ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ
PIEZO CERAMIC MATERIAL

Изобретение относится к области сегнетожестких пьезокерамических материалов, устойчивых к электрическим и механическим воздействиям, предназначенных для ультразвуковых устройств, работающих в силовых режимах таких как ультразвуковые излучатели, генераторы высокого напряжения, двигатели и пьезотрансформаторы, в том числе и многослойные из чередующихся слоев пьезокерамики и металлических электродов.
Одним из важнейших показателей качества этого класса пьезокерамических материалов является максимальная удельная мощность пьезопреобразователей на их основе, которая пропорциональна комплексному параметру
31
33
Kij - коэффициенты электромеханической связи К и К поперечных и продольных мод колебаний;
м
Q - механическая добротность;
т
33
0
ε /ε - относительная диэлектрическая проницаемость.
Эти пьезокерамические материалы отличаются малыми диэлектрическими потерями в слабых и сильных полях, высокой механической добротностью и относительно высокими коэффициентами электромеханической связи. К таким материалам системы цирконата-титана свинца (ЦТС) относятся: PZT-4 (США) [2], К 1300 (США) [3], 4 В (Япония) [4], отечественные пьезокерамические материалы ЦТС-23 [5], ЦТС-24 [5], ЦТС-174 [6] и др.
В таблице 1 приведены основные электрофизические параметры заявляемого и известных пьезокерамических материалов. Как следует из данных таблицы 1, все материалы данного типа имеют близкие значения:
- пьезомодулей (за исключением ЦТС-174),
- относительной диэлектрической проницаемости,
- коэффициентов электромеханической связи;
но существенно отличаются по величине:
- механической добротности,
- удельной мощности излучения пьезопреобразователей.
Недостатками большинства сегнетожестких материалов этого типа являются относительно невысокая механическая добротность и высокая температура спекания (1200÷1300°С), что требует при изготовлении монолитных многослойных изделий применения в качестве электродов дорогостоящей платины.
Наиболее близким к заявляемому сегнетожесткому пьезокерамическому материалу по химической композиции и назначению является принимаемый за прототип, отечественный пьезокерамический материал ЦТС-174 [6].
0,47
0,53
3
3
0,98Pb(TiZr)О+0,02CdMnO.
Этот материал обладает низкими диэлектрическими потерями, высокой электромеханической добротностью, относительно низкой температурой спекания керамики. Недостатками данного материала являются: невысокие коэффициент электромеханической связи и удельная мощность излучения пьезопреобразователей на его основе.
Предлагаемый пьезокерамический материал по величине удельной мощности излучения превосходит все перечисленные материалы данного типа благодаря высоким значениям механической добротности и коэффициентам электромеханической связи.
Кроме того, предлагаемый материал за счет низкой температуры спекания (1000÷1050°С) позволяет изготовление многослойных монолитных изделий без использования в качестве электродов дорогостоящей платины, что в несколько раз снижает стоимость многослойных пьезокерамических изделий, например многослойных пьезотрансформаторов. В этом случае можно использовать электроды из сплава серебра с палладием.
3
2
3
2
3
2
3
2
Как известно, улучшить свойства пьезокерамических материалов системы ЦТС можно путем введения модифицирующих добавок [7, 8, 9]. Модификаторы различаются по типу замещений (изовалентного или гетеровалентного) и способу распределения атомов модификаторов по местам А и (или) В в решетке перовскита АВО. Введение при определенном сочетании в материал системы ЦТС модифицирующих добавок оксидов: цинка (ZnO), кадмия (CdO), бора (ВО), висмута (BiO), лантана (LaО), стронция (SrO), марганца (MnO) и др., позволяет существенно снизить температуру спекания керамики [6].
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в создании сегнетожесткого пьезоэлектрического материала с улучшенными основными электрофизическими параметрами, обладающего повышенными характеристиками:
2
т
31
м
33
0
- удельной мощностью излучения пьезопреобразователей K ·Q·ε /ε;
м
- механической добротностью Q;
- коэффициентами электромеханической связи и низким тангенсом угла диэлектрических потерь, а также пониженной температурой спекания.
