Пьезоэлектрический керамический материал

Иллюстрации

Показать все

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам. Технический результат изобретения заключается в повышении значений относительной диэлектрической проницаемости, снижении диэлектрических потерь, механической добротности и коэффициента электромеханической связи радиальной моды колебаний. Пьезоэлектрический керамический материал содержит оксиды при следующем соотношении исходных компонентов, мас.%: PbO 44.17-47.84, SrO 12.67-14.58, ВаО 6.98-8.03, TiO2 30.55-31.26, SiO2 1.96. 3 табл.

Реферат

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе титаната свинца и может быть использовано в низкочастотных ультразвуковых преобразователях, в частности, в медицинской диагностической аппаратуре, устройствах неразрушающего контроля и др.

Для указанных применений пьезоэлектрический керамический материал должен иметь высокие значения коэффициента электромеханической связи толщинной моды колебаний, Kt (более 0.40), пьезоэлектрического коэффициента, d33 (более 40), механической добротности, QM (более 500), низкие значения тангенса угла диэлектрических потерь, tgδ (менее 1.0%), коэффициента электромеханической связи радиальной моды колебаний, Kp (менее 0.10), и невысокую относительную диэлектрическую проницаемость, (от 400 до 450).

Титанат свинца, PbTiO3, является основным компонентом большинства промышленно выпускаемых пьезокерамик, а также самостоятельным функциональным материалом благодаря высоким температуре Кюри и анизотропии свойств, низкой диэлектрической проницаемости. Недостатком титаната свинца является ограниченное разнообразие свойств, саморазрушение керамики, сложная технология изготовления материалов на его основе. Одним из путей улучшения технологичности и изменения свойств титаната свинца является модифицирование, в том числе, и щелочноземельными элементами [1-3].

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната свинца, включающий PbTiO3, CaTiO3, Pb(W1/2Co1/2)O3, Pb(W1/2Zn1/2)O3, Pb(BO2)2, PbMnO3. Материал имеет параметры , tgδ=0.012-0.020, Kt=0.51-0.59, Kp=0.026-0.039, QM=10-30, Tk=270-327°C [4].

Для указанных применений материал имеет низкие значения и QM, высокие диэлектрические потери (tgδ). Кроме того, недостатком указанного материала является его многокомпонентный состав, что усложняет технологию изготовления. Материал спекается по обычной керамической технологии в атмосфере кислорода.

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната свинца, включающий PbTiO3, La2/3TiO3, Pb(W1/2Mn1/2)O3. Материал имеет параметры , Kt=0.40-0.44, Kp=0.08, QM=1260-1660, d33=50-55 пКл/Н, Tk=448-462°С [5].

Для указанных применений материал имеет низкие значения и высокие значения QM. Кроме того, указанный материал изготавливается дорогостоящим методом горячего прессования.

Известен пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната свинца, описываемый формулой Pb0.88(La0.6Nd0.4)0.08(Mn1/3Sb2/3)0.02Ti0.98O3 и дополнительно содержащий Co2O3 от 0.15 до 0.85 мас.%. Материал имеет составы с параметрами: , tgδ=0.0031-0.0041, Kt=0.46-0.49, d33=74-78 пКл/Н, QM=1254-2162, Kp=0.12-0.14, Tk=321-322°С [6].

Для указанных применений материал имеет низкие значения и слишком высокие значения QM. Кроме того материал имеет многокомпонентный состав, содержит элементы с переменной валентностью, что усложняет технологический процесс и приводит к неповторяемости параметров материала.

Наиболее близким к заявляемому материалу по технической сущности и достигаемому результату является пьезоэлектрический керамический материал на основе титаната свинца, описываемый формулой Pb0.76(Са0.24-xSrx)Ti0.96(Mn1/3Sb2/3)0.04O3, 0<х≤0.05, и содержащий добавки Na2CO3 и Li2CO3 в количестве 0.1-0.3 вес.%. Материал имеет лучшие составы с параметрами: , Kt=0.439-0.498, d33=65-70 пКл/Н, QM=1237-1937 [7] и принят за прототип. Материал имеет недостаточно высокую величину и высокие значения QM.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение значений относительной диэлектрической проницаемости до значений , снижение диэлектрических потерь tgδ менее 1.0%, механической добротности до QM=500-700 и коэффициента электромеханической связи радиальной моды колебаний Kp менее 0.10 при сохранении высоких значений пьезомодуля d33 более 40 пКл/Н и коэффициента электромеханической связи толщиной моды колебаний Kt более 0.40. При этом материал должен быть изготовлен по обычной керамической технологии, допускающей его массовое производство.

