Пьезоэлектрический керамический материал

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам и может быть использовано при создании высокочастотных акустоэлектрических преобразователей. Пьезоэлектрический керамический материал содержит оксиды натрия, ниобия, стронция, лития, алюминия, висмута и железа при следующем соотношении компонентов, мас.%: Na2O 16.32-16.40, Nb2O5 79.81-80.20, SrO 0.63, Li2O 1.12-1.13, Al2O3 0.40, Bi2O3 0.92-1.28, Fe2O3 0.32-0.44. Технический результат изобретения - снижение значения относительной диэлектрической проницаемости и повышение значения коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний при сохранении достаточно высоких значений механической добротности. 2 табл.

 

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе ниобата натрия и может быть использовано при создании высокочастотных акустоэлектрических преобразователей.

Для указанных применений пьезоэлектрический керамический материал должен иметь невысокую относительную диэлектрическую проницаемость, ε 33 T / ε 0 , (менее 200), достаточно высокие значения механической добротности, Qm, (более 700), коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний, Kp, (более 0.15), пьезомодуля, d33, (более 45 пКл/Н) и скорости звука, V 1 E , (более 5.0 км/с).

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий карбонаты Na2CO3, K2CO3, Li2CO3 и оксиды Nb2O5, Bi2O3, TiO2, MnO, NdO, состав которого отвечает химической формуле (1-х-y)Bi(Li0.5Me0.5)O3-xBaTiO3-y(K0.5Bi0.5)TiO3-zMaOb, где Me=0.9Nb+0.1Mn, M=Nd, x=0.06, y=0.89, z=0.01. Материал имеет для лучших составов ε 33 T / ε 0 = 755 , d33=97 пКл/Н, Kp=0.21, Qm=319 [1].

Для указанных применений материал имеет слишком большую величину ε 33 T / ε 0 и недостаточно высокое значение Qm. Кроме того, в состав материала входит редкоземельный элемент Nd, что значительно увеличивает себестоимость продукции.

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий оксиды K2O, Na2O, Nb2O5, CuO, состав которого отвечает химической формуле 0.99K0.5Na0.5NbO3-0.01CuO. Материал имеет для лучших составов ε 33 T / ε 0 = 237 , Kp=0.389, Qm=1408.2 [2].

Для указанных применений материал имеет недостаточно низкие значения ε 33 T / ε 0 .

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий оксиды Na2O, Nb2O5, SrO и карбонат Li2CO3, состав которого отвечает химической формуле xNaNbO3-yLiNbO3-1-x-ySrNb2O6, где x=0.85, y=0.125. Материал имеет для лучших составов ε 33 T / ε 0 = 188 , Kp=0.143, Qm=877 [3].

Для указанных применений материал имеет недостаточно высокие значения Kp. Кроме того, материал изготавливается по дорогостоящей технологии горячего прессования, которая неприменима к условиям промышленного производства.

Наиболее близким к заявляемому материалу по технической сущности и достигаемому результату является пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий оксиды K2O, Na2O, Nb2O5, CdO, состав которого отвечает химической формуле (NaxKyCdz)NbO3, где x=0.50-0.55, y=0.20, z=0.125-0.150. Материал имеет для лучших составов ε 33 T / ε 0 = 1360 , Kp=0.12, Qm=1000 [4] (Прототип).

Для указанных применений материал имеет слишком большую величину ε 33 T / ε 0 и недостаточно высокие значения Kp.

Задачей изобретения является снижение значений относительной диэлектрической проницаемости до ε 33 T / ε 0 = 100 200 ; повышение коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний, Kp, (>0.15) при сохранении высокой механической добротности, Qm, (>700). При этом материал должен быть получен по обычной керамической технологии, допускающей его массовое производство.

