ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ
PYROELECTRIC CERAMIC MATERIAL

Изобретение относится к области пироэлектрических керамических материалов и может быть использовано для создания пироэлектрических детекторов для регистрации теплового и светового потоков излучения.
6
Известны пироэлектрические материалы, используемые в качестве рабочих тел термоэлементов, например монокристаллические пироэлектрики (RU 2079582 С1, МПК С30В 29/22, дата публикации 20.05.1997) [1], содержащие оксид сурьмы, оксид ниобия и оксид никеля при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
оксид сурьмы
49-53
оксид ниобия
47-49
оксид никеля
0,4-1,8
Указанные составы позволяют увеличить пирокоэффициент γ, а также пироэлектрическую добротность γ/ε, где ε - диэлектрическая проницаемость.
По сравнению с монокристаллами керамические материалы значительно дешевле, проще в изготовлении, поляризуются в любом направлении, из них могут быть приготовлены элементы необходимой формы и размеров.
Известная пьезоэлектрическая пироэлектрическая керамическая композиция (JP 1242464, 7МПК С04В 35/46, H04L 41/18, дата публикации 1989.09.27 [2], состава
1/2
1/2
1-x
A
b
c
x
3
(BiA) (SrPb·Ca) TiO, где A - Na, К или Li, направленная на уменьшение диэлектрической постоянной и диэлектрических потерь, что приводит к повышению пироэлектрической чувствительности приемников на основе этого материала.
Недостатком известного материала является использование в его основе токсичных химических соединений на основе оксидов висмута, стронция и свинца.
33
33
Указанные выше материалы, являясь полярными диэлектриками, обладают пьезоэлектрическим эффектом. Поэтому в пироэлектрических преобразователях борьба с виброшумами пьезоэлектрического происхождения имеет принципиальное значение. Очевидно, что при любых мерах подавления виброшумов (крепление к арматуре, использование дифференциальных схем включения) следует отдавать предпочтение материалам с максимальным значением величины отношения пирокоэффициента γ к величине пьезоэлектрического модуля d-γ/d.
Из известных сегнето-пироэлектрических материалов наиболее близким по составу и достигаемому результату к настоящему изобретению является пироэлектрический пьезоэлектрический материал (А.С. SU №694478, кл. С04В 35/00) [3], принимаемый за прототип.
3
3
3
Материал содержит в своем составе NaNbO, LiNbO, SrO при следующих соотношениях, мол.%:
NaNbO<sub>3</sub>
85,53÷87,24
LiNbO<sub>3</sub>
12,22÷12,46
SrO<sub>3</sub>
0,3÷2,25
33
0
Р
T
-4
-2
-1
Такая система имеет низкие значения диэлектрической проницаемости (ε /ε=110-130), довольно низкие диэлектрические потери (tgδ=1,69%-2,98% в слабом поле), сравнительно высокие значения коэффициента электромеханической связи (К=0,136÷0,225), пирокоэффициента γ=(1,3÷1,7)·10 Кл·м·К.
33
4
-2
-1
Однако отношение пирокоэффициента к пьезомодулю γ/d=(7,9÷9,6)·10 Н·м·К, что приводит к значительным виброшумам пьезоэлектрического происхождения.
Техническим результатом заявляемого изобретения является уменьшение уровня виброшумов за счет увеличения соотношения пирокоэффициента к пьезомодулю.
2
2
2
5
2
2
3
Технический результат достигается тем, что пироэлектрический керамический материал, включающий окислы NaO, LiO, NbO, SrO, согласно изобретению дополнительно содержат AgO или FeO при следующем соотношении компонентов, мол.%:
Na<sub>2</sub>O
42,5÷43,03
Li<sub>2</sub>O
6,07÷6,15
Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
48,96÷49,57
SrO
0,98÷1,0
Ag<sub>2</sub>O
0,25÷1,49
или Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,25÷1,49
Осуществление изобретения
Исходными материалами для синтеза взяты оксиды и карбонаты металлов следующих квалификаций:
2
3
- NaСО -"ч.д.а",
2
5
- NbO - "Нбо-Пт",
2
3
- LiCO - "хч",
3
- SrCO - "хч",
- AgO - "ч.д.а",
2
3
- FeO - "хч".
Синтез образцов осуществлялся методом твердофазных реакций с двукратным обжигом при 800 и 850°С в течение 5 час каждый; спекание - методом горячего прессования при 1050-1100°С (в зависимости от состава); давление 19,6 МПа подавалось в течение 40 мин в условиях изотермической выдержки при температуре спекания.
