RU2414017C1 - Method of producing composite piezoelectric material - Google Patents
Method of producing composite piezoelectric material Download PDFInfo
- Publication number
- RU2414017C1 RU2414017C1 RU2010108372/28A RU2010108372A RU2414017C1 RU 2414017 C1 RU2414017 C1 RU 2414017C1 RU 2010108372/28 A RU2010108372/28 A RU 2010108372/28A RU 2010108372 A RU2010108372 A RU 2010108372A RU 2414017 C1 RU2414017 C1 RU 2414017C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- porous
- piezoelectric
- sintered
- powder
- piezoelectric material
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к микроструктурной технологии, а именно к способам получения и обработки пористой пьезокерамики и пьезокомпозитных элементов с керамической матрицей, и может быть использовано в широкополосных ультразвуковых преобразователях для медицинской диагностической и терапевтической аппаратуры, неразрушающего контроля и диагностики, работающих в частотном диапазоне 10-20 МГц.The invention relates to microstructural technology, and in particular to methods for producing and processing porous piezoceramics and piezo-composite elements with a ceramic matrix, and can be used in broadband ultrasound transducers for medical diagnostic and therapeutic equipment, non-destructive testing and diagnostics operating in the frequency range of 10-20 MHz .
Возможности совершенствования свойств пьезокерамик путем изменения химического состава материала практически исчерпаны за истекшие 50 лет. В связи с потребностью улучшения свойств материалов в последние десятилетия получили развитие технологии композиционных пьезоматериалов, которые позволяют изменять характеристики исходной пьезокерамики в широких пределах без изменения химического состава.The possibilities of improving the properties of piezoceramics by changing the chemical composition of the material have been practically exhausted over the past 50 years. In connection with the need to improve the properties of materials in recent decades, the technology of composite piezomaterials has been developed that allows you to change the characteristics of the initial piezoceramics over a wide range without changing the chemical composition.
Одним из классов пьезоэлектрических композиционных материалов является пористые пьезокерамики и керамоматричные композиты со связностью 3-3, 3-0 на их основе.One of the classes of piezoelectric composite materials is porous piezoceramics and ceramic materials composites with a connectivity of 3-3, 3-0 based on them.
Электрофизические свойства пористой пьезокерамики определяются свойствами пьезоматериала, пористостью, типом связности, формой и размером пор. В сравнении с беспористой керамикой цирконата-титаната свинца (ЦТС) для пористой пьезокерамики характерны пониженные значения акустического импеданса Za, механической добротности QM, поперечного пьезомодуля d31 и коэффициентов связи k31 и kp при практически неизменном значении d33 и повышенные значения коэффициета связи kt, продольной и объемной пьезочувствительностей (g33 и gv), объемного пьезомодуля dV=d33+2d31 и фактора приема (dV gV). Поэтому пористые пьезокерамики успешно используют в акустических приемниках, гидрофонах, датчиках давления и ультразвуковых преобразователях (Лопатин С.С., Лупейко Т.Г. Свойства пористой пьезоэлектрической керамики типа цирконата-титаната свинца. Изв. АН СССР. Сер. Неорг. Матер. - 1991. - V.27, N 9. С.1948-1951.) /1/.The electrophysical properties of porous piezoceramics are determined by the properties of the piezoelectric material, porosity, type of connectivity, shape and size of pores. Compared with porous lead zirconate titanate (PZT) ceramics, porous piezoceramics are characterized by lower values of acoustic impedance Z a , mechanical Q factor Q M , transverse piezoelectric module d 31 and coupling coefficients k 31 and k p with almost unchanged value d 33 and increased values of the coefficient the relationship of k t , the longitudinal and volumetric piezoelectric sensitivities (g 33 and g v ), the volumetric piezoelectric module d V = d 33 + 2d 31 and the reception factor (d V g V ). Therefore, porous piezoceramics are successfully used in acoustic receivers, hydrophones, pressure sensors and ultrasonic transducers (Lopatin S.S., Lupeyko T.G. Properties of porous piezoelectric ceramics such as lead zirconate titanate. Izv. AN SSSR. Ser. Inorg. Mater. - 1991. - V.27, N 9. S.1948-1951.) / 1 /.