Указанные результаты достигаются тем, что пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий оксиды Na2O и Nb2O5, согласно изобретению дополнительно содержит SrO, Li2O, Al2O3, Bi2O3, Fe2O3 при следующем соотношении компонентов (в мас.%):

Na2O 16.32-16.40
Nb2O5 79.81-80.20
SrO 0.63-0.63
Li2O 1.12-1.13
Al2O3 0.40-0.40
Bi2O3 0.92-1.28
Fe2O3 0.32-0.44

Состав материала отвечает химической формуле:

Модифицирование материала на основе ниобата натрия оксидами стронция, SrO, лития, Li2O, алюминия, Al2O3, висмута, Bi2O3 и железа, Fe2O3, приводит к комплексному эффекту. Введение ионов Li+ и Al3+, характеризующихся низкой величиной α/r3 (где α - поляризуемость, r - радиус иона), способствует снижению ε 33 T / ε 0 [5]. Кроме того, гетеровалентное модифицирование оксидами Al2O3, Bi2O3 и особенно Fe2O3 (с ионом переменной валентности Fe(II), Fe(III)) приводит к росту числа кислородных вакансий, выступающих в качестве центров пининга доменных стенок, что затрудняет доменные переключения и, как следствие, благоприятствует повышению степени сегнетожесткости керамики, а следовательно, снижению ε 33 T / ε 0 и повышению Qm. Введение Bi2O3, способствуя образованию низкоплавких Bi-содержащих эвтектик, приводит к уплотнению структуры и повышению пьезоэлектрических параметров, в частности, Kp.

В табл.1 приведены значения электрофизических параметров пьезоэлектрического керамического материала в зависимости от состава.

В табл.2 приведены сравнительные электрофизические параметры прототипа и оптимального состава заявляемого пьезоэлектрического керамического материала.

Материал изготавливался по обычной керамической технологии следующим образом. В качестве исходных реагентов использовались гидрокарбонаты, карбонаты и оксиды следующих квалификаций: NaHCO3 - «чда», SrO - «чда», Nb2O5 - «NbO-РТ», Li2CO3 - «хч», Al2O3 - «чда», Fe2O3 - «ч», Bi2O3 - «ч». Синтез осуществлялся путем двукратного обжига смесей сырьевых компонентов: NaHCO3, SrCO3, Nb2O5, Li2CO3, Al2O3, Bi2O3, Fe2O3, взятых в количествах (масс. %, в случае NaHCO3, KHCO3, Li2CO3 в пересчете на соответствующие оксиды): Na2O=16.32-16.40; SrO=0.63; Nb2O5=79.81-80.20; Li2O=1.12-1.13; Al2O3=0.40; Bi2O3=0.92-1.28, Fe2O3=0.32-0.44 c промежуточным помолом синтезированного продукта. Температура обжига при синтезе, Тсинт.=1140 K, длительность изотермической выдержки, τ12=6 час. Спекание образцов в виде столбиков ⌀12 мм, высотой 15-18 мм осуществлялось при τсп.=1450 K, длительность изотермической выдержки, τсп=2 ч. Металлизация (нанесение электродов) производилась путем нанесения на плоские поверхности предварительно сошлифованных до толщины 1 мм образцов серебросодержащей пасты и последующего ее вжигания при температуре Твжиг.=1070 K в течение 0.5 ч. Образцы поляризовали в полиэтиленсилоксановой жидкости при температуре 430 K в течение 60 мин в постоянном электрическом поле напряженностью 8 кВ/см.

В соответствии с ОСТ 11.0444-87 определяли электрофизические характеристики: относительные диэлектрические проницаемости поляризованных ( ε 33 T / ε 0 ) образцов, коэффициент электромеханической связи планарной моды колебаний (Kp), прямой пьезомодуль (d33), механическую добротность (Qm) и скорость звука ( V 1 E ) .

Полученные экспериментальные данные (табл.1, примеры 2-4) свидетельствуют о том, что пьезоэлектрический керамический материал предлагаемого состава обладает совокупностью электрофизических параметров, отвечающих задаче изобретения: сниженными значениями относительной диэлектрической проницаемости ε 33 T / ε 0 (135-160); повышенным коэффициентом электромеханической связи планарной моды колебаний Kp (0.15-0.18); при сохранении высоких значений механической добротности Qm (730-750). Выход за пределы заявленных концентраций компонентов приводит к значительному снижению целевых параметров, в частности, Kp.

