Пьезоэлектрический керамический материал

Пьезоэлектрический керамический материал

Реферат

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, Q_m, (более 700), коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний, K_p, (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(Li_0.5Me_0.5)O₃-xBaTiO₃-y(K_0.5Bi_0.5)TiO₃-zM_aO_b, 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, K_p=0.21, Q_m=319 [1].

Для указанных применений материал имеет слишком большую величину ε 33 T / ε 0 и недостаточно высокое значение Q_m. 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 0.99K_0.5Na_0.5NbO₃-0.01CuO. Материал имеет для лучших составов ε 33 T / ε 0 = 237 , K_p=0.389, Q_m=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 , K_p=0.143, Q_m=877 [3].

Для указанных применений материал имеет недостаточно высокие значения K_p. 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 (Na_xK_yCd_z)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 , K_p=0.12, Q_m=1000 [4] (Прототип).

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

Задачей изобретения является снижение значений относительной диэлектрической проницаемости до ε 33 T / ε 0 = 100 − 200 ; повышение коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний, K_p, (>0.15) при сохранении высокой механической добротности, Q_m, (>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 Q_m. Введение Bi₂O₃, способствуя образованию низкоплавких Bi-содержащих эвтектик, приводит к уплотнению структуры и повышению пьезоэлектрических параметров, в частности, K_p.

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, Т_синт.=1140 K, длительность изотермической выдержки, τ₁=τ₂=6 час. Спекание образцов в виде столбиков ⌀12 мм, высотой 15-18 мм осуществлялось при τ_сп.=1450 K, длительность изотермической выдержки, τ_сп=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 Т_вжиг.=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 (K_p), прямой пьезомодуль (d₃₃), механическую добротность (Q_m) 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 K_p (0.15-0.18); при сохранении высоких значений механической добротности Q_m (730-750). Выход за пределы заявленных концентраций компонентов приводит к значительному снижению целевых параметров, в частности, K_p.

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, K_p, до 0.18 при сохранении высоких значений Q_m (744) (в лучшем составе - пример №3 из табл.1).

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

Высокие значения Q_m и K_p 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 (R_i=R_H) (обычно реализуемое в выпускаемой промышленностью радиоэлектронной аппаратуре выходное сопротивление R_H~ 50 Ом длит высоких частот), используя формулу для емкостного сопротивления преобразователя: R_i=1/ωС, где R_i - емкостное сопротивление преобразователя, Ом; ω - круговая частота, Гц; C - емкость, Ф; - можно приблизительно оценить интервалы значений емкости С=1/2πfR_i 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, Fe₂O_3, при следующем соотношении компонентов, мас.%:Na₂O 16.32-16.40Nb₂O₅ 79.81-80.20SrO 0.63-0.63Li₂O 1.12-1.13Al₂O₃ 0.40-0.40Вi₂O₃ 0.92-1.28Fe₂O₃ 0.32-0.44