Известны следующие способы получения пористой пьезокерамики, описанные в обзоре (Wersing W., Lubitz К., Moliaupt J. Dielectric, elastic and piezoelectric properties of porous PZT ceramics //Ferroelectrics. - 1986. - V.68, N 1/4. - P.77-79.) /2/.The following methods are known for producing porous piezoceramics described in the review (Wersing W., Lubitz K., Moliaupt J. Dielectric, elastic and piezoelectric properties of porous PZT ceramics // Ferroelectrics. - 1986. - V.68,
1. Способ выжигания полимерных гранул (BURPS - burning out of plastic spheres). Порошок ЦТС и полимерные гранулы смешиваются с органическим связующим и прессуются в виде элементов необходимой формы. Полимерные гранулы выжигаются вместе со связующим при низкой температуре, после чего керамика спекается. Пористость образца легко варьируется размером и количеством полимерных гранул и может достигать 70%.1. A method of burning polymer granules (BURPS - burning out of plastic spheres). ZTS powder and polymer granules are mixed with an organic binder and pressed in the form of elements of the desired shape. The polymer granules are burned together with a binder at a low temperature, after which the ceramics are sintered. The porosity of the sample easily varies in size and number of polymer granules and can reach 70%.
2. Способ, основанный на использовании растворимых в воде гранул. Порошок ЦТС смешивается с растворимыми в воде гранулами и органическим связующим и формуются в виде необходимых элементов. Гранулы вымываются из пресс-заготовки водой, после чего керамика спекается.2. A method based on the use of water-soluble granules. ZTS powder is mixed with water-soluble granules and an organic binder and formed into the necessary elements. The granules are washed from the billet with water, after which the ceramic is sintered.
3. Способ полимерной пены. Суспензия, состоящая из порошка ЦТС, смешанного с водой, приводится в реакцию с полимерным вспенивающим агентом для образования пористой заготовки, которая медленно сушится. Затем полимер выжигается, а керамика спекается. Этот метод позволяет получать керамические каркасы с пористостью до 95%.3. The method of polymer foam. The suspension, consisting of PZT powder mixed with water, is reacted with a polymeric blowing agent to form a porous preform, which is slowly dried. Then the polymer is burned out, and the ceramic is sintered. This method allows to obtain ceramic frames with porosity up to 95%.
4. Криохимический способ, заключающийся в быстром замораживании смеси растворов солей с последующим удалением влаги сублимацией в вакууме и термическим разложением солевого продукта. Этот метод позволяет получать высокопористые керамические каркасы, состоящие из частиц размером 5-7 мкм с пористостью до 95%.4. The cryochemical method, which consists in quickly freezing a mixture of salt solutions, followed by moisture removal by sublimation in vacuum and thermal decomposition of the salt product. This method allows to obtain highly porous ceramic frames, consisting of particles with a size of 5-7 microns with a porosity of up to 95%.
5. Способы, основанные на термическом разложении гидроксидов, карбонатов, нитратов или оксалатов, органических соединений, а также химическом травлении и активации углерода.5. Methods based on the thermal decomposition of hydroxides, carbonates, nitrates or oxalates, organic compounds, as well as chemical etching and activation of carbon.
Известен также способ изготовления пористого пьезоэлектрического керамического материала, в котором с целью повышения воспроизводимости свойств порошок пьезокерамического материала смешивают с порошком порообразователя - карбоната лития в количестве 1-10 вес.%, добавляют поливиниловый пластификатор, прессуют заготовки и подвергают термообработке для выжигания порообразователя с последующим спеканием керамики (JP 1089486 (A), HO1L 41/22, HO1L 41/24, С04В 38/02, 1985-04-03) /3/. При выжигании карбонат лития разлагается с выделением двуокиси углерода, однако, оставшийся литий вступает в реакцию с компонентами керамики с образованием локальных неравномерно расположенных легированных областей, что изменяет свойства пьезокерамики неконтролируемым образом. Малое количество порообразователя не позволяет получить микропористую керамику с пористостью выше 10%, что ограничивает возможность улучшения электрофизических параметров пьезокерамики и применения в устройствах с рабочей частотой выше 5 МГц.There is also known a method of manufacturing a porous piezoelectric ceramic material in which, in order to increase the reproducibility of properties, the powder of the piezoceramic material is mixed with a powder of a porogen — lithium carbonate in an amount of 1-10 wt.%, Polyvinyl plasticizer is added, the blanks are pressed and heat treated to burn the porogen, followed by sintering ceramics (JP 1089486 (A), HO1L 41/22, HO1L 41/24, C04B 38/02, 1985-04-03) / 3 /. When burned, lithium carbonate decomposes with the release of carbon dioxide, however, the remaining lithium reacts with ceramic components with the formation of local unevenly distributed doped regions, which changes the properties of piezoceramics in an uncontrolled manner. A small amount of a pore-forming agent does not allow obtaining microporous ceramics with porosity above 10%, which limits the possibility of improving the electrophysical parameters of piezoceramics and application in devices with an operating frequency above 5 MHz.
