close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY 15237

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2011.12.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 15237
(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 ФЕРРИТА
ВИСМУТА
(21) Номер заявки: a 20100564
(22) 2010.04.15
(71) Заявитель: Государственное научнопроизводственное объединение
"Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси
по материаловедению" (BY)
(72) Авторы: Шаповалова Елена Федоровна; Чобот Александра Николаевна; Мантыцкая Ольга Станиславовна (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научно-производственное объединение "Научно-практический центр
Национальной академии наук Беларуси по материаловедению" (BY)
(56) ROVILLAIN P. et al. J. Magnetism and
Magnetic Materials. - 2009. - V. 321. P. 1699-1701.
BY 12379 C1, 2009.
BY 12053 C1, 2009.
US 5164349 A, 1992.
US 2004/0241501 A1.
BY 12040 C1, 2009.
US 7608215 B2, 2009.
BY 15237 C1 2011.12.30
(57)
Пьезоэлектрический керамический материал на основе феррита висмута со структурой перовскита, отличающийся тем, что дополнительно содержит ионы кальция и ниобия в соотношении, соответствующем химической формуле Bi1-xCaxFe1-x/2Nbx/2O3, где
0,17 ≤ x ≤ 0,19.
Изобретение относится к области электроники, в частности к пьезоэлектрическим материалам на основе сложных оксидов со структурой перовскита, применяемым в различных
высокотемпературных
многофункциональных
устройствах,
таких
как
преобразователи, датчики, системы управления.
Известен пьезоэлектрический керамический оксидный материал, позволяющий преобразовывать электрические сигналы в механические колебания [1]. Этот пьезоэлектрический керамический материал представляет собой соединение со структурой перовскита,
содержащее Pb, Zr, Ti, Mn и Nb, прошедшее термообработку в температурном интервале
(0,80 Тс-Тс) (Тс = 340 °C - температура Кюри данного соединения) в течение 1-40 минут,
общая формула данного соединения Pbα[(Mn1/3Nb2/3)xTiyZrz]O3, где 0,95 ≤ α ≤ 1,02,
0,02 ≤ x ≤ 0,15, 0,48 ≤ y ≤ 0,62 и 0,30 ≤ z ≤ 0,42, причем это соединение дополнительно содержит не более 0,65 вес. % Mn в виде MnCO3 и/или Cr в виде Cr2O3.
Пьезоэлектрический керамический оксидный материал со структурой перовскита,
описываемый в указанном изобретении, позволяет путем изменения состава задавать
нужные свойства при использовании его в многофункциональных системах управления.
BY 15237 C1 2011.12.30
Недостатком этого пьезоэлектрического материала является сложный состав, содержащий вредные компоненты (свинец, хром), получение его представляет сложный технологический процесс и требует дорогостоящих компонентов и больших энергетических
затрат.
Наиболее близким по существенным признакам к заявляемому техническому решению является не содержащий свинца пьезоэлектрический оксидный материал со структурой перовскита - феррит висмута BiFeO3 [2]. Пьезоэлектрический эффект в монокристалле
BiFeO3 обнаружен при низкой температуре. Приложение внешнего электрического поля
при T = 10 K индуцирует смещение по частоте низкочастотной моды, определяемой связями Bi-O и соответствующей мягкой моде сегнетоэлектрического перехода. Пьезоэлектрический эффект ответственен за смягчение этой моды благодаря напряжениям
растяжения, приводящим к расширению кристалла. Потенциал фононной деформации,
связанный с мягкой модой, оценивается как -200 cm-1/ед. напряжения с использованием
линейного пьезоэлектрического коэффициента d33 = 16 pm/V. Эта величина характерна
для типичных пьезоэлектриков.
К недостаткам указанного материала следует отнести то, что линейный пьезоэлектрический коэффициент d33 значителен при низкой температуре, а при комнатной величина
его весьма невелика.
Задачей, решаемой данным изобретением, является разработка пьезоэлектрического
керамического материала на основе феррита висмута с повышенной величиной линейного
пьезоэлектрического коэффициента d33 при комнатной температуре посредством изменения состава и удешевления технологии изготовления за счет замены монокристалла (прототип) керамическим материалом.
Поставленная задача решается тем, что пьезоэлектрический керамический материал на
основе феррита висмута со структурой перовскита дополнительно содержит ионы кальция и
ниобия в соотношении, соответствующем химической формуле Bi1-xCaxFe1-x/2Nbx/2O3, где
0,17 ≤ x ≤ 0,19.
На фиг. 1 показано изменение линейного пьезоэлектрического коэффициента d33 керамического образца феррита висмута BiFeO3 (прототип) во внешнем электрическом поле
при комнатной температуре. Величина d33 не превышает 3 pm/V при напряжении до 20 В.
На фиг. 2 представлены результаты измерения линейного пьезоэлектрического коэффициента d33 состава Bi0,84Ca16Fe0,92Nb0,08O3 при комнатной температуре. Величина d33 составляет около 30 pm/V при напряжении до 20 В.
