пьезоэлектрический керамический материал

Формула изобретения

Пьезоэлектрический керамический материал на основе метаниобата лития, включающий Li₂O и Nb₂O₅ , отличающийся тем, что дополнительно содержит SrO при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Li2O	9,02÷9,17
Nb2 O5	86,27÷86,77
SrO	4,71÷4,06

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе метаниобата лития и может быть использовано в устройствах дефектоскопического контроля оборудования атомных реакторов, работающих при высоких температурах.

Наиболее близким к заявляемому материалу по технической сущности и достигаемому результату является пьезоэлектрический керамический материал на основе метаниобата лития, включающий Li₂ O, Nb₂О₅, В₂О₃, SiO ₂, CaO. Материал имеет верхний предел рабочих температур Т_раб=(900+1220)К, пьезомодуль d₃₃=(6,9+13,0)пКл/Н, коэффициент электромеханической связи толщинной моды колебаний k_t=0,20, конечное (и низкое) отношение коэффициентов электромеханической связи толщинной k_t и планарной k_p мод колебаний k_t/k_p=20, отношение пьезомодулей d₃₃/|d₃₁=20 (низкая анизотропия пьезосвойств). (Смотраков В.Г., Панич А.Е., Полонская A.M., Еремкин В.В., Вусевкер Ю.А. Пьезокерамический материал. // Патент РФ № 2040506 от 25.07.1995 по заявке № 5058742/33 (приоритет от 14.08.1992), МПК С04В 35/00) (прототип). Для указанного применения материал имеет недостаточно высокие Т_раб, k_t, d₃₃, k_t /k_p, d₃₃/|d₃₁|.

Задачей изобретения является получение значений Т_раб =1400 К, k_t=0,32÷0,35, d₃₃=18-20 пКл/Н, k_t/k_р=d₃₃/|d₃₁| .

Указанный результат достигается тем, что пьезоэлектрический керамический материал на основе метаниобата лития, включающий Li₂O, Nb₂O₅ и добавки, в качестве добавки содержит SrO при следующем соотношении компонентов, мас.%: Li₂O - 9,02÷9,17; Nb ₂O₅ - 86,27÷86,77; SrO - 4,71÷4,06.

В качестве исходных компонентов использованы оксиды и карбонаты следующих квалификаций: Li₂CO₃ - «хч», Nb₂O₅ - «Нбо-Пт», SrO - «чда».

1. Пример изготовления пьезоэлектрического материала

Материал изготавливается по обычной керамической технологии следующим образом. Синтез осуществляется путем двукратных обжигов смеси Li₂O 9,02 мас.%,

Nb ₂O₅ 86,27 мас.%, SrO 4,71 мас.%, с промежуточным помолом синтезированного продукта. Температуры обжигов , , длительности изотермических выдержек ₁= ₂=14,4·10³ с. Спекание образцов диаметром 12÷15 мм, высотой 3-5 мм осуществляется двукратными обжигами, при этом первый обжиг при производят под давлением 10 МПа в течение 0,3·10 ³ с, а второй - без давления при Т_сп.2 1300 К в течение 7,2·10³ с. Металлизация (нанесение электродов) производится путем нанесения на плоские поверхности предварительно сошлифованных до толщины 1 мм образцов серебросодержащей пасты и последующего ее вжигания при температуре Т_вжиг =1070 К в течение 1,8·10³ с. Образцы поляризуют в полиэтиленсилоксановой жидкости при температуре 450 К в течение 2,4·10³ с в постоянном электрическом поле напряженностью 70 кВ/см.

Электрофизические характеристики определяют в соответствии с ОСТ 11.0444-87, пьезомодуль d₃₃ измеряют квазистатическим методом.

2. Пример изготовления пьезоэлектрического материала.

Материал изготавливается по обычной керамической технологии следующим образом. Синтез осуществляется путем двукратных обжигов смеси Li₂O 9,17 мас.%, Nb₂O₅ 86,77 мас.%, SrO 4,06 мас.% с промежуточным помолом синтезированного продукта. Температуры обжигов Т_синт.1 1120 К, Т_синт.2 1170 К, длительности изотермических выдержек ₁= ₂=14,4·10³ с. Спекание образцов диаметром 12-15 мм, высотой 3-5 мм осуществляется двукратными обжигами, при этом первый обжиг при производят под давлением 10 МПа в течение 0,3·10 ³ с, а второй - без давления при в течение 7,2·10³ с. Металлизация (нанесение электродов) производится путем нанесения на плоские поверхности предварительно сошлифованных до толщины 1 мм образцов серебросодержащей пасты и последующего ее вжигания при температуре Т_вжиг =1070 К в течение 1,8·10³ с. Образцы поляризуют в полиэтиленсилоксановой жидкости при температуре 450 К в течение 2,4·10³ с в постоянном электрическом поле напряженностью 70 кВ/см.