Модификацией описанного выше способа является способ изготовления пористой пьезоэлектрической керамики с градиентной пористостью 3-50% (CN 1953226 (A), HO1L 41/187, С04В 35/622, 2007-04-25) /4/, заключающийся в формировании 3-5 слоев пористой керамики толщиной 0,2-0,5 мм с различным содержанием органического порообразователя 0-50%. Увеличение пористости по толщине образца позволяет уменьшить акустический импеданс пористого ультразвукового преобразователя для акустического согласования с биологическими тканями или водой. Однако описанный способ не пригоден для массового производства и не позволяет получать тонкие менее 1 мм пьезоэлементы для высокочастотных ультразвуковых преобразователей.A modification of the above method is a method of manufacturing a porous piezoelectric ceramic with a gradient porosity of 3-50% (CN 1953226 (A), HO1L 41/187, C04B 35/622, 2007-04-25) / 4 /, which consists in the formation of 3-5 layers of porous ceramics with a thickness of 0.2-0.5 mm with a different content of organic blowing agent 0-50%. An increase in porosity over the thickness of the sample allows one to reduce the acoustic impedance of the porous ultrasonic transducer for acoustic matching with biological tissues or water. However, the described method is not suitable for mass production and does not allow to obtain thin less than 1 mm piezoelectric elements for high-frequency ultrasonic transducers.
Наиболее близким по способу формирования пористого керамического каркаса и достигаемому результату к заявляемому изобретению является способ изготовления пористой пьезоэлектрической керамики, основанный на термическом разложении органических соединений (JP 4024971 (А), HO1L 41/24, 1992-01-28) 151, принимаемый за прототип. С целью предотвращения образования трещин при спекании керамики синтезированный порошок пьезокерамики PZT смешивают с порообразователем в виде порошка сферических частиц парафина диаметром 900 мкм в количестве 10-20 вес.% с последующим выжиганием и спеканием пористой керамики. В результате получают крупнопористую структуру керамики с закрытой пористостью (связность 3-0) для низкочастотных ультразвуковых преобразователей. Малое количество порообразователя не позволяет получить микропористую керамику с относительной пористостью выше 10%, что ограничивет возможность улучшения электрофизических параметров пьезокерамики и применения в устройствах с рабочей частотой выше 1 МГц. Увеличение количества порообразователя и уменьшение размера сферических частиц порошка парафина приведет к слипанию частиц, неравномерному распределению пор, образованию сквозных отверстий и невозможности получения пьезоматериала.The closest in the method of forming a porous ceramic frame and the achieved result to the claimed invention is a method of manufacturing a porous piezoelectric ceramic based on the thermal decomposition of organic compounds (JP 4024971 (A), HO1L 41/24, 1992-01-28) 151, adopted as a prototype . In order to prevent cracking during sintering of ceramics, the synthesized PZT piezoceramics powder is mixed with a pore former in the form of a powder of spherical particles of paraffin with a diameter of 900 μm in an amount of 10-20 wt.%, Followed by burning and sintering of porous ceramics. The result is a large-porous structure of ceramics with closed porosity (3-0 connectivity) for low-frequency ultrasonic transducers. A small amount of a pore-forming agent does not allow obtaining microporous ceramics with a relative porosity above 10%, which will limit the possibility of improving the electrophysical parameters of piezoceramics and use in devices with an operating frequency above 1 MHz. An increase in the number of pore-forming agents and a decrease in the size of spherical particles of paraffin powder will lead to particle sticking, uneven distribution of pores, the formation of through holes and the inability to obtain piezomaterial.
Задачей настоящего изобретения является создание способа получения микропористого композиционного пьезоматериала для широкополосных ультразвуковых преобразователей для работы в диапазоне частот 10-20 МГц.The objective of the present invention is to provide a method for producing a microporous composite piezoelectric material for broadband ultrasonic transducers for operation in the frequency range 10-20 MHz.
