Результат интеллектуальной деятельности: Пьезокерамический материал

Изобретение относится к области сегнетожестких пьезокерамических материалов, устойчивых к электрическим и механическим воздействиям, предназначенных для ультразвуковых устройств и работающих при сильных электрических и механических воздействиях.

Одним из важнейших показателей качества этого класса пьезокерамических материалов является максимальная удельная мощность пьезопреобразователей на их основе P_ij, которая пропорциональна комплексному параметру [Сыркин Л.Н. "Новые пьезоактивные материалы и их применение в ультразвуковой технике", Л., 1979, стр. 44]:

P_ij ~ K²_ij⋅Q_m⋅ε^т₃₃/ε₀,

где K_ij - коэффициенты электромеханической связи К₃₁ и К₃₃ поперечных и продольных мод колебаний;

Q_m - механическая добротность;

ε^т₃₃/ε₀ - относительная диэлектрическая проницаемость.

Эти сегнетожесткие пьезокерамические материалы отличаются малыми диэлектрическими потерями tgδ в слабых и сильных полях, высокой механической добротностью и относительно высокими коэффициентами электромеханической связи. К таким материалам системы цирконата-титана свинца (ЦТС) относятся: АРС-841 (США) [Каталог фирмы «АРС International Ltd», США], PIC 241 (США) [Каталог фирмы "PI Ceramic"], отечественные пьезокерамические материалы ЦТС-23, ЦТС-24 [Материалы пьезокерамические. Технические условия (отраслевой стандарт) ОСТ 110444 - 87, М., 1987, стр. 16, 17] и др.

В таблице 1 приведены основные электрофизические параметры известных сегнетожестких пьезокерамических материалов. Как следует из данных таблицы 1, все материалы данного типа имеют близкие значения:

- пьезомодулей d₃₁ и d₃₃,

- коэффициентов электромеханической связи;

но существенно отличаются по величине:

- относительной диэлектрической проницаемости,

- механической добротности,

- тангенса угла диэлектрических потерь,

- удельной мощности излучения пьезопреобразователей.

Недостатками большинства сегнетожестких пьезокерамических материалов этого типа являются низкие значения пьезоэлектрических параметров: механической добротности, коэффициентов электромеханической связи и относительной диэлектрической проницаемости, что снижает удельную мощность пьезопреобразователей на их основе, обусловленной потерями энергии в пьезокерамическом материале.

Известен также пьезокерамический материал, включающий оксиды свинца (PbO), кадмия (CdO), циркония (ZrO₂), титана (TiO₂), вольфрама (WO₃), кобальта (СоО), германия (GeO₂) и бора (B₂O₃) [Патент РФ №2152371 МПК С04В 35/491, опубл. 10.07.2000 г.]. Недостатком этого сегнетожесткого материала также являются низкие значения пьезоэлектрических параметров: механической добротности Q_m=400-450, коэффициентов электромеханической связи Кр=0,58-0,59; К₃₁=0,33-0,34; К₃₃=0,70-0,72 и относительной диэлектрической проницаемости ε^т₃₃/ε₀=900-920, что снижает удельную мощность пьезопреобразователей на их основе, обусловленной потерями энергии в пьезокерамическом материале.

Наиболее близким к заявляемому сегнетожесткому пьезокерамическому материалу по химической композиции и назначению является принимаемый за прототип пьезокерамический материал, включающий оксиды свинца (PbO), кадмия (CdO), циркония (ZrO₂), титана (TiO₂), марганца (MnO₂), стронция (SrO), цинка (ZnO), лантана (La₂O₃), висмута (Bi₂O₃) и железа (Fe₂O₃) при следующем соотношении компонентов, мас. % [Патент РФ №2357942 МПК С04В 35/491, H01L 41/187 опубл. 10.06.2009 г.]:

Однако известный сегнетожесткий пьезокерамический материал обладает низкими значениями пьезоэлектрических параметров: коэффициентов электромеханической связи Кр=0,58-0,59; К₃₁=0,35-0,36; К₃₃=0,71-0,72, механической добротности Q_m=900-940 и относительной диэлектрической проницаемости ε^т₃₃/ε₀=1400-1430, обусловленные крупнозернистой пористой структурой сегнетожесткого пьезокерамического материала, что снижает удельную мощность преобразователей.

Цель изобретения - создание сегнетожесткого пьезокерамического материала с высокими значениями электрофизических параметров: относительной диэлектрической проницаемости, механической добротности и коэффициентов электромеханической связи.

