H01L41 / 24 - елементів з керамічними складами
Власники патенту RU 2414017:
Товариство з обмеженою відповідальністю "ПьезоТех" (ТОВ "ПьезоТех") (RU)
Винахід відноситься до отримання мікропористих композиційних п'єзоматеріалів для широкосмугових ультразвукових перетворювачів, що працюють в частотному діапазоні 10-20 МГц. Технічний результат: зменшення розміру пір до 1-5 мкм, підвищення відносної пористості композиційного пьезоматеріала, зниження механічної добротності і розширення робочої смуги пропускання перетворювача, виконаного з заявленого пьезоматеріала. Сутність: змішують порошк пьезокерамического матеріалу з порошком порообразователя. Як порошку порообразователя використовують попередньо спечений вихідний пьезокерамический матеріал з розміром частинок 10-20 мкм в кількості 40-60 мас.%. Додають полівініловий пластифікатор. Пресують і обпалюють заготовку. 1 з.п. ф-ли, 3 мул. 1 табл.
Винахід відноситься до мікроструктурною технології, а саме до способів отримання і обробки пористої п'єзокераміки та пьезокомпозітних елементів з керамічної матрицею, і може бути використано в широкосмугових ультразвукових перетворювачів для медичної діагностичної і терапевтичної апаратури, неруйнівного контролю та діагностики, які працюють в частотному діапазоні 10-20 МГц .
Можливості вдосконалення властивостей п'єзокераміки шляхом зміни хімічного складу матеріалу практично вичерпані за минулі 50 років. У зв'язку з потребою поліпшення властивостей матеріалів в останні десятиліття отримали розвиток технології композиційних п'єзоматеріалів, які дозволяють змінювати характеристики вихідної п'єзокераміки в широких межах без зміни хімічного складу.
Одним з класів п'єзоелектричних композиційних матеріалів є пористі п'єзокераміки та керамоматрічние композити зі зв'язністю 3-3, 3-0 на їх основі.
Відомі такі способи отримання пористої п'єзокераміки, описані в огляді (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 /.
1. Спосіб випалювання полімерних гранул (BURPS - burning out of plastic spheres). Порошок ЦТС та полімерні гранули змішуються з органічним зв'язуючим і пресуються в вигляді елементів необхідної форми. Полімерні гранули випалюються разом зі сполучною при низькій температурі, після чого кераміка спікається. Пористість зразка легко варіюється розміром і кількістю полімерних гранул і може досягати 70%.
2. Спосіб, заснований на використанні розчинних у воді гранул. Порошок ЦТС змішується з розчинними у воді гранулами і органічним зв'язуючим і формуються у вигляді необхідних елементів. Гранули вимиваються з прес-заготовки водою, після чого кераміка спікається.
3. Спосіб полімерної піни. Суспензія, що складається з порошку ЦТС, змішаного з водою, наводиться в реакцію з полімерним вспенивающем агентом для утворення пористої заготовки, яка повільно сушиться. Потім полімер випалюється, а кераміка спікається. Цей метод дозволяє отримувати керамічні каркаси з пористістю до 95%.
4. Кріохіміческій спосіб, що полягає в швидкому заморожуванні суміші розчинів солей з подальшим видаленням вологи сублімацією у вакуумі і термічним розкладанням сольового продукту. Цей метод дозволяє отримувати високопористі керамічні каркаси, що складаються з частинок розміром 5-7 мкм з пористістю до 95%.
5. Способи, засновані на термічному розкладанні гідроксидів, карбонатів, нітратів або оксалатів, органічних сполук, а також хімічному травленні і активації вуглецю.
Відомий також спосіб виготовлення пористого п'єзоелектричного керамічного матеріалу, в якому з метою підвищення відтворюваності властивостей порошок пьезокерамического матеріалу змішують з порошком порообразователя - карбонату літію в кількості 1-10 мас.%, Додають полівініловий пластифікатор, пресують заготовки і піддають термообробці для випалювання порообразователя з подальшим спіканням кераміки (JP 1089486 (A), HO1L 41/22, HO1L 41/24, С04В 38/02, 1985-04-03) / 3 /. При випалюванні карбонат літію розкладається з виділенням двоокису вуглецю, однак, залишився літій вступає в реакцію з компонентами кераміки з утворенням локальних нерівномірно розташованих легованих областей, що змінює властивості п'єзокераміки неконтрольованим чином. Мала кількість порообразователя не дозволяє отримати мікропористої кераміку з пористістю вище 10%, що обмежує можливість поліпшення електрофізичних параметрів п'єзокераміки та застосування в пристроях з робочою частотою вище 5 МГц.