Задача решена с достижением нового технического результата - уменьшения размера пор до 1-5 мкм, повышения относительной пористости композиционного пьезоматериала более 10% за счет введения в шихту пьезокерамического материала безусадочной пьезоактивной фазы, препятствующей усадке пьезокерамической матрицы при спекании. Заявляемый способ является универсальным и позволяет получать микропористые композиционные пьезоматериалы на основе любых пьезокерамических составов, получаемых по обычной керамической технологии, например ЦТС, титанат свинца, мета- и магнониобат свинца и др.The problem was solved with the achievement of a new technical result - reducing the pore size to 1-5 μm, increasing the relative porosity of the composite piezoelectric material by more than 10% due to the introduction of a non-shrinkable piezoelectric phase into the mixture of the piezoceramic material, which prevents the shrinkage of the piezoceramic matrix during sintering. The inventive method is universal and allows you to get microporous composite piezoelectric materials based on any piezoceramic compositions obtained by conventional ceramic technology, for example, PZT, lead titanate, lead meta- and magnoniobate, etc.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе получения пористого композиционного пьезоматериала, заключающемся в смешивания порошка пьезокерамического материала с порошком порообразователя в весовом соотношении, обеспечивающем получение пористой керамической матрицы с закрытыми порами, добавлении поливинилового пластификатора, прессовании и обжиге заготовки, согласно изобретению в качестве порошка порообразователя используют порошок предварительно спеченного исходного пьезокерамического материала с размером частиц 10-20 мкм в количестве 40-60 вес.%.The specified technical result is achieved by the fact that in the known method for producing a porous composite piezoelectric material, which consists in mixing a powder of a piezoceramic material with a pore-forming powder in a weight ratio, providing a porous ceramic matrix with closed pores, adding a polyvinyl plasticizer, pressing and calcining the preform according to the invention as pore former powder use pre-sintered piezoceramic material powder with a particle size of 10-20 microns in an amount of 40-60 wt.%.
В частном случае выполнения способа в качестве исходного пьезокерамического материала используют состав цирконата-титаната свинца Pb0,95Sr0,05Ti0,47Sr0,53О3+1% Nb2O5.In the particular case of the method, the composition of lead zirconate titanate Pb 0.95 Sr 0.05 Ti 0.47 Sr 0.53 O 3 + 1% Nb 2 O 5 is used as the starting piezoceramic material.
На фиг.1 приведена электронная микрофотография SEM, Karl Zeiss пористого композиционного пьезоматериала, полученного заявляемым способом, где 1 - частица спеченного пьезоматериала состава Pb0,95Sr0,05Ti0,47Sr0,53О3+1% Nb2O5, 2 - микропористая керамическая матрица Pb0,95Sr0,05Ti0,47Sr0,53О3+1% Nb2O5, 3 - микропора.Figure 1 shows an electron micrograph of SEM, Karl Zeiss, a porous composite piezoelectric material obtained by the claimed method, where 1 is a particle of a sintered piezoelectric material of the composition Pb 0.95 Sr 0.05 Ti 0.47 Sr 0.53 O 3 + 1% Nb 2 O 5 , 2 — microporous ceramic matrix Pb 0.95 Sr 0.05 Ti 0.47 Sr 0.53 O 3 + 1% Nb 2 O 5 , 3 — micropore.
На фиг.2 приведена зависимость коэффициента усадки Кус. диам. по диаметру образца пористого композиционного пьезоматериала Pb0,95Sr0,05Ti0,47Sr0,53О3+1% Nb2O5, полученного заявляемым способом, от содержания вес.% предварительно спеченных частиц исходного пьезокерамического материала Pb0,95Sr0,05Ti0,47Sr0,53О3+1% Nb2O5.Figure 2 shows the dependence of the shrinkage coefficient K mustache. diam. the diameter of the sample of the porous composite piezoelectric material Pb 0.95 Sr 0.05 Ti 0.47 Sr 0.53 O 3 + 1% Nb 2 O 5 obtained by the claimed method, the content of wt.% pre-sintered particles of the original piezoceramic material Pb 0, 95 Sr 0.05 Ti 0.47 Sr 0.53 O 3 + 1% Nb 2 O 5 .
На фиг.3 приведены зависимости относительной пористости Р% (кривая 1), расчетной (кривая 2) и измеренной (кривая 3) плотности ρ пористого композиционного пьезоматериала Pb0,95Sr0,05Ti0,47Sr0,53О3+1% Nb2O5, полученного заявляемым способом, от содержания вес.% предварительно спеченных частиц исходного пьезокерамического материала Pb0,95Sr0,05Ti0,47Sr0,53О3+1% Nb2O5.Figure 3 shows the dependences of the relative porosity P% (curve 1), calculated (curve 2) and measured (curve 3) density ρ of the porous composite piezoelectric material Pb 0.95 Sr 0.05 Ti 0.47 Sr 0.53 O 3 + 1% Nb 2 O 5 obtained by the claimed method, from the content of wt.% Pre-sintered particles of the starting piezoceramic material Pb 0,95 Sr 0,05 Ti 0,47 Sr 0,53 О 3 + 1% Nb 2 O 5 .