Указанный технический результат достигается тем, что пьезоэлектрический керамический материал, содержащий оксиды PbO, SrO и TiO2, согласно изобретению содержит дополнительно оксиды ВаО и SiO2 при следующем соотношении исходных компонентов, мас.%:

PbO 44.17-47.84
SrO 12.67-14.58
ВаО 6.98-8.03
TiO2 30.55-31.26
SiO2 1.96

Исследования, проведенные авторами, показали, что введение в твердые растворы на основе титаната свинца щелочноземельных катионов, частично замещающих свинец в А-подрешетке и обладающих по сравнению с катионом свинца меньшей электроотрицательностью и поляризующим действием, приводит к снижению степени ковалентности А-O связей и, как следствие, к снижению спонтанной деформации, усилению «сегнетомягкости» материала, то есть повышению его диэлектрической проницаемости. Введение оксида кремния, относящегося к группе стеклообразующих, способствует улучшению технологичности заявляемого пьезокерамического материала за счет участия жидких фаз в спекании образцов.

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

В таблице 2 приведены сравнительные электрофизические параметры прототипа и оптимальных составов заявляемого пьезоэлектрического керамического материала.

В качестве исходных компонентов использованы оксиды и карбонаты следующих квалификаций: PbO «ч» (99.0%), SrCO3 «чда» (99.5%), ВаСО3 «чда» (99.5%), TiO2 «ч» (98.0%), SiO2 «осч» (99.9%).

Пьезоэлектрический керамический материал изготавливают по обычной керамической технологии следующим образом. Синтез осуществляют путем двукратного обжига смесей при температурах T12=950-980°С при длительности изотермических выдержек τ12=4 ч. Спекание образцов в виде столбиков ⌀12 мм, высотой 15-18 мм осуществляют при Тсп=1200-1260°С при длительности изотермической выдержки τ=3 ч. Металлизацию (нанесение электродов) производят путем нанесения на плоские поверхности предварительно сошлифованных до толщины 1 мм образцов серебросодержащей пасты и последующего ее вжигания при температуре 800°С в течение 0.5 ч. Образцы поляризуют в полиэтиленсилоксановой жидкости при температуре 140°С в течение 40 мин в постоянном электрическом поле напряженностью 2.5-5.0 кВ/мм.

В соответствии с ОСТ 11 0444-87 определяли электрофизические характеристики: относительную диэлектрическую проницаемость поляризованных образцов , тангенс угла диэлектрических потерь tgδ, пьезомодуль d33, коэффициенты электромеханической связи планарной Kp и толщинной Kt мод колебаний, механическую добротность QM. Высокотемпературные диэлектрические спектры измеряли на специальном стенде, сконструированном в НИИ физики ЮФУ, с использованием прецизионных LCR-метров Agilent 4980А. Измерения проводили в интервале температур 25-600°С и в частотном диапазоне от 25 Гц до 1.0 МГц. Глубина дисперсии относительной диэлектрической проницаемости Δε/ε0 рассчитывалась по известной формуле Δε=[((εm25Гцm1МГц)/ εm25Гц)]·100%. Для определения степени поглощения электромагнитных волн СВЧ-диапазона (1.0-9.0 ГГц) образцами заявляемого пьезоматериала использовалась установка на основе анализатора цепей Е8363В 10 Hz - 40 GHz Series PNA Network Analyzer Agilent Technologies (США).

Как следует из таблицы 1, примеры 2-4 свидетельствуют о том, что заявляемый пьезоэлектрический керамический материал обладает совокупностью электрофизических параметров, отвечающих задаче изобретения: , tgδ=0.0050-0.0061, Kt=0.48-0.50, d33=45-50 пКл/Н, Kp=0.08-0.10, QM=590-670. Выход за пределы заявленных концентраций компонентов (примеры 1, 5) приводит к снижению целевых параметров, в частности , Kt и d33.

