата лития

 

Изобретение относится к получению пьезоэлектрической керамики и позволяет повысить механическую прочность, снизить диэлектрическую проницаемость, упростить технологию изготовления керамики метаниобата лития. Сущность изобретения: заготовки формуют из шихты, содержащей синтезированный метаниобат лития и стеклодобавку состава LiO₂ - 1,8 SiO - 0,2 B₂O₃ в количестве 2 - 3,5 мас.%, и спекают в атмосфере воздуха при температуре 1380 - 1420 К.

Изобретение относится к получению пьезокерамики и предназначено для создания сегнетоэлектрических керамических материалов и пьезопреобразователей на основе метаниобата лития (МНЛ), работающих в широком эксплуатационном интервале температур (до 1000 К) и частот (до 50 МГц), в частности, устройствах дефектоскопического контроля оборудования атомных реакторов.

Известен способ получения МНЛ по обычной керамической технологии, включающий твердофазный синтез порошка МНЛ и спекание без приложения давления при 1370-1470 К. Однако этот способ не обеспечивает получения высокоплотной, прочной керамики, что делает невозможным ее поляризацию и изготовление пьезоэлементов.

Известен способ получения МНЛ, совмещающий операцию синтеза и спекания под давлением [1]. Недостатком этого способа является то, что он не обеспечивает полную однородность крупных изделий, высокую механическую прочность. Его отличает высокая температура спекания (1200-1370 К), сложность технологии получения в условиях высокого давления (60 МПа).

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения керамики МНЛ, описанный в [1]. Известный способ осуществляют путем формования заготовок из шихты, содержащей синтезированный МНЛ и 1,5-2,5 мас.% стекла состава LiBO₂, спекания под давлением в вакууме при остаточном давлении воздуха, равном 5˙10^-2 мм рт.ст., включающего нагрев со скоростью (500-600 град. /ч), изотермическую выдержку длительностью (12-15)˙10² с при температуре спекания 1290-1570 К и охлаждение со скоростью (500-600) град/ч; нагрев ведут при давлении (15-20) МПа, а после достижения максимальной температуры давление увеличивают до (55-60) МПа.

Недостатками известного способа являются: - использование высокого давления, прикладываемого к образцу, необходимость применения вакуумного оборудования и дорогостоящих высокоплотных пресс-форм из окиси алюминия; - высокие температуры спекания, приводящие к повышенным энергозатратам и сокращению срока службы технологического оборудования; - невысокая механическая прочность ( ≈190 кг/см²) получаемой керамики и сложность используемой стеклодобавки к обводнению.

Высокая стоимость оборудования и его уникальность ограничивают использование данного способа получения керамики МНЛ в промышленности.

Изобретение позволяет упростить технологию получения керамики МНЛ при сохранении ее высоких электромеханических и электрофизических параметров, снизить диэлектрическую проницаемость и повысить механическую прочность.

Указанный технический эффект достигается тем, что керамику метаниобата лития получают путем формования заготовок их шихты, содержащей синтезированный метаниобат лития и стеклодобавку, в качестве которой используют стекло состава Li₂O - 1,8 SiO₂ - 0,2 В₂О₃ в количестве 2-3,5 мас.%, с последующим спеканием в атмосфере воздуха при температуре 1380-1420 К.

Использование стеклодобавок при спекании пьезоматериалов позволяет, как правило, лишь повысить механическую прочность при снижении остальных параметров материала [2].

Введение в шихту стеклодобавки состава Li₂O - 1,8 SiO₂ - 0,2 В₂О₃, обладающего хорошими пьезоэлектрическими свойствами (d₃₃ = 6˙10^-12Кл/Н), позволяет не только увеличить механическую прочность, но и повысить пьезомодуль, снизить диэлектрическую проницаемость керамики МНЛ, снизить температуру спекания, использовать для спекания воздушную атмосферу.

Т. о. улучшение электромеханических и электрофизических параметров керамики МНЛ обеспечивается при одновременном упрощении технологии, повышении воспроизводимости свойств керамики и снижении трудозатрат, а следовательно, и стоимости изделий из керамики МНЛ.

Способ осуществляют следующим образом. Метаниобат лития синтезируют при 1020 К в течение 7,2˙10³ с из смеси Li₂СО₃ квалификации "х.ч." и Nb₂O₅ квалификации "осч". В синтезированный продукт вводят тщательно измельченное стекло состава Li₂O - 1,88 SiO₂ - 0,2 В₂О₃ в количестве 2-3,5 мас.%.

Варку стекла осуществляют в платиновом или алундовом тигле из реактивов: Li₂CO₃, SiO₂, B₂O₂ квалификации не ниже "чда" при 1370-1470 К в течение 5,4˙10⁴ с. Образцы формуют в виде дисков диаметром 11 мм и высотой 3 мм и обжигают в течение 7,2˙10³ с при температуре 1393-1413 К. На сошлифованные до 1 мм диски наносят платиновую пасту, которую вжигают при температуре 1173-1273 К. Образцы поляризуют в полиэтилсиликоновой жидкости при температуре 433-453 К в течение 1,8-2,4˙10³ с в постоянном электрическом поле напряженностью 50-70 кВ/см. Скорость нагрева образцов подбирается исходя из задачи обеспечения прохождения вторичной рекристаллизации по всему объему образца. Скорость охлаждения после спекания подбиралась исходя из задачи сохранения целостности образца. Выбор времени изотермической выдержки при спекании контролировался максимальной плотностью керамики.

Основные параметры керамики МНЛ, полученной по данному способу, приведены ниже. Параметры ячейки (ром- боэдрическая структура) d = 5,485 α = 55^o90 Рентгеновская плот- ность, г/см³ (293 К) 4,62 Удельное сопротивление ρ_v ˙ 10¹¹ Ом˙см (373 К) 10 Относительная диэлек- трическая проницаемость после поляризации ε₃₃^т / ε_o 34-39 Тангенс угла диэлек- трических потерь tg δ, % 1-1,5 Пьезомодуль d₃₃, 10^-12 Кл/Н 10 Механическая прочность, кг/см² 250.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИКИ МЕТАНИОБАТА ЛИТИЯ путем формования заготовок из шихты, содержащей синтезированный метаниобат лития и стеклодобавку, включающую Li₂O и B₂O₃, и последующее спекание, отличающийся тем, что, с целью упрощения технологии, повышения механической прочности и снижения диэлектрической проницаемости, в качестве добавки используют стекло состава Li₂O-1,8 SiO₂-0,2 B₂O₃ в количестве 2-3,5 мас.%, спекание ведут в атмосфере воздуха при 1380 - 1420 К.