В таблице приведены электрофизические параметры пористого композиционного пьезоматериала Pb0,95Sr0,05Ti0,47Sr0,53О3+1% Nb2O5, полученного заявляемым способом, при различном содержании вес.% предварительно спеченных частиц исходного пьезокерамического материала Pb0,95Sr0,05Ti0,47Sr0,53О3+1% Nb2O5.The table shows the electrophysical parameters of the porous composite piezoelectric material Pb 0.95 Sr 0.05 Ti 0.47 Sr 0.53 O 3 + 1% Nb 2 O 5 obtained by the claimed method, with different contents of wt.% Pre-sintered particles of the original piezoceramic material Pb 0.95 Sr 0.05 Ti 0.47 Sr 0.53 O 3 + 1% Nb 2 O 5 .
Способ осуществляется следующим образом. Из синтезированного порошка пьезокерамики Pb0,95Sr0,05Ti0,47Sr0,53О3+1% Nb2O5 по обычной керамической технологии изготавливают керамические заготовки диаметром 20 мм и толщиной 20 мм. Заготовки спекают при температуре 1240°С в муфельной печи. Спеченные заготовки размалывают в шаровой мельнице и калибруют с помощью набора сит до размера 10-20 мкм.The method is as follows. From the synthesized powder of piezoelectric ceramics Pb 0.95 Sr 0.05 Ti 0.47 Sr 0.53 O 3 + 1% Nb 2 O 5 , ceramic billets with a diameter of 20 mm and a thickness of 20 mm are made by conventional ceramic technology. Billets are sintered at a temperature of 1240 ° C in a muffle furnace. Sintered blanks are ground in a ball mill and calibrated using a set of sieves to a size of 10-20 microns.
В исходный синтезированный порошок пьезокерамики цирконата-титаната свинца Pb0,95Sr0,05Ti0,47Sr0,53О3+1% Nb2O5 добавляют порообразователь в виде порошка предварительно спеченного пьезокерамического материала этого же состава Pb0,95Sr0,05Ti0,47Sr0,53О3+1% Nb2O5 в количестве 40-60 вес.% и смешивают в шаровой мельнице в течение 12 часов для получения однородной массы. К полученной шихте добавляют 5% пятипроцентного водного раствора поливинилового пластификатора, тщательно перемешивают и формуют в металлической пресс-форме под давлением. Затем полученные заготовки спекают при температуре 1240°С в муфельной печи. Частицы предварительно спеченного пьезокерамического материала, прошедшие термообработку при температуре спекания, не усаживаются при повторном спекании и представляют собой пьезоактивную безусадочную фазу композита. При спекании заготовок композиционного материала безусадочная фаза препятствует усадке исходного синтезированного пьезокерамического материала, что приводит к появлению микропористости за счет микроразрывов сплошной керамической матрицы. В результате получают микропористый композиционный пьезоматериал с размером пор 1-5 мкм и пористостью 15-20%.In the initial synthesized powder of piezoelectric ceramics of lead zirconate titanate Pb 0.95 Sr 0.05 Ti 0.47 Sr 0.53 O 3 + 1% Nb 2 O 5 add a pore former in the form of a powder of pre-sintered piezoceramic material of the same composition Pb 0.95 Sr 0.05 Ti 0.47 Sr 0.53 O 3 + 1% Nb 2 O 5 in an amount of 40-60 wt.% And mixed in a ball mill for 12 hours to obtain a homogeneous mass. To the resulting mixture add 5% five percent aqueous solution of polyvinyl plasticizer, mix thoroughly and mold in a metal mold under pressure. Then, the obtained preforms are sintered at a temperature of 1240 ° C in a muffle furnace. Particles of pre-sintered piezoceramic material that have undergone heat treatment at sintering temperature do not shrink during repeated sintering and represent the piezoelectric non-shrink phase of the composite. During sintering of composite material blanks, the non-shrinking phase prevents shrinkage of the initial synthesized piezoceramic material, which leads to the appearance of microporosity due to micro-fractures of the continuous ceramic matrix. The result is a microporous composite piezomaterial with a pore size of 1-5 μm and a porosity of 15-20%.
