П’єзоелектричний керамічний матеріал на основі цирконату-титанату свинцю

1. П'єзоелектричний керамічний матеріал, що містить цирконат-титанат свинцю з частковим заміщенням свинцю на стронцій та барій з добавками оксидів вісмуту, цинку, марганцю, лантану, який відрізняється тим, що разом з оксидами вісмуту та марганцю додатково містить оксиди ніобію, ма 3 вісмуту та марганцю додатково містить оксиди ніобію та магнію, введені зверх стехіометрії, а також оксид заліза і фторид свинцю при наступному співвідношенні компонентів (мол.%): оксид вісмуту 0,5-2,0 оксид марганцю 0,5-2,0 оксид ніобію 2,0-6,0 оксид заліза 0,2-0,4 оксид магнію 0,5-5,0 фторид свинцю 0,1-0,2 цирконат-титанат свинцю із заміщенрешта. ням 7-8% атомів свинцю на стронцій Вміст цирконату свинцю в цирконаті-титанаті свинцю складає 50-55мол.%. Добавки оксидів вісмуту, марганцю, ніобію, магнію вводяться зверх стехіометрії. Отримання п'єзоелектричного керамічного матеріалу із збереженням високої п'єзоелектричної активності (високими значеннями коефіцієнта електромеханічного зв'язку, п'єзоелектричного модуля, механічної добротності) і підвищеною температурою фазового переходу та зниженими значеннями тангенса кута діелектричних втрат в інтервалі температур 20-150°С досягається введенням до цирконату-титанату свинцю, в якому свинець може бути заміщений на лужноземельні елементи (стронцій, барій), добавок оксидів вісмуту, марганцю, ніобію, заліза, магнію, фториду свинцю. Матеріал, який заявляється, відрізняється підвищеною температурою фазового переходу та зниженими значеннями тангенса кута діелектричних втрат в інтервалі температур 20-150°С. П'єзоелектричний керамічний матеріал отримували за керамічною технологією отримання п'єзоелектричної кераміки [6]. Приклади конкретного виконання. Приклад 1. Відповідно до керамічної технології отримання п'єзоелектричної кераміки [6] приготування шихти проводиться змішуванням та подрібненням вихідних оксидів вісмуту, марганцю, ніобію, заліза, магнію, карбонатів свинцю, стронцію, фториду свинцю у шарових ("Fritsch") та віброподрібнювачах. Розрахунок сировинних компонентів для приготування шихти проводиться перерахунком мольних відсотків у масові з урахуванням вмісту основної речовини. Попередньо вихідні компоненти зважуються на аналітичних вагах з точністю до 0,0001г за стехіометричною формулою, яка представляє собою визначене співвідношення компонентів у мол.%. Для прикладу 1 вміст оксиду ніобію складає 3мол.%, магнію - 3мол.%. Вміст решти компонентів відповідно до заявленої формули. Отримана суміш ретельно подрібнюється у планетарному шаровому подрібнювачі "Fritsch" або у віброподрібнювачі протягом 1год. Отриману шихту піддають термічній обробці, однак, для покращення реакції частинки окремих складових шихти зближали, створюючи хороший контакт між ними шляхом брикетування. Брикети готують у вигляді дисків діаметром 35мм і товщиною 10мм при тиску пресування 200-250кгс/см2. Брикети піддають термічній обробці при температурах 800-850°С протягом 3 год. у муфельних печах з метою синтезу матеріалу. Після синтезу брикети ретельно подрібню 45321 4 ються у планетарному шаровому подрібнювачі "Fritsch" або у віброподрібнювачі протягом 1 год. до дрібнодисперсного порошку із розмірами частинок до 5-10мкм. Далі готують контрольні зразки, на яких визначають електрофізичні властивості. Для приготування преспорошку [6] подрібнену шихту змішують з пластифікатором (зокрема з 5 % водним розчином полівінілового спирту) у кількості 5мас.% від маси шихти. Наприклад: 30г шихти та 1,5мл 5% розчину полівінілового спирту. Ретельно перемішують в агатовій ступці для рівномірного розподілу розчину полівінілового спирту в шихті матеріалу. Шихту з пластифікатором просіюють через сито №70 для отримання гранул, які мають приблизно однакову форму і розміри. В результаті гранулювання преспорошку отримують гранули із щільноупакованими первинними зернами, тобто із більшою густиною, що створює більш тісний контакт зерен і покращує процес спікання. Подальшим етапом є пресування дисків із діаметром 10±2мм і товщиною 1,50±0,05мм із питомим тиском пресування 1-1,5т, що на пресі типу ПГПР складає 50-60кгс/см2. Маса кожного диску приблизно 0,7г. Спікання спресованих зразків проводять при температурі 1200±50°С із витримкою при кінцевій температурі протягом 2-4год. Такий режим спікання кераміки є оптимальним і базується на експериментальних дослідженнях. Зміна режиму спікання погіршує якість кераміки і її електрофізичні властивості. Після спікання зразки шліфують на шліфувальному станку шліфувальним порошком типу М-40 з обох сторін до товщини 1мм. Якість отриманої кераміки перевіряють визначенням густини, відкритої пористості та водопоглинення методом гідростатичного зважування [7]. Для вивчення діелектричних властивостей на попередньо висушені та знежирені етиловим спиртом зразки наносять електроди шляхом впікання срібловмісної пасти при температурі 750-780°С протягом 10-15хв. Для визначення температурної залежності діелектричної проникливості і тангенсу кута діелектричних втрат використовуються ємкісні мости типу ВМ-484, МЛЕ-1, які вимірюють тангенс кута діелектричних втрат від 0,0001 до 0,56 та термостат, в кришку котрого вмонтовані електроди із немагнітної сталі. Термостат дозволяє встановлювати температуру досліджуваних зразків від кімнатної до 400°С із похибкою ±2°С, регламентованою ГСТом [8]. Для вивчення п'єзоелектричних властивостей зразки поляризують в сильному постійному електричному полі. Поляризація зразків проводиться в полісилоксановій рідині при температурі 150±10°С протягом 1год. в постійному електричному полі із напруженістю 3-4кВ/мм. Після поляризації зразки знежирюють у тетрахлористому вуглеці. Для вимірів використовують зразки в формі дисків діаметром 10±2мм і товщиною 1±0,05. Діаметр і товщина визначаються мікрометром. Вимірювання ємності зразків проводять на частоті 1 кГц на приладі "Вимірювач LCR цифровий Е7-8". Тангенс кута діелектричних втрат вимірюють одночасно з вимірюванням ємності. Діелектрична 5 45321 6 5мол.% оксиду ніобію і 2-3мол.% оксиду магнію. Кількість добавки оксиду ніобію менш за 3мол.% і більш за 6мол.% недоцільна, так як призводить до зниження електрофізичних властивостей. Отриманий матеріал відноситься до матеріалів середньої жорсткості та має знижені значення тангенса кута діелектричних втрат в інтервалі температур 20-150°С у порівнянні з відомими матеріалами середньої жорсткості з достатньо високою температурою фазового переходу. Заявлений матеріал при поєднанні високих електрофізичних характеристик (діелектричної проникливості (ε), тангенса кута діелектричних втрат (tgδ), коефіцієнта електромеханічного зв'язку (kр), п'єзоелектричного модуля (d31), механічної добротності (Qm )) має зниженні значення тангенсу кута діелектричних втрат (0,0035-0,007) в інтервалі температур 20-150°С та досить високу температуру фазового переходу (250-260°С) і може бути використаний при виготовленні керамічних електромеханічних перетворювачів, які здатні працювати в більш широкому інтервалі температур. проникливість (e) розраховується за формулою плоского конденсатора 14,4 × c × h e= d2 де с - ємність зразка, пФ; d - діаметр диску, см; h - товщина диску, см. Для визначення п'єзоелектричних характеристик використовують резонансний метод. Визначення проводять за методикою, яка описана в [9]. Приклад 2. Для приклада 2 вміст оксиду ніобію складає 4мол.%, магнію - 2мол.%. Вміст решти компонентів відповідно до заявленої формули. Далі технологічні стадії за прикладом 1. Приклад 3. Для приклада 3 вміст оксиду ніобію складає 5мол.%, магнію - 3мол.%. Вміст решти компонентів відповідно до заявленої формули. Далі технологічні стадії за прикладом 1. Властивості отриманого матеріалу наведені у таблиці. Поєднання максимальних електрофізичних властивостей має матеріал, який містить 4 Таблиця. Електрофізичні властивості п'єзоелектричної кераміки на основі цирконату-титанату свинцю з добавками оксидів вісмуту, марганцю, ніобію, магнію. Склад, мол. % Qm ТC, °С tgδ 20-150°С 0,58 d31·1012, Кл/Н 180 >500 200 0,006-0,023 0,005 0,47 110 630 260-270 0,005-0,01 1700 0,003 0,56 135 900 260-270 0,003-0,006 1800 0,003 0,58 155 980 250-260 0,003-0,007 1400 0,004 0,53 120 530 250-260 0,004-0,007 ε ЦТСтБС-2 [10] (Рb0,928Рb*0,002Sr0,07)(Zr0,496Ti0,5Fe0,004)O3+ +0,02(Mn1/2Bi1/4Mg3/2)O3+0,03Nb2O5 (Pb0,918Pb*0,002Sr0,08)(Zr0,496Ti0,5Fe0,004)O3+ +0,02(Mn1/2Bi1/4Mg)O3+0,04Nb2O5 (Рb0,928Рb*0,002Sr0,07)(Zr0,496Ti0,5Fe0,004)O3+ +0,02(Mn1/2Bii/4Mg3/2)O3+0,05Nb2O5 (Рb0,918Рb*0,002Sr0,08)(Zr0,496Ti0,5Fe0,004)O3+ +0,02(Mn1/2Bi1/4Mg)O3+0,06Nb2O5 tgδ kp 2200