2
3
2
2
3
2
3
2
3
Поставленная задача решается в пьезокерамическом материале, включающем оксиды свинца (PbO), кадмия (CdO), циркония (ZrO), титана(TiO), марганца (MnO) и дополнительно содержащем оксиды стронция (SrO), цинка (ZnO), лантана (LaО), висмута (BiO) и железа (FeО) при следующем соотношении компонентов, мас.%:
PbO - 63,233-65,404
SrO - 1,318-2,226
CdO - 0,099-0,490
ZnO - 0,248-0,995
ZrO<sub>2 </sub>- 18,990-19,539
La<sub>2</sub>О<sub>3</sub> - 0,643-0,768
TiO<sub>2</sub> - 11,141-11,471
Bi<sub>2</sub>O<sub>3</sub> - 0,470-1,900
MnO<sub>2</sub> - 0,131-0,532
Fe<sub>2</sub>О<sub>3</sub> - 0,099-0,490
Таким образом, отличительными признаками изобретения является то, что в сегнетожесткий материал дополнительно введены оксиды стронция, цинка, висмута, лантана и железа. Перечисленная совокупность отличительных признаков позволяет достичь технического результата, заключающегося в создании сегнетожесткого пьезокерамического материала с улучшенными основными функциональными параметрами, обладающего повышенной удельной мощностью излучения, повышенной механической добротностью, повышенными коэффициентами электромеханической связи, низким тангенсом угла диэлектрических потерь, а также пониженной температурой спекания.
Изобретение поясняется таблицами 1, 2.
Пример
Предлагаемый материал изготавливался по обычной "керамической" технологии.
2
2
2
2
3
2
3
2
3
уд
2
В качестве исходных компонентов предлагаемого сегнетожесткого материала использовались оксиды: PbO - свинцовой марки "Г-2", TiO, ZrO, SrO, CdO, MnO, BiO, ZnO, LaO и FeО квалификации "ч". Смешение компонентов производилось в вибромельнице в течение 30 мин, после чего шихта подвергалась температурной обработке (синтезу) при Т=800°С в течение 4 часов. Затем синтезированный материал подвергался помолу в вибромельнице в течение 30 мин до дисперсности S=5000 см/г, измеренной по газопроницаемости на приборе ПСХ-4.
(уд)
2
Аттестация качества синтезированного материала осуществлялась на отпрессованных при δ=900 кг/см заготовках стандартных образцов диаметром 25 мм и толщиной 3 мм. Спекание заготовок проводилось при Т=1000°С в течение 5 часов в засыпке, обеспечивающей атмосферу паров окиси свинца. На отшлифованные до размера ⌀ 20 мм × 1 мм заготовки наносили серебряную пасту, которую вжигали при Т≈830°С.                                                                                                                                                                                                         Образцы поляризовали в полиэтилсилоксановой жидкости при Т≈150°С в постоянном электрическом поле напряженностью 3 кВ/мм. Определение электрофизических параметров проводилось в соответствии с ОСТом [5].
В таблице 2 приведены основные электрофизические параметры предлагаемого материала в зависимости от состава.
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что предлагаемый сегнетожесткий пьезокерамический материал обладает оптимальными, с точки зрения решаемой задачи, характеристиками в интервале величин компонентов, указанных в формуле изобретения (состав №4, табл.№2).
В сравнении с пьезокерамическими материалами ЦТС-23, -24, ЦТС-174 и PZT-4 (табл.№1, №2) полученный материал имеет более высокие значения удельной мощности излучения пьезопреобразователей, механической добротности, коэффициентов электромеханической связи, кроме того, спекание керамики осуществляется при температурах, не превышающих 1050°С, в то же время все материалы системы ЦТС этого типа спекаются при Т=1200÷1400°С [6].
Источники информации
1. Сыркин Л.Н. "Новые пьезоактивные материалы и их применение в ультразвуковой технике", Л., 1979, стр.44.
2. Каталог фирмы "Vernitron", США.
3. Каталог фирмы "AuRa Ceramics Jnc.", США.
4. Каталог фирмы "Sumitomo", Япония.
5. Материалы пьезокерамические. Технические условия (отраслевой стандарт) ОСТ 110444 - 87, М., 1987, стр.16, 17.
6. Грибовский П.О. "Керамические твердые схемы", М., Энергия, 1971, стр.70, стр.78.
7. Гринева Л.Д., Фесенко Е.Г. "Классификация модификаторов системы титанат - цирконат свинца". Сб. "Кристаллизация и свойства кристалов", Новочеркасск, 1974, стр.99-107.
8. Гринева Л.Д., Данцигер Л.Я., Фесенко Е.Г. "Зависимость между основными электрофизическими параметрами модифицированного твердого раствора цирконата - титаната свинца (ЦТС)", "Материалы IV межотраслевой конференции по методам получения и анализа ферритовых, сегнето-пьезоэлектрических и конденсаторных материалов и сырья из них", Донецк, М., 1973, стр.108-112.
9. Фельдман Н.Б. и др. "Структура и свойства пьезокерамических твердых растворов ЦТС с добавками окислов лантана и ниобия". Вопросы радиоэлектроники, 1962, сер. III, вып.7.