Электрофизические характеристики определяют в соответствии с ОСТ 11.0444-87, пьезомодуль d₃₃ измеряют квазистатическим методом.

На фиг.1, где изображена таблица 1, приведены основные характеристики материала в зависимости от состава, а на фиг.2, где изображена таблица 2, приведены основные электрофизические характеристики для оптимального состава предлагаемого материала.

Полученные экспериментальные данные (фиг.1, табл.1, примеры 4, 5) свидетельствуют о том, что пьезоэлектрический керамический материал предлагаемого состава обладает оптимальными с точки зрения решаемой технической задачи характеристиками в указанном интервале величин компонентов.

Данные, приведенные на фиг.2 (табл.2), подтверждают преимущества предлагаемого пьезоэлектрического керамического материала по сравнению с материалом-прототипом, а именно повышение верхнего предела рабочих температур Т _раб. до 1400 К, отношений пьезомодулей d₃₃/|d ₃₁| и коэффициентов электромеханической связи толщинной и планарной мод колебаний k_t/k_p до бесконечности за счет «сведения» к нулю |d₃₁| и k _p, повышение значений пьезохарактеристик d₃₃ и k_t. Механическая добротность Q_m материала меньше 100, относительная диэлектрическая проницаемость ₃₃ ^т/ _о~50, диэлектрические потери <2% (tg ·10²=1,9). Расширение интервалов концентраций составляющих компонентов (примеры 1, 2, 3, 6, 7 табл.1.) приводит к снижению Т_раб, d₃₃/|d₃₁|, k_t/k_p, d₃₃, k_t.

Эффект повышения указанных параметров достигается, по существу, введением в метаниобат лития (LiNbO₃) пирониобата стронция (Sr₂Nb₂O₇ ), имеющего более высокую, чем в LiNbO₃, температуру Кюри , слоистую кристаллическую структуру и ориентированную (текстурированную) зеренную структуру, наследуемые предлагаемым материалом. Благоприятствует повышению указанных параметров и использование на стадии рекристаллизации (образования зеренной структуры) при кратковременного воздействия извне приложенного давления («ковка»), способствующего текстурированию материала и, как следствие, усилению пьезоотклика.

Предлагаемый пьезоэлектрический керамический материал получают по обычной керамической технологии без использования стеклообразующих добавок (В₂О₃, SiO₂), примененных в прототипе, значительно усложняющих (ввиду их кристаллохимических особенностей) технологический процесс. Кроме того, использование токсичных соединений бора резко ограничивает круг возможных применений пьезокерамики (Директива 2002/95/ЕС Европейского парламента с пересмотром от 27 января 2003 года об использовании опасных материалов в электронике и электронных приборах). В нашем случае, простой химический состав предлагаемого материала, не содержащий легколетучих токсичных веществ, позволяет упростить и удешевить процесс производства пьезокерамических изделий.

Указанные параметры нового материала позволят его использовать в более широком диапазоне температур, а бесконечная анизотропия пьезосвойств в сочетании с низкой механической добротностью Q_m приведет к повышению отношения сигнал/шум и подавлению паразитных резонансов (ложных колебаний), искажающих форму рабочего сигнала и ухудшающих характеристики изготовленных из этих материалов датчиков. Это благоприятствует повышению разрешающей способности и чувствительности материалов и датчиков. Достижение бесконечной анизотропии пьезосвойств не сопряжено с развитием в керамиках микротрещин, как это имеет место в других высокотемпературных материалах с высокими отношениями k_t/k_p и d₃₃/|d₃₁|. Это является следствием качественно-количественного элементного состава предлагаемого материала и особенностей его кристаллической и зеренной структур. Низкие значения относительной диэлектрической проницаемости ₃₃ ^т/ _о и тангенса угла диэлектрических потерь tg материала позволяют его использовать в СВЧ-технике, а низкий удельный вес d - в устройствах, где весовые характеристики являются решающими.