На фиг. 3 представлены результаты измерения линейного пьезоэлектрического коэффициента d33 состава Bi0.82Ca18Fe0,91Nb0,09O3 при комнатной температуре. Величина d33
превышает 40 pm/V при напряжении до 10 В.
На фиг. 4 представлены результаты измерения линейного пьезоэлектрического коэффициента d33 состава Bi0,81Ca19Fe0.905Nb0,095O3 при комнатной температуре. Величина d33
составляет около 30 pm/V при напряжении до 10 В.
Сущность изобретения заключается в том, что в пьезоэлектрическом материале на основе феррита висмута в результате локальных кристаллоструктурных искажений возникают локальные напряжения, меняющиеся под воздействием электрического поля.
Частичная замена ионов висмута кальцием в А-подрешетке, а железа ниобием в Вподрешетке перовскитной структуры феррита висмута позволяет получить пьезоэлектрический материал, проявляющий повышенный пьезоэлектрический эффект при комнатной
температуре.
Дипольное упорядочение в BiFeO3 (пространственная группа R3c, пьезоэффект разрешен) обусловлено относительным сдвигом ионов Bi3+, Fe3+и О2- вдоль оси [001] в гексагональной установке. Ионы Ca2+ сильно отличаются по величине ионного радиуса от
ионов висмута. Вследствие размерного эффекта при замещении должны возникать разного типа кристаллоструктурные искажения. В случае малых А-катионов (Ca) в перовскитах
2
BY 15237 C1 2011.12.30
возникают орторомбические искажения (пространственная группа Pnma). В отличие от
ионов висмута ионы Ca2+ не образуют резко анизотропных химических связей, поэтому
происходит постепенное разрушение дальнего порядка вследствие образования локальных центросимметричных позиций, занятых щелочноземельными ионами. Каждый Акатион перовскита ABO3 окружен ближайшими шестью соседями В-типа, и при 15-25 %
содержания кальция от общего количества А-мест дальний порядок должен разрушиться,
и система переходит в фазу с другим типом симметрии Pnma, при котором запрещен пьезоэлектрический эффект. Эта общая тенденция справедлива в случае системы твердых
растворов Bi1-xCaxFe1-x/2Nbx/2O3. При x < 0,17 соединения имеют ромбоэдрическую структуру R3c, вблизи концентрации кальция x = 0,18-0,19 пролегает морфотропная граница,
кристаллическая структура двухфазная (R3c + Pnma), пьезоэлектрический эффект наблюдается при комнатной температуре и имеет максимальную величину.
Перечисленные особенности заявляемого пьезоэлектрического материала на основе
феррита висмута являются существенными отличиями по сравнению с прототипом, так
как их отсутствие не позволяет достигнуть поставленной цели - получить пьезоэлектрический материал с более высоким значением линейного электромеханического коэффициента d33 при комнатной температуре.
Сопоставительный анализ нового решения с прототипом показывает, что заявляемый
керамический пьезоэлектрический материал на основе феррита висмута имеет петлю гистерезиса в 4-5 раз больше, чем в BiFeO3, и при комнатной температуре значительно более
высокий линейный пьезоэлектрический параметр (d33 до 40 pm/V), при величине прилагаемого напряжения 10-20 В, при этом не содержит дорогостоящих и вредных компонентов.
Получение этого материала по обычной керамической технологии не требует длительного
времени и больших энергетических затрат.
Пример конкретного осуществления.
Твердые растворы состава Bi1-xCaxFe1-x/2Nbx/2O3 (x = 0,16-0,19) были получены по
обычной керамической технологии из простых оксидов и карбонатов, смешанных в стехиометрическом соотношении в планетарной мельнице фирмы RETSCH. Образцы помещались в разогретую печь и после синтеза при 960 °C 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.
Элементарная ячейка твердых растворов Bi1-xCaxFe1-x/2Nbx/2O3 вплоть до x = 0,18 описывается пространственной группой R3c.
Преимуществом заявляемого материала по сравнению с известным является увеличение линейного пьезоэлектрического коэффициента d33 в 4-5 раз при меньшем электрическом напряжении при комнатной температуре, что позволяет существенно увеличить
эффективность работы преобразователей, датчиков, систем управления. Анализ результатов показывает: оптимальным является состав с x = 0,18, в котором достигается наибольший пьезоэлектрический эффект при вдвое меньшей величине внешнего электрического
поля. При величине x < 0,18 соединение кристаллизуется в пространственной группе R3c.
Составы с x > 0,19 характеризуются двухфазностью (пространственные группы R3c и
Pnma).
Источники информации:
1. Патент США 7,608,215, МПК H 05B 6/00, 2006.
3
BY 15237 C1 2011.12.30
2. Rovillain P., Cazayous M., Sacuto A., Lebeugle D. and Colson D. Piezoelectric measurements on BiFeO3 single crystal by Raman scattering J. Magn. Magn. Mat. - 2009. - V. 321. - No.
11. - Р. 1699-1701.
Фиг. 1
Фиг. 2
Фиг. 3
Фиг. 4
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
4
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
272 Кб
Теги
15237, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа