Пьезокерамический материал

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Авторы Акимов Александр Иванович Савчук Галина Казимировна Летко Анжелика Константиновна(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Пьезокерамический материал, содержащий титанат свинца, цирконат свинца, цинкониобат свинца и оксид галлия, отличающийся тем, что дополнительно содержит оксид марганца 2 при следующем соотношении компонентов, мас.3 36,32-39,70 3 40,1-42,1(2/31/3)3 18,90-20,38 23 0,2-1,1 2 0,2-1,0. Изобретение относится к области получения пьезокерамических материалов и может быть использовано для изготовления многослойных микроприводных устройств, используемых в робототехнике, в биомедицине, в микрохирургии для управления режущими инструментами. В трехкомпонентных системах морфотропная область представляет собой двумерную область, поэтому для таких систем число составов с высокими значениями пьезопараметров значительно выше, чем для бинарных систем. Для тройной системы твердых растворов цинкониобата свинца - титаната свинца цирконата свинца (2/31/3)3 - (1-х)(3-3) морфотропая область (МО) наблюдается при 0,20,3. Составы твердых растворов, расположенные вблизи МО, обладают наиболее высокими пьезоэлектрическими параметрами и могут быть использованы для получения на их основе высокоэффективных пьезокерамических материалов с низкими температурами спекания. Известен пьезокерамический материал состава 0,2(2/31/3)3-0,8(3-3),содержащий комбинированную микродобавку (0,52 и 1,5) 1, позволившую снизить температуры спекания с 1225 С до 900 С. 13593 1 2010.08.30 Недостатком указанного материала является то, что при снижении температуры спекания наблюдается уменьшение пьезоэлектрических параметров получаемых керамик 33 до 23810-12 Кл/Н, к до 52 . Наиболее близким по технической сущности и составу к заявляемому изобретению является пьезокерамический материал на основе цинко-ниобата свинца-цирконата-титаната свинца следующего состава 2, мас.3 36,32-36,61 3 42,12-42,46(2/31/3)3 20,56-20,72 23 0,2-1,0. Недостатком данного пьезокерамического материала является относительно высокие диэлектрические потери (тангенс угла диэлектрических потерь (0,016-0,19), недостаточно высокая относительная диэлектрическая проницаемость (1600-1890) и недостаточно высокое значение пьезомодуля 33 (345-450)10-12 Кл/Н 3. Задачей предлагаемого изобретения является улучшение технических характеристик пьезокерамического материала с низкой температурой спекания за счет увеличения значений относительной диэлектрической проницаемости 33/0, механической добротности,пьезомодуля 33, уменьшения диэлектрических потерь. Предложен пьезоэлектрический керамический материал с низкой температурой спекания для многослойных микроприводных устройств, который позволяет устранить недостатки известных материалов такого же назначения, и обеспечивает достижение более высоких значений относительной диэлектрической проницаемости, механической добротности,пьезомодуля и меньших значений тангенса угла диэлектрических потерь. Новым является то, что материал, содержащий титанат свинца, цирконат свинца, цинко-ниобат свинца и оксид галлия, дополнительно содержит оксид марганца 2 при следующем соотношении компонентов, мас.3 36,32-39,70 3 40,1-42,1(2/31/3)3 18,90-20,38 23 0,2-1,1 2 0,2-1,0. Сущность изобретения состоит в следующем в порошок предварительно синтезированного твердого раствора (2/31/3) - (1-)(0,50,5)3 на стадии спекания наряду с оксидом галлия дополнительно вводится оксид марганца. В порошки вводится этиловый спирт до получения консистенции густой сметаны. Полученная смесь перетирается в яшмовой или агатовой ступке в течение 60 минут. Затем смесь формуется в диски при давлении 0,1 ГПа, которые обжигаются в электропечи. Полученные керамические образцы имеют высокую плотность (не ниже 98 от теоретической плотности). Конкретными примерами заявляемого материала, иллюстрирующими изобретение, являются следующие составы Таблица 1 Компонент, мас.Состав 1 Состав 2 Состав 3 Состав 4 Состав 5 Прототип 3 39,84 39,70 38,5 36,32 36,29 36,3236,61 3 40,08 40,10 41,0 42,10 42,12 42,1242,46(2/31/3)3 18,70 18,90 19,6 20,38 20,40 20,5620,72 23 1,20 1,10 0,40 0,20 0,17 0,15,0 2 0,18 0,20 0,50 1,00 1,02 Оптимальная добавка 2 находится в пределах (0,2-1,0) мас.и при увеличении ее количества уменьшается диэлектрическая проницаемость 33/0 и пьезомодуль 33. Если добавка оксида галлия меньше, чем 0,2 мас. , то повышения диэлектрической проницаемости и пьезомодуля 33 не наблюдается. 2 13593 1 2010.08.30 Свойства пьезокерамических образцов предлагаемых составов и прототипа приведены в табл. 2. Таблица 2 Параметры Прототип Состав 1 Состав 2 Состав 3 Состав 4 Состав 5 Диэлектрическая 1890 1890 1900 2100 1910 1880 проницаемость, 33/0 Диэлектрические 0,016 0,015 0,010 0,009 0,011 0.016 потери,Коэффициент электромеханической 0,60 0,60 0,61 0,62 0,61 0,60 связи,Пьезомодуль 453 454 457 470 455 453 3310-12, Кл/Н Механическая 55 55 70 120 80 57 добротность,Температура Кюри, С 305 324 322 320 310 308 Выбор в качестве легирующей микродобавки оксида марганца обусловлен тем, что наиболее стабильными ионами марганца являются ионы с валентностью 3, значения ионных радиусов которых соизмеримы с радиусами ионов 5, поэтому ионы 3 должны занимать В-позиции в кристаллической решетке. В результате замещения Впозиций ионы марганца уменьшают заряд на 2 единицы. Ионы галлия 3 занимают позиции цинка 2 и являются неизовалентной примесью, вносящей дополнительный заряд 1. Исследования показали, что при одновременном введении в керамику оксидов галлия и марганца для диэлектрической проницаемости выполняется свойство аддитивности, что позволяет получить высокие значения диэлектрической проницаемости. Дополнительное введение оксида марганца позволило увеличить плотность керамического материала, что привело в свою очередь к снижению на 44 тангенса диэлектрических потерь (с 0,016 до 0,009). Как следует из табл. 2, предлагаемый керамический материал в сравнении с прототипом позволяет повысить диэлектрическую проницаемость на 12 , увеличить механическую добротность в 1,2 раза, обеспечивать возможность получения более высокого значения пьезомодуля. Это свидетельствует о преимуществах предлагаемого керамического материала предназначенного для многослойных микроприводных устройств. Технология изготовления керамического материала проста, экологически безопасна и промышленно применима. Практическое применение заявляемого керамического материала для изготовления многослойных микроприводных устройств обеспечивает высокую эффективность их работы при более низкой их себестоимости. В настоящее время разработан состав керамического материала, а так же изготовлены опытные партии материала и изделий из него и проведены их испытания, результаты которых подтверждают получение технического результата. Источники информации 1.,,. . .2/31/3)0,2 - (0,50,5)0,8)3 .//. - 2004. - .110. - .23-31. 2. Патент РБ 10975. Пьезокерамический материал. Зарегистрирован в Государственном реестре изобретений 07.05.2008. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3