Данные, приведенные в табл.2, подтверждают преимущества предлагаемого пьезоэлектрического керамического материала по сравнению с материалом-прототипом, а именно снижение ε 33 T / ε 0 до 155, повышение коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний, Kp, до 0.18 при сохранении высоких значений Qm (744) (в лучшем составе - пример №3 из табл.1).

Эффект снижения ε 33 T / ε 0 и повышения Kp достигается, по существу, введением в материал, включающий Na2O и Nb2O5, следующих оксидов: SrO, Li2O, Al2O3, Bi2O3, Fe2O3.

Высокие значения Qm и Kp в сочетании с низкой ε 33 T / ε 0 материала определяют основное его назначение - использование в высокочастотных акустоэлектрических преобразователях. При условии согласования преобразователя с нагрузкой (Ri=RH) (обычно реализуемое в выпускаемой промышленностью радиоэлектронной аппаратуре выходное сопротивление RH~ 50 Ом длит высоких частот), используя формулу для емкостного сопротивления преобразователя: Ri=1/ωС, где Ri - емкостное сопротивление преобразователя, Ом; ω - круговая частота, Гц; C - емкость, Ф; - можно приблизительно оценить интервалы значений емкости С=1/2πfRi для указанных диапазонов частот, а следовательно, и относительной диэлектрической проницаемости поляризованных элементов, ε 33 T / ε 0 = k C , где k - коэффициент, зависящий от размеров элементов, ε0=8.85·10-12 Ф - диэлектрическая проницаемость вакуума; при k=1, ε 33 T / ε 0 = C . Таким образом, снижение значения ε 33 T / ε 0 позволяет эффективно использовать элементы на основе предлагаемого материала на частоте 20-30 МГц.

Высокие значения V 1 E предлагаемого материала позволяют упростить технологию изготовления элементов за счет увеличения их толщины при работе на высоких частотах, а также обеспечить хорошее согласование элементов с внешней цепью по электрическому сопротивлению.

Источники информации

1. CN 103172370 A, МПК C04B 35/475, C04B 35/468, C04B 35/622, дата публикации 26.06.2013.

2. EP 1032057 (A1), МПК H01L 41/187, дата публикации 30.08.2000.

3. Авторское свидетельство №687042 по заявке №2467273, МПК C04B 35/00, дата публикации 28.05.1979.

4. RU 2498960, МПК C04B 35/49, дата публикации 20.11.2013.

5. Резниченко Л.А., Кузнецова Е.М., Разумовская О.Н., Шилкина Л.А. Кристаллохимическое моделирование сегнетоэлектрических материалов с низкой диэлектрической проницаемостью // ЖТФ. 2001. T.75. №5. С.53-56.

Таблица 1
Электрофизические параметры заявляемого пьезоэлектрического керамического материала в зависимости от состава
N п/п Состав, масс. % Электрофизические параметры
Na2O SrO Nb2O5 Li2O Al2O3 Bi2O3 Fe2O3 ε 33 T / ε 0 Kp d33,, пКл/ H Qм V 1 E * 10 3 м/с
1 16.45 0.63 80.40 1.13 0.40 0.74 0.25 125 0.12 18 650 5.28
2 16.40 0.63 80.20 1.13 0.40 0.92 0.32 135 0.16 38 730 5.32
3 16.36 0.63 80.00 1.13 0.40 1.10 0.38 155 0.18 47 744 5.59
4 16.32 0.63 79.81 1.12 0.40 1.28 0.44 160 0.15 25 750 6.00
5 16.28 0.63 79.61 1.12 0.40 1.46 0.50 165 0.08 15 830 6.10
Таблица 2
Сравнительные электрофизические параметры прототипа и оптимального состава заявляемого пьезоэлектрического керамического материала
N п/п Материал ε 33 T / ε 0 Kp Qm d33, пКл/Н V 1 E * 10 3 м/с
1 Прототип RU 2498960 1360 0.12 1000 - -
2 Состав №3 (из табл.1) 155 0.18 744 47 5.59