Затем из полученного материала изготавливались диски диаметром 20 мм и толщиной 1 мм для измерений электрофизичиских параметров. На основные поверхности дисков наносились электроды методом вжигания серебросодержащей пасты. Диски поляризовались в силиконовом масле при температуре 170°С в течение 30 минут в поле 3 кВ/мм. Измерение электрофизических параметров, коэффициента усадки, плотности и относительной пористости микропористого композиционного пьезоматериала проводилось стандартными методами в соответствии с ОСТ 11 0444-87 (Материалы пьезокерамические).Then, disks with a diameter of 20 mm and a thickness of 1 mm were made from the obtained material for measuring electrophysical parameters. Electrodes were deposited onto the main surfaces of the disks by burning silver-containing paste. The disks were polarized in silicone oil at a temperature of 170 ° C for 30 minutes in a field of 3 kV / mm. The electrophysical parameters, shrinkage coefficient, density, and relative porosity of the microporous composite piezoelectric material were measured by standard methods in accordance with OST 11 0444-87 (Piezoceramic materials).
Как видно из фиг.1, полученный пористый композиционный пьезоматериал представляет собой композиционную структуру с керамической матрицей со связностью 3-0, содержащую частицы спеченного пьезоматериала 1 размером 10-20 мкм, и микропоры 3 размером 1-5 мкм, равномерно распределенные в керамической матрице 2.As can be seen from figure 1, the obtained porous composite piezomaterial is a composite structure with a ceramic matrix with a 3-0 connectivity, containing particles of
Как видно из фиг.2, коэффициент усадки пористого композиционного материала Кус. диам. быстро уменьшается с 1,18 до 1,02 с увеличением концентрации частиц предварительно спеченного пьезоматериала от 0 до 100 вес.%, что обусловлено увеличением концентрации безусадочной фазы в керамической матрице.As can be seen from figure 2, the shrinkage coefficient of the porous composite material K mustache. diam. rapidly decreases from 1.18 to 1.02 with an increase in the concentration of particles of pre-sintered piezomaterial from 0 to 100 wt.%, due to an increase in the concentration of the non-shrink phase in the ceramic matrix.
Как видно из фиг.3, расчетная плотность композиционного материала не изменяется при изменении содержания предварительно спеченных гранул того же состава и составляет 8 г/см3 (кривая 2). В то же время измеренная плотность ρ пористого композиционного пьезоматериала (кривая 3) уменьшается от 8 г/см3 до 5,5 г/см3, а относительная пористость Р% (кривая 1) растет от 0 до 30% при увеличении концентрации частиц предварительно спеченного пьезоматериала от 0 до 100 вес.%, что обусловлено уменьшением коэффициента усадки (фиг.2), приводящим к микроразрывам керамической матрицы и образованию микропор.As can be seen from figure 3, the calculated density of the composite material does not change when changing the content of pre-sintered granules of the same composition and is 8 g / cm 3 (curve 2). At the same time, the measured density ρ of the porous composite piezoelectric material (curve 3) decreases from 8 g / cm 3 to 5.5 g / cm 3 , and the relative porosity P% (curve 1) increases from 0 to 30% with an increase in the concentration of particles previously sintered piezomaterial from 0 to 100 wt.%, which is due to a decrease in the shrinkage coefficient (figure 2), leading to microfractures of the ceramic matrix and the formation of micropores.
Как следует из таблицы, полученный микропористый композиционный пьезоматериал с содержанием спеченных гранул 40-60 вес.% имеет относительную пористость 15-20% закрытого типа, высокие значения продольного пьезоэлектрического модуля d33 и коэффициента электромеханической связи толщиной моды колебаний kt исходного пьезокерамического материала при пониженных значениях коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний kp, поперечного пьезомодуля d31 и механической добротности Qм, что необходимо для создания широкополосных ультразвуковых преобразователей с высокой эффективностью, чувствительностью и разрешающей способностью, работающих в диапазоне частот 10-20 МГц.As follows from the table, the obtained microporous composite piezoelectric material with a content of sintered granules of 40-60 wt.% Has a relative porosity of 15-20% of the closed type, high values of the longitudinal piezoelectric module d 33 and the electromechanical coupling coefficient of the vibration mode thickness k t of the initial piezoceramic material at low the values of the electromechanical coupling coefficient of the planar vibrational mode k p , the transverse piezoelectric module d 31 and the mechanical Q factor Q m , which is necessary to create broadband ultrasonic transducers with high efficiency, sensitivity and resolution, operating in the frequency range 10-20 MHz.
