close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY15329

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2012.02.28
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 15329
(13) C1
(19)
C 04B 35/26 (2006.01)
C 30B 29/22 (2006.01)
C 01G 29/00 (2006.01)
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ОКСИДА
ВИСМУТА
(21) Номер заявки: a 20100706
(22) 2010.05.11
(43) 2011.12.30
(71) Заявитель: Государственное научнопроизводственное
объединение
"Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси
по материаловедению" (BY)
(72) Авторы: Шаповалова Елена Федоровна; Бушинский Максим Владиславович (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научно-производственное объединение "Научно-практический центр
Национальной академии наук Беларуси по материаловедению" (BY)
(56) US 7646140 B2, 2010.
BY 12053 C1, 2009.
BY 12379 C1, 2009.
BY 12040 C1, 2009.
US 5164349 A, 1992.
US 2004/0241501 A1.
EP 0849780 A2, 1998.
BY 15329 C1 2012.02.28
(57)
Пьезоэлектрический керамический материал на основе оксида висмута со структурой перовскита, отличающийся тем, что дополнительно содержит ионы кальция и железа в соотношении, соответствующем химической формуле Bi1-xCaxFe3+O3-x/2, где 0,009 ≤ x ≤ 0,11.
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 систему твердых растворов со структурой перовскита с общей химической формулой (x)BiFeO3-(1-x)PbTiO3. В этой системе морфотропная фазовая граница
между ромбоэдрической и тетрагональной фазами проходит вблизи x = 0,3, где величина
линейного пьезоэлектрического коэффициента d33 максимальна. 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 вредные компоненты (свинец), получение его представляет сложный технологический процесс и требует больших энергетических затрат (синтез при 1065 °С).
Наиболее близким по существенным признакам к заявляемому техническому решению является пьезоэлектрический материал, представляющий сложный оксид со структурой перовскита с общей формулой (Bi, Ba)(MI, MII, Cu)O3 (3), где MI - атом одного из
BY 15329 C1 2012.02.28
элементов, входящих в группу Nb, Ta и W, и MII - один или более элементов, входящих в
группу Mn, Sc, In, Ga, Yb, Al, Mg, Zn, Zr, Fe и Sn, либо комбинация этих элементов [2].
К недостаткам указанного материала следует отнести сложный состав, включающий
редкие и дорогостоящие компоненты (Nb, Yb, In, Ga), получение его представляет сложный многоступенчатый технологический процесс (осаждение в водном растворе кислоты,
сушка, обработка спиртовым раствором, прессование, предварительный отжиг при температуре свыше 1200 °С) и требует больших энергетических затрат (синтез при 1250 °С в
течение 10 часов).
Задачей, решаемой данным изобретением, является разработка пьезоэлектрического
керамического материала на основе феррита висмута, более простого по составу, без
вредных и дорогостоящих компонент, посредством изменения состава и упрощения технологии изготовления при снижении энергетических затрат.
Поставленная задача решается тем, что пьезоэлектрический керамический материал
на основе феррита висмута со структурой перовскита дополнительно содержит ионы
кальция в соотношении, соответствующем химической формуле Bi1-xCaxFe3 +O3-x/2, где
0,09 ≤ x ≤ 0,11.
На фиг. 1 представлены результаты измерения при комнатной температуре линейного
пьезоэлектрического коэффициента d33 состава Bi0,81Ca0,09Fe3+O3, отожженного при 350 °С
в течение 40 мин (линейный пьезоэлектрический параметр d33 измерялся методом пьезосиловой микроскопии). На фиг. 2 представлены результаты измерения при комнатной
температуре линейного пьезоэлектрического коэффициента d33 состава Bi0,86Ca0,14Fe0,10O3,
отожженного при 250 °С в течение 30 мин.
Сущность изобретения заключается в том, что в пьезоэлектрическом материале на основе феррита висмута при частичном замещении трехвалентных ионов висмута двухвалентными ионами кальция возникают вакансии по кислороду, так что ионы железа
сохраняют валентное состояние 3+, при этом в результате локальных кристаллоструктурных
искажений возникают локальные напряжения, меняющиеся под воздействием электрического
поля, что обеспечивает пьезоэлектрический эффект. Частичная замена ионов висмута кальцием в А-подрешетке перовскитной структуры позволяет получить пьезоэлектрический материал, проявляющий пьезоэлектрический эффект при комнатной температуре.
При x < 0,09 соединения имеют ромбоэдрическую структуру R3c и являются сегнетоэлектриками. Поскольку ионы Ca2+ превосходят по величине ионы висмута, при замещении ионов висмута кальцием возникают орторомбические искажения элементарной
ячейки (пространственная группа Imma). Ионы Ca2+ не образуют резко анизотропных химических связей в отличие от висмута, вследствие чего при 8-11 % содержания кальция от
общего количества A-позиций перовскитнной структуры постепенно разрушается дальний
порядок из-за образования локальных центросимметричных позиций, заполненных ионами кальция. В этом концентрационном интервале сосуществуют две фазы Imma и R3c и
резко возрастают пьезоэлектрические свойства, поскольку на морфотропной границе происходит разбиение системы на наноразмерные области с различным типом кристаллоструктурных искажений с большими механическими напряжениями. При x > 0,11
элементарная ячейка орторомбическая (пространственная группа Imma).
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 более простой по составу без редких и дорогостоящих компонент с упрощенной технологией изготовления при снижении энергетических затрат.
Пример конкретного осуществления.
Твердые растворы состава Bi1-xCaxFe3+O3-x/2 (x = 0,09-0,11) были получены по обычной
керамической технологии из простых оксидов и карбонатов, смешанных в стехиометрическом соотношении в планетарной мельнице фирмы RETSCH. Образцы помещались в
2
BY 15329 C1 2012.02.28
разогретую печь и после синтеза при 960 °С закаливались на воздухе. Поверхностный
слой образцов после синтеза удалялся. Это обусловлено тем, что висмут является летучей
компонентой, что может привести к нарушению соотношения между катионами. Рентгеноструктурные исследования проведены на дифрактометре ДРОН-3М в Cu-Kα излучении.
Расчет кристаллической структуры выполнялся с помощью программы FullProf. Линейный пьезоэлектрический параметр d33 измерялся методом пьезосиловой микроскопии.
Преимуществом заявляемого материала по сравнению с известным является более
простой состав, не содержащий дорогостоящих и вредных компонент. Получение этого
материала по обычной керамической технологии не требует длительного времени и больших энергетических затрат, что позволяет существенно уменьшить затраты на исходные
материалы и сократить время и энергозатраты на получение продукта. Анализ результатов
показывает, что оптимальным является состав с x = 0,10, в котором достигается наибольшая величина линейного пьезоэлектрического коэффициента d33 при комнатной температуре. При величине x < 0,09 соединение кристаллизуется в пространственной группе R3c.
Составы с x > 0,11 характеризуются кристаллографической неоднородностью.
Источники информации:
1. Comyn Т.Р., Stevenson T. and Bell AJ. Piezoelectric properties of BiFeO3 - PbTiO3 ceramics J. Phys. IV France 128, 2005. - Р. 13-17.
2. Патент США 7,646,140, МПК H01L 41/187, 2009.
Фиг. 1
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
3
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
204 Кб
Теги
by15329, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа