DE893409C - Verfahren zur Stabilisierung der Empfindlichkeit piezoelektrischer Elemente aus metallischen Titanaten - Google Patents

Description

• Verfahren zur Stabilisierung der Empfindlichkeit piezoelektrischer Elemente aus metallischen Titanaten Die Erfindung betrifft die Behandlung solcher metallischer Titanate, die piezoelektrische Eigenschaften zeigen.
• Die metallischen Titanate sind keramische Körper, die normalerweise wegen ihrer piezoelektrischen Eigenschaften in der Form von dünnen blätterförmigen Elementen mit einer Dicke im Bereich von annähernd o,oo4 bis 0,3 mm verwendet werden. Normalerweise werden, solche Titanate von Metallen der Gruppe II A des Periodischen Systems (Erd-Alkalimetalle) abgeleitet. Typische Beispiele von Titanaten, mit denen sich die vorliegende Erfindung .beschäftigt, sind Barium-Titanat, Strontium-Titanat, Calcium-Titanat, Magnesium-Titanat, Aluminium-Titanat, Mangan-Titanat, die Titanate der seltenen Erden und Mischungen aus zwei oder mehreren dieser Titanate. Vom praktischen Standpunkt sind Körper aus Barium-Titanat oder solche, in denen Barium-Titanat über andere vorhandene Titanate überwiegt, die geeignetsten der metallischen Titanate zum Gebrauch als piezoelektrische Elemente. Aus diesem Grunde bezieht sich die Erfindung hauptsächlich auf diese. In den dünnen Blattformen, in, denen .die metallischen Titanate hergestellt werden., ist die Struktur des Titanats polykristallin. Indessen können die Titanate auch als Einkristalle hergestellt werden, und der Gegenstand der später näher :beschriebenen Erfindung ist sowohl auf die Behandlung der polykristallinen als auch der monokristallinen Elemente anwendbar.
• Wenn auch metallische Titanate, insbesondere Barium-Titanat, gewisse wichtige Vorzüge gegenüber anderen piezoelektrischen Materialien, wie z. B. Rochelle-Salz-Kristallen, besitzen, so leiden sie doch unter dem Nachteil, daß sie einen verhältnismäßig beträchtlichen Teil- ihrer Empfindlichkeit über einen längeren Zeitraum verlieren. So können beispielsweise keramische Barium-Titanatkörper bis zu 30 °/o ihrer Empfindlichkeit innerhalb von 5 bis 6 Monaten verlieren. Bei der Ausbildung von Geräten, die solche Elemente verwenden, ist dementsprechend diese Charakteristik in Rechnung zu stellen, was jedoch Schwierigkeiten, höhere Kosten und andere unerwünschte Probleme schafft.
• Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß es möglich ist, die Eigenschaften der metallischen Titanate zu stabilisieren, so daß sie über längere Zeiträume im wesentlichen konstant bleiben. Im einzelnen wurde gefunden, daß, wenn metallische Titanate einer bestimmten Wärmebehandlung unterworfen werden, sie eine Empfindlichkeit erreichen, die über praktisch unbegrenzte Zeiträume konstant bleibt.
• Die erfindungsgemäße Wärmebehandlung besteht darin, daß die metallischen Titanate, vorzugsweise in der Form dünner Blättchen von beispielsweise 0,004 bis 0,3 mm Dicke, in elektrisch geladenem Zustand für einen bestimmten Zeitraum einer Temperatur ausgesetzt werden, die kurz unterhalb des Curie-Punktes für den betreffenden Titanatkörper liegt. Die Temperatur liegt annähernd 15'°' C unterhalb des Curie-Punktes, und die Erwärmungsdauer beträgt mindestens mehrere Stunden, worauf der Körper entweder einer plötzlichen' Abkühlung oder einem langsamen Abkühlenlassen unterworfen werden kann. Im Falle von Barium-Titanat, dessen Curie-Punkt bei 1161' C liegt, kann. .die Wärmebehandlung bei Temperaturen zwischen etwa loo und 115'° C für 3 bis 4 Stunden durchgeführt werden, wonach der Körper abgekühlt oder auskühlen gelassen wird, und zwar beispielsweise bis auf Raumtemperatur oder, wenn dies aus bestimmten Gründen erwünscht ist, darunter. Auf jeden Fall ist es wesentlich, .daß die Erhitzung unterhalb des Curie-Punktes durchgeführt wird, da sonst die piezoelektrischen Eigenschaften des Titanatkörpers zerstört werden. Es ist jedoch sehr vorteilhaft, die Wärmebehandlung bei Temperaturen so nahe wie möglich unterhalb des Curie-Punktes durchzuführen, um den Höchstgrad von Stabilität zu erreichen. Es lassen sich indessen gute Resultate erreichen, wenn die Behandlungstemperatur zwischen, nicht mehr als 15° C unterhalb des Curie-Punktes bis dicht an den Curie-Punkt liegt. Zur Ausführung der Wärmebehandlung ist jede geeignete Einrichtung verwendbar, wie z. B. Öfen mit ausreichender Temperaturkontrolle und Mitteln für die Kontrolle der Atmosphäre, kochende Wasserbäder, beheizte Ölbäder, in die die Elemente unmittelbar eingetaucht werden können, sofern die Badflüssigkeit .diese Elemente nicht angreift. In verschiedenen Fällen kann es vorteilhaft sein, die Wärmebehandlung in reiner oder annähernd reiner Sauerstoffatmosphäre durchzuführen. Es ist klar, daß die verschiedenen metallischen Titanate verschiedene Curie-Punkte besitzen. Einige von ihnen, beispielsweise Strontium-Titanat, besitzen Curie-Punkte, .die wesentlich unter o° C liegen. In der Praxis ist es jedoch ratsam, mit solchen Titanaten zu arbeiten, die piezoelektrische Eigenschaften besitzen und deren Curie-Punkt bei verhältnismäßig höheren Temperaturen liegt, wofür Barium-Titanat ein besonders geeignetes Beispiel darstellt. Jedenfalls sind die Grundgedanken der vorliegenden Erfindung allgemein auf metallische Titanate mit piezoelektrischen Eigenschaften anwendbar.
• Die Herstellung metallischer Titanatkörper in der Form dünner Blätter ist bekannt und in verschiedenen Patentschriften beschrieben. Auch Verfahren für die elektrische Ladung dieser Körper sind bekannt und beispielsweise in der »Physical Review« vom Juli 1947 beschrieben. Dementsprechend gehört das Herstellungsverfahren der dünnen Blätter aus metallischem Titanat und das Ladungsverfahren nicht zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Behandlung elektrisch geladener piezoelektrischer Elemente aus metallischen Titanaten zur Stabilisierung ihrer Empfindlichkeit über lange Zeiträume, dadurch gekennzeichnet, daß die geladenen Elemente einer Temperatur zwischen dem Curie-Punkt und etwa 15° C unterhalb des Curie-Punktes unterworfen werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, unter Verwendung von Erd-Alkali-Titanaten, wie Barium-, Strontium-, Calcium-, Magnesium-,Aluminium-und Mangan-Titanaten und solchen der seltenen Erden sowie Mischungen hiervon, dadurch gekennzeichnet, daß die Titanatkörper in Form dünner Blätter in elektrisch geladenem Zustand einer mehrere Stunden dauernden Wärmebehandlung unterworfen und danach bis auf Raumtemperatur abgekühlt werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch i und 2, gekennzeichnet durch eine Wärmebehandlung von Blättern aus metallischem, insbesondere Barium-Titanat von 0,004 bis o;3 mm Dicke bei einer vom Curie-Punkt bis etwa 15°` C unterhalb des Curie-Punktes fallenden Temperatur und nachfolgender Abkühlung.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 zur Behandlung von Barium-Titanatkörpern, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung zwischen loo bis 115° C für etwa 3 bis 4 Stunden mit nachfolgender Abkühlung durchgeführt wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung in einer im wesentlichen aus freiem Sauerstoff bestehenden Atmosphäre erfolgt.