Завданням цього винаходу є створення способу отримання микропористого композиційного пьезоматеріала для широкосмугових ультразвукових перетворювачів для роботи в діапазоні частот 10-20 МГц.
Завдання вирішена з досягненням нового технічного результату - зменшення розміру пір до 1-5 мкм, підвищення відносної пористості композиційного пьезоматеріала більше 10% за рахунок введення в шихту пьезокерамического матеріалу безусадочной п'єзоактиивних фази, що перешкоджає усадці п'єзокерамічної матриці при спіканні. Заявляється спосіб є універсальним і дозволяє отримувати мікропористі композиційні п'єзоматеріалів на основі будь-яких пьезокерамических складів, одержуваних за звичайною керамічної технології, наприклад ЦТС, титанат свинцю, мета- і магнониобата свинцю і ін.
Зазначений технічний результат досягається тим, що у відомому способі отримання пористого композиційного пьезоматеріала, що полягає в змішування порошку пьезокерамического матеріалу з порошком порообразователя у ваговому співвідношенні, яке забезпечує одержання пористої керамічної матриці з закритими порами, додаванні полівінілового пластифікатора, пресуванні і випалюванні заготовки, відповідно до винаходу в якості порошку порообразователя використовують порошок попередньо спеченого вихідного пьезокерамического матеріалу з розміром частинок 10-20 мкм в кількості 40-60 мас.%.
В окремому випадку виконання способу в якості вихідного пьезокерамического матеріалу використовують склад цирконата-титанату свинцю Pb0,95 Sr0,05 Ti0,47 Sr0,53 О3 + 1% Nb2 O5.
На фіг.1 наведена електронна мікрофотографія SEM, Karl Zeiss пористого композиційного пьезоматеріала, отриманого заявляється способом, де 1 - частка спеченого пьезоматеріала складу Pb0,95 Sr0,05 Ti0,47 Sr0,53 О3 + 1% Nb2 O5. 2 - микропористая керамічна матриця Pb0,95 Sr0,05 Ti0,47 Sr0,53 О3 + 1% Nb2 O5. 3 - мікропор.
На фіг.2 наведена залежність коефіцієнта усадки Кус. діам. по діаметру зразка пористого композиційного пьезоматеріала Pb0,95 Sr0,05 Ti0,47 Sr0,53 О3 + 1% Nb2 O5. отриманого заявляється способом, від змісту вага.% попередньо спечених частинок вихідного пьезокерамического матеріалу Pb0,95 Sr0,05 Ti0,47 Sr0,53 О3 + 1% Nb2 O5.
На Фіг.3 наведено залежності відносної пористості Р% (крива 1), розрахункової (крива 2) і виміряної (крива 3) щільності ρ пористого композиційного пьезоматеріала Pb0,95 Sr0,05 Ti0,47 Sr0,53 О3 + 1% Nb2 O5. отриманого заявляється способом, від змісту вага.% попередньо спечених частинок вихідного пьезокерамического матеріалу Pb0,95 Sr0,05 Ti0,47 Sr0,53 О3 + 1% Nb2 O5.
У таблиці наведено електрофізичні параметри пористого композиційного пьезоматеріала Pb0,95 Sr0,05 Ti0,47 Sr0,53 О3 + 1% Nb2 O5. отриманого заявляється способом, при різному вмісті вага.% попередньо спечених частинок вихідного пьезокерамического матеріалу Pb0,95 Sr0,05 Ti0,47 Sr0,53 О3 + 1% Nb2 O5.
Спосіб здійснюється наступним чином. З синтезованого порошку пьезокераміки Pb0,95 Sr0,05 Ti0,47 Sr0,53 О3 + 1% Nb2 O5 за звичайною керамічної технології виготовляють керамічні заготовки діаметром 20 мм і товщиною 20 мм. Заготовки спекают при температурі 1240 ° С в муфельній печі. Спечені заготовки розмелюють в кульової млині і калібрують за допомогою набору сит до розміру 10-20 мкм.
