Пьезоэлектрический материал

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Авторы Троянчук Игорь Олегович Шаповалова Елена Федоровна Чобот Александра Николаевна Мантыцкая Ольга Станиславовна Терешко Нина Викторовна(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Пьезоэлектрический керамический материал на основе феррита висмута со структурой перовскита, отличающийся тем, что дополнительно содержит ионы лантана в соотношении, соответствующем химической формуле 1-3, где 0,130,18. Изобретение относится к области электроники, в частности к пьезоэлектрическим материалам на основе сложных оксидов со структурой перовскита, применяемым в высокотемпературных многофункциональных устройствах (преобразователи, датчики, системы управления). Известен пьезоэлектрический керамический оксидный материал, используемый для преобразования электрических сигналов в механические колебания 1. Этот материал представляет собой сложный оксид со структурой перовскита, содержащий свинец (Р) в А-подрешетке и никель , алюминий , ниобий , цирконийи титанв В-подрешетке перовскитной структуры. Пьезоэлектрический керамический оксидный материал со структурой перовскита, описываемый в указанном источнике, позволяет путем изменения состава задавать нужные свойства при использовании его в многофункциональных системах управления. Недостатком этого пьезоэлектрического материала является сложный состав, содержащий токсичные компоненты (свинец), получение его представляет сложный технологический процесс и требует больших энергетических затрат (синтез при температуре выше 1200 С). Наиболее близким по существенным признакам к заявляемому техническому решению является пьезоэлектрический керамический материал, представляющий сложный оксид со структурой перовскита с общей химической формулой 3. Пьезоэлектрический эффективный коэффициент 33, измеренный при комнатной температуре, равен 50-60 / 2. 16439 1 2012.10.30 К недостаткам указанного материала следует отнести недостаточно большую величину пьезоэлектрического коэффициента 33, получение его представляет сложный многоступенчатый технологический процесс, который необходим для получения однофазного продукта, а также высокую пористость, ухудшающую механические свойства. Задачей, решаемой данным изобретением, является разработка пьезоэлектрического керамического материала на основе феррита висмута с большой величиной эффективного пьезоэлектрического коэффициента 33 и упрощение технологии изготовления. Поставленная задача решается тем, что пьезоэлектрический керамический материал на основе феррита висмута со структурой перовскита дополнительно содержит ионы лантана в соотношении, соответствующем химической формуле 1-3, где 0,130,18. На фигуре представлены результаты измерения при комнатной температуре эффективного пьезоэлектрического коэффициента 33 состава 0,840,163, синтезированного при 950 С в течение 10 часов (линейный пьезоэлектрический параметр 33 измерялся методом пьезосиловой микроскопии). В таблице представлены результаты измерения при комнатной температуре эффективного пьезоэлектрического коэффициента 33 твердых растворов с другим содержанием лантана, синтезированных при 950 С в течение 10 часов. Величина эффективного пьезоэлектрического коэффициента 33 состава 0,840,163 больше, чем для составов с другим содержанием лантана. Сущность изобретения заключается в том, что в пьезоэлектрическом материале на основе феррита висмута при частичном замещении ионов висмута ионами лантана в результате размерного эффекта возникает морфотропная фазовая граница, где полярная фаза переходит в антиполярную через двухфазное состояние. Это обеспечивает больший пьезоэлектрический эффект. Частичная замена ионов висмута лантаном в А-подрешетке перовскитной структуры позволяет получить пьезоэлектрический материал, проявляющий пьезоэлектрический эффект при комнатной температуре с величиной эффективного пьезоэлектрического коэффициента 33 в 4 раза больше, чем в керамике феррита висмута 2. Перечисленные особенности заявляемого пьезоэлектрического материала на основе феррита висмута являются существенными отличиями по сравнению с прототипом, так как их отсутствие не позволяет достичь поставленной цели - получить пьезоэлектрический материал с большой величиной эффективного пьезоэлектрического коэффициента 33, с упрощенной технологией изготовления при снижении энергетических затрат. Пример конкретного осуществления. Твердые растворы состава 1-3 (0,12-0,18) были получены по обычной керамической технологии из простых оксидов и карбонатов, смешанных в стехиометрическом соотношении в планетарной мельнице -100 фирмы . Спрессованные под давлением 3 /см 2 таблетки помещались в разогретую печь и после синтеза при 950 С в течение 10 часов охлаждались со скоростью 500 С/ч до комнатной температуры. Рентгеноструктурные исследования проведены на дифрактометре ДРОН-3 в - излучении. Расчет кристаллической структуры выполнялся с помощью программы . Линейный пьезоэлектрический параметр 33 измерялся методом атомной силовой микроскопии пьезоотклика. Расчет кристаллической структуры показал, что твердые растворы 13 при 0,16 кристаллизуются в полярной пространственной группе 3, тогда как при 0,17 образцы были двухфазными. Одна из фаз описывалась полярной ромбоэдрической пространственной группой 3, а другая - антиполярной орторомбической группой . Анализ результатов показывает, что оптимальным является состав с 0,16, в котором достигается наибольшая величина эффективного пьезоэлектрического коэффициента 33 при комнатной температуре. При отклонении содержания лантана от значения 0,16 наблюдалось уменьшение значения эффективного пьезоэлектрического коэффициента 33 16439 1 2012.10.30 Преимуществом заявляемого материала по сравнению с известным является более высокий эффективный пьезоэлектрический коэффициент, который в 4 раза больше, чем в феррите висмута. Получение этого материала по обычной керамической технологии не требует длительного времени и больших энергетических затрат. Зависимость эффективного пьезоэлектрического коэффициента 33 от концентрации лантана в твердых растворах В 1-3 Состав, 33,/ Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3