Поставленная цель достигается тем, что в сегнетожестком пьезокерамическом материале, включающем оксиды свинца (PbO), кадмия (CdO), циркония (ZrO₂), титана (TiO₂), марганца (MnO₂), стронция (SrO), лантана (La₂O₃), дополнительно содержатся оксиды церия (CeO₂), тантала (Ta₂O₅) и сурьмы (Sb₂O₃) при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Таким образом, отличительными признаками изобретения является то, что в сегнетожесткий пьезокерамический материал дополнительно введены оксиды церия, тантала и сурьмы. Оксиды тантала и сурьмы активируют процесс спекания, повышая тем самым плотность материала, что увеличивает относительную диэлектрическую проницаемость и коэффициенты электромеханической связи. Наличие в составе оксида церия замедляет скорость рекристаллизации зерен после спекания, формируя тем самым мелкозернистую структуру в материале, что снижает потери мощности на вихревые токи и повышает механическую добротность. Совокупность признаков позволяет получить сегнетожесткий пьезокерамический материал с плотной мелкозернистой структурой, обеспечивающей высокие электрофизические параметры материала, что повышает удельную мощность пьезопреобразователей на их основе.

Изобретение поясняется таблицами 1, 2.

ПРИМЕР:

Предлагаемый пьезокерамический материал согласно формуле изготавливается по керамической технологии. Для сравнения изготавливался пьезокерамический материал по прототипу.

В качестве исходных компонентов предлагаемого сегнетжесткого пьезокерамического материала использовались оксиды: PbO - глет свинцовый марки «Г-2», CdCO₃, TiO₂, ZrO₂, SrCO₃, MnO₂, La₂O₃, CeO₂, Ta₂O₅, Bi₂O₃, Sb₂O₃, ZnO и Fe₂O₃ квалификации «хч». Смешение компонентов производилось мокрым измельчением в планетарной мельнице с шарами из оксида циркония в течение 180 минут, после сушки шихта подвергалась температурной обработке при Т=800°С в течение 2 часов, затем синтезированный материал подвергался мокрому измельчению в планетарной мельнице с шарами из оксида циркония в течение 180 минут до дисперсности S_уд=550 м²/кг на приборе ПСХ-4.

Аттестация качества синтезированного пьезокерамического материала осуществлялась на отпрессованных при давлении Р_уд=100 МПа на стандартных образцах в виде таблеток размером 25×3 мм. Спекание этих образцов проводили при температуре Т=1170-1200°С в течение 4 часов в засыпке, обеспечивающей атмосферу паров окиси свинца. На отшлифованные по толщине и диаметру образцы до размера 20×1 мм наносили серебросодержащую пасту, которую вжигали при температуре 820°С. Образцы поляризовали в воздушной среде при Т=290°С в постоянном электрическом поле напряженностью 3 кВ/мм. Определение электрофизических параметров проводилось в соответствии с [Материалы пьезокерамические. Технические условия. Отраслевой стандарт ОСТ 110444-87, М., 1987, стр. 16].

В таблице 2 приведены основные электрофизические характеристики предлагаемого пьезокерамического материала в зависимости от состава, полученные усреднением измерений характеристик 10 образцов с каждой партии. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что предлагаемый сегнетожесткий пьезоэлектрический материал обладает оптимальными, с точки зрения решаемой задачи, характеристиками в интервале величин компонентов, указанных в формуле изобретения (составы №3-5 табл. 2). В сравнении с известными пьезокерамическими материалами (таблицы 1 и 2), полученный материал имеет более высокие значения пьезоэлектрических параметров: относительной диэлектрической проницаемости ε^т₃₃/ε₀, механической добротности Q_m и коэффициентов электромеханической связи Кр, К₃₁ и К₃₃, что позволяет значительно повысить удельную мощность пьезопреобразователей на основе предлагаемого пьезокерамического материала.

Технический результат заключается в получении сегнетожесткого пьезокерамического материала с плотной мелкозернистой структурой, обеспечивающей улучшенные электрофизические параметры материала: повышенную механическую добротность Q_m=1452-1496, повышенную диэлектрическую проницаемость ε^т₃₃/ε₀=1488-1492, повышенные коэффициенты электромеханической связи Кр=0,61-0,62; К₃₁=0,37-0,39; К₃₃=0,73-0,76.