При содержании спеченных гранул менее 40 вес.% результирующая пористость композиционного материала составляет менее 10%, что не обеспечивает достаточного понижения механической добротности и поперечных пьезоэлектрических и электромеханических коэффициентов. При увеличении содержания спеченных гранул выше 60 вес.% пьезоэлектрические и электромеханические характеристики пористого композиционного материала ухудшаются. Закрытая микропористость 15-20% при среднем размере пор 1-5 мкм и размером микрогранул 10-20 мкм позволяет изготавливать тонкие пьезоэлементы толщиной 100-200 мкм (рабочая частота 10-20 МГц). Содержание спеченных гранул в микропористом композиционном материале в количестве 40-60% обеспечивает дополнительное рассеяние высокочастотного ультразвука на плотных гранулах (фиг.1) с размерами 10-20 мкм, близкими к длине ультразвуковой волны 100-200 мкм на частоте 10-20 МГц, приводящее к снижению механической добротности Qм до 20-40 и, следовательно, расширению рабочей полосы пропускания ультразвукового преобразователя.When the content of sintered granules is less than 40 wt.%, The resulting porosity of the composite material is less than 10%, which does not provide a sufficient decrease in the mechanical quality factor and transverse piezoelectric and electromechanical coefficients. With an increase in the content of sintered granules above 60 wt.%, The piezoelectric and electromechanical characteristics of the porous composite material deteriorate. Closed microporosity of 15-20% with an average pore size of 1-5 microns and a microgranule size of 10-20 microns allows the manufacture of thin piezoelectric elements 100-200 microns thick (operating frequency 10-20 MHz). The content of sintered granules in the microporous composite material in an amount of 40-60% provides additional scattering of high-frequency ultrasound on dense granules (Fig. 1) with dimensions of 10-20 μm, close to the ultrasonic wavelength of 100-200 μm at a frequency of 10-20 MHz, resulting to reduce the mechanical quality factor Q m to 20-40 and, consequently, the expansion of the working bandwidth of the ultrasonic transducer.
Источники информацииInformation sources
1. Лопатин С.С., Лупейко Т.Г. Свойства пористой пьезоэлектрической керамики типа цирконата-титаната свинца. Изв. АН СССР. Сер. Неорг. Матер. - 1991. - V.27, N 9. С.1948-1951.1. Lopatin S.S., Lupeyko T.G. Properties of porous piezoelectric ceramics such as lead zirconate titanate. Izv. USSR Academy of Sciences. Ser. Inorg. Mater. - 1991. - V.27, N 9. S.1948-1951.
2. Wersing W., Lubitz К., Moliaupt J. Dielectric, elastic and piezoelectric properties of porous PZT ceramics // Ferroelectrics. - 1986. - V.68, N 1/4. - P.77-79.2. Wersing W., Lubitz K., Moliaupt J. Dielectric, elastic and piezoelectric properties of porous PZT ceramics // Ferroelectrics. - 1986.- V.68,
3. CN 1953226 (A), HO1L 41/187, C04B 35/622, 2007-04-25.3. CN 1953226 (A), HO1L 41/187, C04B 35/622, 2007-04-25.
4. JP 1089486 (A), HO1L 41/22, HO1L 41/24, C04B 38/02, 1985-04-03.4. JP 1089486 (A), HO1L 41/22, HO1L 41/24, C04B 38/02, 1985-04-03.