Пьезоэлектрический керамический материал на основе ниобата натрия, включающий Na2O и Nb2O5 и следующие оксиды SrO, Li2O, Аl2О3, Bi2O3, Fe2O3, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Na2O 16.32-16.40
Nb2O5 79.81-80.20
SrO 0.63-0.63
Li2O 1.12-1.13
Al2O3 0.40-0.40
Вi2O3 0.92-1.28
Fe2O3 0.32-0.44



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам. Технический результат изобретения заключается в снижении относительной диэлектрической проницаемости и механической добротности, в повышении пьезочувствительности, коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний, скорости звука.

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам. Технический результат изобретения заключается в повышении коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний, снижении относительной диэлектрической проницаемости.

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам. Технический результат изобретения заключается в снижении механической добротности, относительной диэлектрической проницаемости поляризованных образцов, в повышении пьезомодуля, пьезочувствительности, удельной чувствительности, коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний.

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе ниобатов натрия-калия и может быть использовано в среднечастотных радиоэлектронных устройствах, работающих в режиме приема, в том числе в трансдукторах ультразвуковых передатчиков.

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе ниобата натрия и может быть использовано для создания низкочастотных приемных устройств - гидрофонов, микрофонов, гидроприемников, а также для создания низкочастотных электромеханических преобразователей, возбуждающих металлические резонаторы с высокой скоростью звука.

Изобретение относится к производству пьезоэлектрических керамических материалов и может быть использовано для создания высокочастотных электромеханических преобразователей, применяемых, в частности, в ультразвуковых линиях задержки (эксплуатируемых в частотном диапазоне (20÷30) мГц), высокочувствительных моночастотных резонаторах, работающих на толщинных колебаниях; в устройствах, где весовые характеристики являются решающими.
Изобретение относится к химически устойчивым материалам, в частности, применяемым для облицовки реакционных сосудов, реакторов, мельниц, пресс-форм и т.п., которые используют при производстве анодов для электролитических конденсаторов с твердым электролитом.
Изобретение относится к области пироэлектрических керамических материалов и может быть использовано для создания пироэлектрических детекторов для регистрации теплового и светового потоков излучения.

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе метаниобата лития и может быть использовано в устройствах дефектоскопического контроля оборудования атомных реакторов, работающих при высоких температурах.

Изобретение относится к пьезокерамическим материалам и может быть использовано при создании ультразвуковых преобразователей, в частности устройств медицинской диагностики. Пьезокерамический материал на основе системы твердых растворов aNaNbO3+bKNbO3+cCuNb2O6 (а+b+с=100%) содержит оксиды натрия, калия, ниобия и меди при следующем соотношении компонентов, мас.%: Na2O 13,87-14,87; K2O 4,24-5,62; Nb2O5 79,32-79,70; CuO 1,19. Технический результат изобретения: материал характеризуется повышенным значением относительной диэлектрической проницаемости , при сохранении достаточно высоких значений механической добротности (Qm=1050) и пьезоэлектрических характеристик. Это обусловлено образованием в процессе спекания промежуточных Cu-содержащих соединений с низкой температурой плавления, с которыми связано формирование жидких фаз, способствующих образованию более совершенной микрокристаллической (зеренной) структуры. 2 табл.