6
Поляризацию образцов проводили в полисилоксановой жидкости при 140°С в течение 45 мин в поле напряженностью 5,5·10 В/м, с последующим охлаждением под полем до 90°С. Определение электрофизических параметров проводилось в соответствии с ОСТ 110444-87 [4]. Рентгеноструктурные исследования полученного материала показали, что при комнатной температуре в нем содержится смесь фаз: моноклинная и ромбоэдрическая.
Параметры моноклинной фазы:
- а=с=3,914 Å,
- в=3,869 Å,
- β=90,73°,
3
- объем V=59,27 Å.
Параметры ромбоэдрической фазы:
- а=3,914 Å,
- α=89,27°,
3
- V=59,98 Å.
Результаты испытаний электрофизических параметров составов заявляемой системы, полученных при различных концентрациях компонентов и температурах спекания, представлены в таблице.
33
Р
с
6
-2
-1
-4
-2
-1
Самые высокие значения γ/d=20,8·10 Н·м·К; γ=3,0·10 Кл·м·К; коэффициента электромеханической связи К=0,22 зафиксированы в составах №6, 4, 3 соответственно. Состав 6, кроме того, имеет наиболее низкие значения тангенса диэлектрических потерь tgδ=1,7% и температуры спекания Т=1020°С.
33
Р
33
0
T
Сочетание в заявляемом материале повышенных значений γ/d с достаточно высокими значениями γ, К, сравнительно низкими значениями относительной диэлектрической проницаемости ε /ε, tgδ и удельной плотности ρ является благоприятным для более эффективного его применения в пироэлектрических устройствах, где необходимо исключить влияние шумов пьезоэлектрического происхождения (акустические воздействия; упругие деформации и механические напряжения, возникающие под действием собственных инерционных сил при ускорениях от вибраций и т.п.).
33
33
0
Т
Совокупность электромеханических параметров предлагаемого материала обусловлена его качественным и количественным составом, что подтверждают также примеры 9-10 таблицы, демонстрирующие ухудшение свойств за пределами заявленной области концентраций компонентов. Нарушение заявляемых пределов приводит, как видно из табл.1, к уменьшению γ/d повышению tgδ, ε /ε.
Источники информации
6
1. RU 2079582 С1, МПК С30В 29/22, дата публикации 20.05.1997.
2. JP 1242464, 7МРК С04В 35/46, H04L 41/18, дата публикации 1989.09.27.
3. А.С. SU №694478, кл. С04В 35/00.
4. Материалы пьезокерамические. Технические условия. Отраслевой стандарт ОСТ 110444-87, М., 1998, с.18.
Таблица
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ состав системы NaNbO<sub>3</sub>-Li<sub>2</sub>O-Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub>-SrO-Ag<sub>2</sub>O(Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
№ пп
Na<sub>2</sub>O
Li<sub>2</sub>O
Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
SrO
Ag<sub>2</sub>O
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
ε<sub>33</sub> <sup>Т</sup>/ε<sub>0</sub>
tgδ, % в слабом поле
К<sub>Р</sub>
γ·10<sup>4</sup>,Кл·м<sup>-2</sup>·К<sup>-1</sup>
γ/d<sub>33</sub>·10<sup>6</sup>,Н·м<sup>-2</sup> К<sup>-1</sup>
ρ·10<sup>3</sup>,кг·м<sup>-3</sup>
T спекания, °С
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
1
43,03
6,15
49,57
1,0
0,25
-
185
2,24
0,158
2,2
13,7
4,53
1050
2
42,92
6,13
49,45
1,0
0,50
-
150
1,75
0,203
2,5
14,7
4,55
1160
3
42,81
6,12
49,32
1,0
0,75
-
145
2,7
0,22
2,4
12,9
4,31
1100
4
42,50
6,07
48,96
0,98
1,49
-
150
2,55
0,187
3,0
14,9
4,5
1100
5
43,03
6,15
48,57
1,0
-
0,25
175
2,12
0,184
2,2
11,1
4,48
1080
6
42,92
6,13
48,45
1,0
-
0,50
158
1,7.
0,176
2,6
20,8
4,5
1020
7
42,81
6,12
48,32
1,0
-
0,75
162
1,7
0,185
2,6
12,8
4,51
1070
8
42,50
6,07
48,96
0,98
-
1,49
146
2,15
0,176
2,5
12,5
4,5
1040
9
43,09
6,16
49,65
1
0,1
250
1,69
0,207
2,5
12,0
4,54
1045
10
43,09
6,16
49,65
1
0,1
180
3,39
0,162
2,1
10,2
4,5
1090