Способ получения пьезокерамического материала

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА(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) Способ получения пьезокерамического материала, включающий смешивание исходных компонентов , , 25, 2 и 2, синтез до получения твердого раствора,прессование и спекание, отличающийся тем, что перед синтезом смесь исходных компонентов подвергают механической активации с помощью тонкодисперсного помола в течение 10-18 часов, синтез проводят при температуре 80010 С, а перед стадией прессования вводят микродобавки оксидов галлия и марганца в количестве по 0,1-0,5 мас. . Изобретение относится к области получения пьезокерамических материалов с низкими температурами синтеза и спекания, обладающих высокими значениями пьезоэлектрических параметров, и может быть использовано для создания многослойных микроприводных устройств, применяющихся в электронике и электротехнике. Известен способ получения пьезоэлектрических керамических материалов на основе твердых растворов системы (1/32/3)1-3, в котором для снижения температур спекания применяется метод механохимической активации 1. Способ получения включает мокрое смешивание исходных компонентов и механическую активацию смеси в течение 10-48 часов в шаровой мельнице сушку при 80 С синтез изостатическое прессование синтезированного порошка в таблетки при давлениях 50-350 МПа спекание. В результате применения механической активации для указанной системы при использовании изостатического давления прессования перед спеканием (50-350) МПа получено снижение температур спекания соответственно до (1100-930) С. При этом плотность образцов составляла 98,89 от теоретической при давлении 350 МПа и 65 от теоретической при давлении 50 МПа. Недостатками данного способа получения пьезокерамического материала являются недостаточно высокая плотность получаемого керамического материала, излишне высо 13718 1 2010.10.30 кие значения тангенса диэлектрических потерь и низкие значения пьезоэлектрических параметров, использование высокого давления изостатического прессования (350 МПа) для достижения температуры спекания 930 С. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ получения пьезокерамического материала на основе системы(,)0,4(0,80,2)1/32/30,63, который включает смешивание исходных компонентов,в состав которых входят микродобавки оксидов марганца, меди и алюминия синтез твердых растворов системы при 950 С спекание 2. Недостатками прототипа являются высокая температура синтеза, низкая плотность керамических образцов, невозможность обеспечить получаемым керамическим образцам высокие значения пьезопараметров, что не позволяет использовать этот способ при получении керамики, пригодной для создания многослойных микроприводных устройств,применяющихся в электронике и электротехнике. Задачей предлагаемого изобретения является снижение температур синтеза и спекания пьезокерамического материала на основе (,)0,4(1/32/3)0,63, получение керамических образцов высокой плотности и с высокими значениями пьезоэлектрических параметров, что сделает возможным в процессе спекания нанесение внутренних электродов на многослойные изделия и приведет к уменьшению энергозатрат. Для решения поставленной задачи предложен способ получения пьезокерамического материала, включающий смешивание исходных компонентов , , 25, 2, 2 взятых в стехиометрическом соотношении, синтез до получения твердого раствора, прессование и спекание. Новым, по мнению авторов, является то, что перед синтезом смесь исходных компонентов подвергают механической активации с помощью тонкодисперсного помола в течение 10-18 часов, синтез проводят при температуре 80010 С, а перед стадией прессования вводят микродобавки оксидов галлия и марганца в количестве 0,1-0,5 мас. . Заявляемый способ получения пьезокерамического материала позволяет получить результат, сформулированный в задаче изобретения. Предлагаемый способ получения пьезоэлектрического керамического материала,включает следующие технологические операции помол смеси исходных высокочистых оксидов , , 25, 2, 2, взятых в стехиометрическом соотношении с добавлением изопропилового спирта в вибромельнице, в течение 10-18 часов синтез твердого раствора, который осуществляется методом твердофазных реакций в электрической печи в атмосфере воздуха при температуре 80010 С в течение 2-4 часов. Синтез производится в алундовых тиглях. После синтеза производится помол синтезированных порошков с добавлением сверх стехиометрии оксидов галлия и марганца в среде изопропилового спирта. После помола в полученную порошковую массу добавляется связующий компонент (например, клей ПВА), все тщательно перетирается, высушивается, из высушенных порошков производится прессование таблеток диаметром 12 или 16 мм при давлении 100 МПа. Спекание образцов проводится в электропечах при температурах (9301050) С в течение 2-6 часов в воздушной атмосфере. Полученные образцы имеют высокую плотность, которая составляет (97-99)от теоретической плотности. Пример 1. Время механохимической активации составляет 8-10 часов. Размер частиц после активации варьируется в пределах (200-500) нм. Температура синтеза составляет 850 С, время 4 часа. Размер зерен твердого раствора после синтеза - 1-2 мкм. В синтезированный твердый раствор дополнительно сверх стехиометрии вводится 0,1 мас.2 и 0,1 мас.2. В смесь порошков добавляется изопропиловый спирт до получения консистенции густой сметаны, указанная смесь перетирается и смешивается в яшмовой или агатовой ступке в течение 60 минут. Перетертый порошок прессуется в таблетки при давлении 100 МПа. Спрессованные образцы помещаются в электрическую печь. Обжиг керамиче 2 13718 1 2010.10.30 ских образцов происходит при температуре 1000 С в течение 4 часов. Полученные керамические образцы являются однофазными и имеют высокую плотность (97-98)от теоретической. Параметры кристаллической решетки составляют 4,0430 и 4,0899. Значения диэлектрической проницаемости - 1300, тангенса диэлектрических потерь 0,018, коэффициента электромеханической связи - 0,58, пьезомодуля - 33 37010-12 Кл/Н. Пример 2. Время механохимической активации составляет 16-18 часов. Размер частиц после активации варьируется в пределах (150-300) нм. Температура синтеза составляет 780 С,время - 6 часов. Размер зерен твердого раствора после синтеза - 1-3 мкм. В синтезированный твердый раствор дополнительно вводится 0,2 мас.2 и 0,5 мас.2. В смесь порошков добавляется изопропиловый спирт до получения консистенции густой сметаны, указанная смесь перетирается и смешивается в яшмовой или агатовой ступке в течение 60 минут. Перетертый порошок прессуется в таблетки при давлении 100 МПа. Спрессованные образцы помещаются в электрическую печь. Обжиг керамических образцов происходит при температуре 980 С в течение 4 часов. Полученные керамические образцы являются однофазными и имеют высокую плотность (97-98,5)от теоретической. Параметры кристаллической решетки составляют 4,0425 и 4,0788. Значения диэлектрической проницаемости - 1800, тангенса диэлектрических потерь 0,011, коэффициента электромеханической связи - 0,59, пьезомодуля - 33 42010-12 Кл/Н. Пример 3. Время активации составляет 16 часов, температура синтеза - 800 С, время - 2 часа. В синтезированный твердый раствор дополнительно вводится 0,5 мас.2 и 0,5 мас.2. В смесь порошков добавляется изопропиловый спирт до получения консистенции густой сметаны, указанная смесь перетирается и смешивается в яшмовой или агатовой ступке в течение 60 минут. Перетертый порошок прессуется в таблетки при давлении 100 МПа, образцы помещаются в электрическую печь и спекаются при температуре 950 С в течение 4 часов. Полученные керамические образцы являются однофазными и имеют высокую плотность(98-99)от теоретической. Параметры кристаллической решетки составляют 4,04296 и 4,0769. Значения диэлектрической проницаемости - 2100,тангенса диэлектрических потерь - 0,009, коэффициента электромеханической связи 0,62, пьезомодуля - 33 47010-12 Кл/Н. Пример 4. В керамических образцах, согласно примерам 1-3, если провести механическую активацию исходной шихты в течение 20-40 часов, начинает фиксироваться дополнительная пирохлорная фаза, наличие которой приводит к ухудшению пьезоэлектрических свойств получаемых керамик. Если активация производится в течение 2-8 часов, то плотность керамических образцов составляет 95-96 от теоретической, а температура синтеза повышается до 930 С. Пример 5. При введении в образцы, согласно примеру 3, оксида марганца и галлия свыше 0,6 мас.исчезает тетрагональность элементарной кристаллической ячейки, ячейка становится кубической и материал теряет свои пьезоэлектрические свойства. Таким образом, заявляемый способ позволяет получать пьезокерамический материал с низкими температурами синтеза и спекания, образцы которого имеют высокую плотность и высокие пьезоэлектрические параметры. Преимуществом заявленного изобретения по сравнению с известными является уменьшение температуры синтеза на 150 С, снижение температуры спекания керамического материала до 950 С при обеспечении высоких значений пьезоэлектрических параметров (2100, 3347010-12 Кл/Н,0,62,320 С) и снижении тангенса диэлектрических потерь с 0,02 до 0,009. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4