Данные, приведенные в таблице 2, подтверждают преимущества предлагаемого пьезоэлектрического керамического материала по сравнению с материалом-прототипом, а именно повышение до значений 405-449, снижение QM до 590-670 и tgδ до 0.0052-0.0061 при сохранении высоких значений Kt=0.49-0.50 и d33=47-50 пКл/Н. Состав предлагаемого материала отличается простотой (малокомпонентностью), что упрощает технологию его изготовления и позволит использовать в массовом производстве. Следует отметить также и другие преимущества предлагаемого пьезокерамического материала, а именно повышенную стабильность параметров, что подтверждается исследованиями дисперсии диэлектрической проницаемости (глубина дисперсии минимальна в этой области (таблица 1, примеры 3, 4) и составляет Δε=9.7-21.8% в интервале рабочих температур), и высокие значения параметра, характеризующего степень поглощения электромагнитных волн СВЧ-диапазона образцами заявляемого пьезоматериала |S21|=(41-43) дБ (1.0-9.0 ГГц) (таблица 1, примеры 2, 4).

Значения , высокие значения Kt=0.49-0.50 и d33=47-50 пКл/Н заявляемого пьезоматериала определяют основное его назначение - использование в различных ультразвуковых преобразователях, работающих в частотном диапазоне 7.1-8.0 МГц (таблица 3), в частности, в устройствах медицинской диагностики; низкие значения диэлектрических потерь позволяют увеличить КПД преобразователя, который пропорционален величине ; высокая анизотропия пьезоэлектрических параметров Kt/Kp=5.4÷6.2 способствует подавлению нежелательных колебаний, улучшает отношение сигнал/шум. Указанные выше дополнительные преимущества заявляемого пьезоэлектрического материала позволяют использовать его в высокостабильных ультразвуковых преобразователях, а также при разработке защитных покрытий для медицинских приборов и персонала, работающего с источниками СВЧ-излучения; в СВЧ-антеннах различного назначения, поглотителях паразитных видов колебаний, согласующих нагрузках.

Возможность использования заявляемого пьезоматериала в указанном частотном диапазоне подтверждается следующими расчетами. При условии согласования преобразователя с нагрузкой Ri=Rн обычно реализуемое в выпускаемой промышленностью радиоэлектронной аппаратуре выходное сопротивление Rн составляет порядка 50 Ом для высоких частот, используя формулу для емкостного сопротивления преобразователя Ri=1/ωС, где Ri - емкостное сопротивление преобразователя, Ом; ω - круговая частота, Гц; С - емкость, Ф; - можно оценить интервалы значений емкости С=1/2πfRi для указанных диапазонов частот, а следовательно, и относительной диэлектрической проницаемости поляризованных элементов, , где k - коэффициент, зависящий от размеров элементов, ε0=8.85·10-12 Ф - диэлектрическая проницаемость вакуума; при k=1 .

В таблице 3 приведены области частот при разных значениях , включая заявляемый материал и прототип, реализуемые на объемных керамических образцах. Таким образом, для работы ультразвуковых преобразователей в диапазоне частот менее 10 МГц необходимы значения , что соответствует параметрам заявляемого материала.

Источники информации

1. Duran P., Fdez Lozano J.F., Capel F., Moure С. Large electromechanical anisotropic modified lead titanate ceramics // J. Mater. Science. 1989. V. 24. P. 447-452.

2. Chu S.-Y., Chen C.-H. Effect of calcium on the piezoelectric and dielectric properties of Sm-modified PbTiO3 ceramics // Sensor and Actuators A. 2001. V. 89. P. 210-214.

3. Chen T.-Y., Chu S.-Y. The piezoelectric and dielectric properties of Ca-additive Sm-modified PbTiO3 ceramics intended for surface acoustic wave devices // J. Eur. Ceram. Soc. 2003. V. 23. P. 2171-2176.

4. SU 1634655, МПК C04B 35/00, опубл. 15.03.1991. Бюл. №10.

5. SU 1135736, МПК C04B 35/00, опубл. 23.01.1985. Бюл. №3.

6. CN 101717251 (А), МПК С04В 35/472. Modified lead titanate piezoelectric ceramic material and preparation method thereof, опубл. 02.06.2010.

7. KR 10-0765176 (B1), МПК C04B 35/472. Piezoelectric ceramics and the manufacturing method thereof, опубл. 02.10.2007 - прототип.

Пьезоэлектрический керамический материал, содержащий оксиды PbO, SrO и TiO2, отличающийся тем, что он содержит дополнительно оксиды ВаО и SiO2 при следующем соотношении исходных компонентов, мас.%:

PbO 44.17-47.84
SrO 12.67-14.58
ВаО 6.98-8.03
TiO2 30.55-31.26
SiO2 1.96