Изобретение относится к технологии получения пьезоэлектрических керамических материалов на основе твердых растворов ниобатов калия-натрия (КНН), предназначенных для использования в электромеханических преобразователях, работающих в режиме приема, в частности, в гидроакустических приемных устройствах. Техническим результатом является улучшение спекаемости, повышение плотности пьезокерамических материалов, способность выдерживать жесткие условия поляризации для более полной переориентации сегнетоэлектрических доменов, снижение расхода сырья при производстве готовых изделий за счет исключения образования устойчивых промежуточных фаз, приводящих к нарушению стехиометрии материала, и за счет уменьшения летучести Na2O в процессе спекания. Для этого предварительно методом твердофазной реакции синтезируют соединения KNbO3 и NaNbO3, которые вводят в шихту, затем активируют шихту путем помола в планетарной мельнице с использованием мелющих тел с высокой удельной поверхностью, а спекание заготовок проводят в замкнутом объеме в присутствии засыпки порошка NaNbO3. 5 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр.
Изобретение относится к пьезокерамическим материалам и может быть использовано при создании ультразвуковых преобразователей, в частности устройств медицинской диагностики. Пьезокерамический материал на основе системы твердых растворов aNaNbO3+bKNbO3+cCuNb2O6 (а+b+с=100%) содержит оксиды натрия, калия, ниобия и меди при следующем соотношении компонентов, мас.%: Na2O - 8,56÷8,75, K2O 12,75÷13,01, Nb2O5 77,28÷77,35, CuO 1,16 или Na2O 9,22÷9,50, K2O 11,69÷12,09, Nb2O5 77,53÷77,64, CuO 1,16. Технический результат изобретения: материал характеризуется повышенным значением механической добротности (Qm=500), пониженной величиной относительной диэлектрической проницаемости (εT 33/ε=345) при сохранении высоких пьезоэлектрических характеристик. Это обусловлено образованием в процессе спекания промежуточных Сu-содержащих соединений с низкой температурой плавления, с которыми связано формирование жидких фаз, уплотняющих структуру, и, как следствие, снижающих сопротивление образца на частоте пьезоэлектрического резонанса. 2 табл.

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе ниобатов натрия, калия, лития и может быть использовано в ультразвуковых преобразователях, работающих в широком диапазоне температур в режиме приема, в частности в датчиках детонации двигателей внутреннего сгорания. Технический результат - повышение температурной стабильности относительной диэлектрической проницаемости ε33 T/ε0 и коэффициента электромеханической связи Kp материала в диапазоне температур от 293 К до 393 К, и повышение Кр до значений, превышающих 0.40, при сохранении высоких значений ε33 T/ε0 и d31. Пьезоэлектрический керамический материал содержит оксиды натрия, калия, лития, тантала, сурьмы и никеля при следующем соотношении исходных компонентов, мас.%: Na2O 8.25-8.42, K2O 10.68-10.89, Li2O 0.47-0.48, Ta2O5 10.89-11.11, Sb2O5 5.09-5.19, Nb2O5 58.96-60.16, NiO 3.75-5.66. 2 табл., 3 ил.

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе титаната свинца. Технический результат изобретения заключается в повышении значений относительной диэлектрической проницаемости ε 33 T / ε 0 = 13500 − 16460 при сохранении высоких значений пьезомодуля |d31|=131-156 пКл/Н и коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний Kp=0.19-0.24. Пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната свинца содержит, мас.%: PbO 65.61-65.92, Nb2O5 19.28-20.56, TiO2 6.19-7.46, ВаО 2.37-2.38, MgO 0.61-0.68, NiO 3.46-3.64, ZnO 0.89-0.95. 2 табл., 1 ил.

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам. Технический результат изобретения заключается в повышении температурной стабильности относительной диэлектрической проницаемости ε33 T/ε0 и коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний. Пьезоэлектрический керамический материал содержит следующие компоненты, мас.%: Na2O 8.54-8.67, K2O 11.06-11.22, Li2O 0.32, Ta2O5 11.28-11.44, Sb2O5 3.44-3.49, Nb2O5 61.05-61.95, NiO 1.94-2.87, B2O3 0.97-1.11. 2 табл., 3 ил.

Изобретение относится к получению диэлектрических материалов. Технический результат изобретения заключается в повышении диэлектрической проницаемости. Способ получения диэлектрического материала на основе ниобата кадмия включает получение смеси оксидов и последующий постадийный отжиг с промежуточным измельчением и таблетированием. Отжиг проводят в три стадии: I стадия - 700-710°C в течение 5-6 часов; II стадия - 800-810°C в течение 10-12 часов с измельчением через 5 часов; III стадия - 1130-1140°C в течение 9-10 часов, причем повышение температуры на этой стадии осуществляют со скоростью 3-5 град/мин. 2 ил.
Наверх