У вихідний синтезований порошок пьезокераміки цирконата-титанату свинцю Pb0,95 Sr0,05 Ti0,47 Sr0,53 О3 + 1% Nb2 O5 додають порообразователь у вигляді порошку попередньо спеченого пьезокерамического матеріалу цього ж складу Pb0,95 Sr0,05 Ti0,47 Sr0, 53 О3 + 1% Nb2 O5 в кількості 40-60 мас.% і змішують в кульової млині протягом 12 годин для отримання однорідної маси. До отриманої шихті додають 5% п'ятивідсоткового водного розчину полівінілового пластифікатора, ретельно перемішують і формують в металевій прес-формі під тиском. Потім отримані заготовки спекают при температурі 1240 ° С в муфельній печі. Частинки попередньо спеченого пьезокерамического матеріалу, що пройшли термообробку при температурі спікання, що не сідають при повторному спіканні і являють собою п'єзоактиивних безусадкова фазу композиту. При спіканні заготовок композиційного матеріалу безусадкова фаза перешкоджає усадки вихідного синтезованого пьезокерамического матеріалу, що призводить до появи мікропористості за рахунок мікророзривів суцільний керамічної матриці. В результаті отримують мікропористий композиційний пьезоматеріал з розміром пір 1-5 мкм і пористістю 15-20%.
Потім з отриманого матеріалу виготовлялися диски діаметром 20 мм і товщиною 1 мм для вимірювань електрофізічіскіх параметрів. На основні поверхні дисків наносилися електроди методом вжигания серебросодержащий пасти. Диски поляризувалися в силіконовому маслі при температурі 170 ° С протягом 30 хвилин в поле 3 кВ / мм. Вимірювання електрофізичних параметрів, коефіцієнта усадки, щільності і відносної пористості микропористого композиційного пьезоматеріала проводилося стандартними методами відповідно до ОСТ 11 0444-87 (Матеріали п'єзокерамічні).
Як видно з фіг.1, отриманий пористий композиційний пьезоматеріал є композиційну структуру з керамічної матрицею зі зв'язністю 3-0, що містить частинки спеченого пьезоматеріала 1 розміром 10-20 мкм, і мікропори 3 розміром 1-5 мкм, рівномірно розподілені в керамічної матриці 2 .
Як видно з фіг.2, коефіцієнт усадки пористого композиційного матеріалу Кус. діам. швидко зменшується з 1,18 до 1,02 зі збільшенням концентрації частинок попередньо спеченого пьезоматеріала від 0 до 100 мас.%, що обумовлено збільшенням концентрації безусадочной фази в керамічній матриці.
Як видно з фіг.3, розрахункова щільність композиційного матеріалу не змінюється при зміні змісту попередньо спечених гранул того ж складу і становить 8 г / см 3 (крива 2). У той же час виміряна щільність ρ пористого композиційного пьезоматеріала (крива 3) зменшується від 8 г / см 3 до 5,5 г / см 3. а відносна пористість Р% (крива 1) зростає від 0 до 30% при збільшенні концентрації частинок попередньо спеченого пьезоматеріала від 0 до 100 мас.%, що обумовлено зменшенням коефіцієнта усадки (фіг.2), що призводить до мікророзривів керамічної матриці і утворення мікропор.
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.
4. JP 1089486 (A), HO1L 41/22, HO1L 41/24, C04B 38/02, 1985-04-03.
1. Спосіб отримання композиційного пьезоматеріала, що полягає в змішуванні порошку пьезокерамического матеріалу з порошком порообразователя у ваговому співвідношенні, яке забезпечує одержання пористої керамічної матриці з закритими порами, додаванні полівінілового пластифікатора, пресуванні і випалюванні заготовки, що відрізняється тим, що в якості порошку порообразователя використовують попередньо спечений вихідний пьезокерамический матеріал з розміром частинок 10-20 мкм в кількості 40-60 мас.%.
2. Спосіб за п.1, що відрізняється тим, що в якості вихідного пьезокерамического матеріалу використовують склад цирконата-титанату свинцю Рb0,95 Sr0,05 Тi0,47 Sr0,53 О3 + 1% Nb2 O5.
Винахід відноситься до способів і пристроїв виготовлення плоских пьезокерамических виробів виготовлення плоских пьезокерамических виробів.