5. JP 4024971 (A), HO1L 41/24, 1992-01-28 - прототип.5. JP 4024971 (A), HO1L 41/24, 1992-01-28 - prototype.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010108372/28A RU2414017C1 (en) | 2010-03-10 | 2010-03-10 | Method of producing composite piezoelectric material |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010108372/28A RU2414017C1 (en) | 2010-03-10 | 2010-03-10 | Method of producing composite piezoelectric material |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2414017C1 true RU2414017C1 (en) | 2011-03-10 |
Family
ID=46311234
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010108372/28A RU2414017C1 (en) | 2010-03-10 | 2010-03-10 | Method of producing composite piezoelectric material |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2414017C1 (en) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2551666C2 (en) * | 2013-08-19 | 2015-05-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тверской государственный университет" | High-voltage generator and method of its manufacture |
RU2623693C2 (en) * | 2015-12-03 | 2017-06-28 | Общество с ограниченной ответственностью "Пироэлемент" | Method of obtaining composite piezomaterial |
RU2673444C1 (en) * | 2017-12-19 | 2018-11-26 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Элпа" с опытным производством" | Method for obtaining porous piezoceramics with anisotropy of dielectric permittivity and number of other parameters |
RU2686492C1 (en) * | 2018-03-16 | 2019-04-29 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Sensitive element from connectivity piezocomposite 1-3 and method of its production |
RU2695917C1 (en) * | 2018-11-01 | 2019-07-29 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" | Composite piezoelectric material and method of its production |
RU2713835C1 (en) * | 2019-05-22 | 2020-02-07 | Мария Андреевна Луговая | Composite piezoelectric material producing method |
RU2836848C1 (en) * | 2024-08-08 | 2025-03-24 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" | Method of producing porous composite piezoelectric material |
-
2010
- 2010-03-10 RU RU2010108372/28A patent/RU2414017C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2551666C2 (en) * | 2013-08-19 | 2015-05-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тверской государственный университет" | High-voltage generator and method of its manufacture |
RU2623693C2 (en) * | 2015-12-03 | 2017-06-28 | Общество с ограниченной ответственностью "Пироэлемент" | Method of obtaining composite piezomaterial |
RU2673444C1 (en) * | 2017-12-19 | 2018-11-26 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Элпа" с опытным производством" | Method for obtaining porous piezoceramics with anisotropy of dielectric permittivity and number of other parameters |
RU2686492C1 (en) * | 2018-03-16 | 2019-04-29 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Sensitive element from connectivity piezocomposite 1-3 and method of its production |
RU2695917C1 (en) * | 2018-11-01 | 2019-07-29 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" | Composite piezoelectric material and method of its production |
RU2713835C1 (en) * | 2019-05-22 | 2020-02-07 | Мария Андреевна Луговая | Composite piezoelectric material producing method |
RU2836848C1 (en) * | 2024-08-08 | 2025-03-24 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" | Method of producing porous composite piezoelectric material |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2414017C1 (en) | Method of producing composite piezoelectric material | |
JP5114730B2 (en) | Method for manufacturing piezoelectric ceramics | |
Luo et al. | Enhancement of dielectric properties and energy storage density in poly (vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) by relaxor ferroelectric ceramics | |
JP2010018511A (en) | Plate-like polycrystalline particle | |
US5505870A (en) | Piezoelectric ceramic-polymer composite material and method for preparing the same | |
CN114890770A (en) | Preparation method of porous silicon carbide/carbon composite aerogel | |
CN1384080A (en) | Ceramic producing process | |
RU2713835C1 (en) | Composite piezoelectric material producing method | |
RU2623693C2 (en) | Method of obtaining composite piezomaterial | |
Rybyanets et al. | Nanoparticles transport using polymeric nano-and microgranules: novel approach for advanced material design and medical applications | |
Wang et al. | Effect of sintering temperature and time on densification, microstructure and properties of the PZT/ZnO nanowhisker piezoelectric composites | |
CN1953226A (en) | A porous piezoelectric ceramic and its manufacture method | |
RU2836848C1 (en) | Method of producing porous composite piezoelectric material | |
JP2007277031A (en) | Piezoelectric ceramics obtained by sintering nano-sized barium titanate powder having dielectric and piezoelectric properties, and method for producing the same | |
KR101006958B1 (en) | Piezoelectric thick film for sensors containing organic matter and method for producing same | |
JP4375092B2 (en) | Method for producing ceramic composition | |
JP4912616B2 (en) | Piezoelectric ceramics obtained by sintering nano-sized barium titanate powder having dielectric and piezoelectric properties, a method for producing the same, and a piezoelectric vibrator using the same | |
Inthong et al. | Piezoceramic-polymer and piezoceramic-cement composites: A brief review | |
RU2673444C1 (en) | Method for obtaining porous piezoceramics with anisotropy of dielectric permittivity and number of other parameters | |
Topateş | Al2O3 ceramics with graded porosity produced from natural and artificial pore formers | |
JPH0424971A (en) | Manufacture of porous piezoelectric ceramic | |
JP2004300026A (en) | Alumina-based porous ceramics and method for producing the same | |
EP4397641A1 (en) | Perovskite-type ceramic compact and method for manufacturing same | |
Liu et al. | Piezoelectric Properties of PVDF Modified 3-3 Type Cement-Based Piezoelectric Composites | |
Kakegawa et al. | Sintering of Lead Titanate Using a Spark‐Plasma‐Sintering Technique |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150311 |