Пироэлектрический керамический материал

Пироэлектрический керамический материал

Реферат

Изобретение относится к области пироэлектрических керамических материалов и может быть использовано для создания пироэлектрических детекторов для регистрации теплового и светового потоков излучения.

Известны пироэлектрические материалы, используемые в качестве рабочих тел термоэлементов, например монокристаллические пироэлектрики (RU 2079582 С1, МПК⁶ 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

(Bi_1/2A_1/2)_1-x (Sr_APb_b·Ca_c)_x TiO₃, 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.

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 d₃₃-γ/d₃₃.

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.

Материал содержит в своем составе NaNbO₃, LiNbO₃, SrO₃ при следующих соотношениях, мол.%:

NaNbO3	85,53÷87,24
LiNbO3	12,22÷12,46
SrO3	0,3÷2,25

Такая система имеет низкие значения диэлектрической проницаемости (ε₃₃ ^T/ε₀=110-130), довольно низкие диэлектрические потери (tgδ=1,69%-2,98% в слабом поле), сравнительно высокие значения коэффициента электромеханической связи (К_Р=0,136÷0,225), пирокоэффициента γ=(1,3÷1,7)·10^-4 Кл·м^-2·К^-1.

Однако отношение пирокоэффициента к пьезомодулю γ/d₃₃=(7,9÷9,6)·10⁴ Н·м^-2·К^-1, что приводит к значительным виброшумам пьезоэлектрического происхождения.

Техническим результатом заявляемого изобретения является уменьшение уровня виброшумов за счет увеличения соотношения пирокоэффициента к пьезомодулю.

Технический результат достигается тем, что пироэлектрический керамический материал, включающий окислы Na₂O, Li₂O, Nb₂O₅, SrO, согласно изобретению дополнительно содержат Ag₂O или Fe₂O₃ при следующем соотношении компонентов, мол.%:

Na2O	42,5÷43,03
Li2O	6,07÷6,15
Nb2O5	48,96÷49,57
SrO	0,98÷1,0
Ag2O	0,25÷1,49
или Fe2O3	0,25÷1,49

Осуществление изобретения

Исходными материалами для синтеза взяты оксиды и карбонаты металлов следующих квалификаций:

- Na₂СО₃ -"ч.д.а",

- Nb₂O₅ - "Нбо-Пт",

- Li₂CO₃ - "хч",

- SrCO₃ - "хч",

- AgO - "ч.д.а",

- Fe₂O₃ - "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.

Поляризацию образцов проводили в полисилоксановой жидкости при 140°С в течение 45 мин в поле напряженностью 5,5·10⁶ 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°,

- объем V=59,27 ų.

Параметры ромбоэдрической фазы:

- а=3,914 Å,

- α=89,27°,

- V=59,98 ų.

Результаты испытаний электрофизических параметров составов заявляемой системы, полученных при различных концентрациях компонентов и температурах спекания, представлены в таблице.

Самые высокие значения γ/d₃₃=20,8·10⁶ Н·м^-2·К^-1; γ=3,0·10^-4 Кл·м^-2·К^-1; коэффициента электромеханической связи К_Р=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_с=1020°С.

Сочетание в заявляемом материале повышенных значений γ/d₃₃ с достаточно высокими значениями γ, К_Р, сравнительно низкими значениями относительной диэлектрической проницаемости ε₃₃ ^T/ε₀, 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.).

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/d₃₃ повышению tgδ, ε₃₃ ^Т/ε₀.

Источники информации

1. RU 2079582 С1, МПК⁶ 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 NaNbO3-Li2O-Nb2O5-SrO-Ag2O(Fe2O3)
№ пп	Na2O	Li2O	Nb2O5	SrO	Ag2O	Fe2O3	ε33 Т/ε0	tgδ, % в слабом поле	КР	γ·104,Кл·м-2·К-1	γ/d33·106,Н·м-2 К-1	ρ·103,кг·м-3	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

Пироэлектрический керамический материал, содержащий оксиды Na₂O, Li₂O, Nb₂O₅, SrO, отличающийся тем, что он дополнительно содержит Ag₂O или Fe₂O₃ при следующем соотношении компонентов, мол.%:

Na2O	42,5÷43,03
Li2O	6,07÷6,15
Nb2O5	48,96÷49,57
SrO	0,98÷1,0
Ag2O	0,25÷1,49

или

Fe2O3

0,25÷1,49