DE102008008903A1 - Verfahren zum Herstellen eines bleifreien piezokeramischen Werkstoffs des Kalium-Natrium-Niobat-Systems mit Hilfe perowskitischer Ausgangsmaterialien und Verwendung eines Bauteils mit dem Werkstoff - Google Patents
Verfahren zum Herstellen eines bleifreien piezokeramischen Werkstoffs des Kalium-Natrium-Niobat-Systems mit Hilfe perowskitischer Ausgangsmaterialien und Verwendung eines Bauteils mit dem Werkstoff Download PDFInfo
- Publication number
- DE102008008903A1 DE102008008903A1 DE102008008903A DE102008008903A DE102008008903A1 DE 102008008903 A1 DE102008008903 A1 DE 102008008903A1 DE 102008008903 A DE102008008903 A DE 102008008903A DE 102008008903 A DE102008008903 A DE 102008008903A DE 102008008903 A1 DE102008008903 A1 DE 102008008903A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- piezoceramic
- perovskite
- mixture
- phase
- starting materials
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Ceased
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 33
- 239000000203 mixture Substances 0.000 title claims abstract description 31
- 239000007858 starting material Substances 0.000 title claims abstract description 23
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 claims description 19
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims description 8
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 6
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 claims description 5
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 claims description 5
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 5
- 239000011734 sodium Substances 0.000 claims description 5
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 4
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 claims description 3
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 3
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 3
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011591 potassium Substances 0.000 claims description 3
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 125000005587 carbonate group Chemical group 0.000 claims 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 abstract description 14
- 238000001354 calcination Methods 0.000 abstract description 7
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 abstract description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 6
- 239000000843 powder Substances 0.000 abstract description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 3
- 239000002243 precursor Substances 0.000 abstract description 2
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 14
- BITYAPCSNKJESK-UHFFFAOYSA-N potassiosodium Chemical compound [Na].[K] BITYAPCSNKJESK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 229910001252 Pd alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 3
- 239000006259 organic additive Substances 0.000 description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000004649 carbonic acid derivatives Chemical class 0.000 description 2
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 description 2
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 2
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- SWELZOZIOHGSPA-UHFFFAOYSA-N palladium silver Chemical compound [Pd].[Ag] SWELZOZIOHGSPA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N (2r,3r,4s,5r)-2-[6-[[2-(3,5-dimethoxyphenyl)-2-(2-methylphenyl)ethyl]amino]purin-9-yl]-5-(hydroxymethyl)oxolane-3,4-diol Chemical compound COC1=CC(OC)=CC(C(CNC=2C=3N=CN(C=3N=CN=2)[C@H]2[C@@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O2)O)C=2C(=CC=CC=2)C)=C1 BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N 0.000 description 1
- 229910001316 Ag alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 1
- 229910000272 alkali metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 1
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- NKZSPGSOXYXWQA-UHFFFAOYSA-N dioxido(oxo)titanium;lead(2+) Chemical compound [Pb+2].[O-][Ti]([O-])=O NKZSPGSOXYXWQA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 229910000484 niobium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- URLJKFSTXLNXLG-UHFFFAOYSA-N niobium(5+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Nb+5].[Nb+5] URLJKFSTXLNXLG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000003891 oxalate salts Chemical class 0.000 description 1
- UKDIAJWKFXFVFG-UHFFFAOYSA-N potassium;oxido(dioxo)niobium Chemical compound [K+].[O-][Nb](=O)=O UKDIAJWKFXFVFG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 1
- UYLYBEXRJGPQSH-UHFFFAOYSA-N sodium;oxido(dioxo)niobium Chemical compound [Na+].[O-][Nb](=O)=O UYLYBEXRJGPQSH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 1
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004154 testing of material Methods 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
- C04B35/495—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on vanadium, niobium, tantalum, molybdenum or tungsten oxides or solid solutions thereof with other oxides, e.g. vanadates, niobates, tantalates, molybdates or tungstates
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/01—Manufacture or treatment
- H10N30/05—Manufacture of multilayered piezoelectric or electrostrictive devices, or parts thereof, e.g. by stacking piezoelectric bodies and electrodes
- H10N30/053—Manufacture of multilayered piezoelectric or electrostrictive devices, or parts thereof, e.g. by stacking piezoelectric bodies and electrodes by integrally sintering piezoelectric or electrostrictive bodies and electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
- H10N30/853—Ceramic compositions
- H10N30/8542—Alkali metal based oxides, e.g. lithium, sodium or potassium niobates
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
- C04B2235/3201—Alkali metal oxides or oxide-forming salts thereof
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
- C04B2235/3201—Alkali metal oxides or oxide-forming salts thereof
- C04B2235/3203—Lithium oxide or oxide-forming salts thereof
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
- C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
- C04B2235/3251—Niobium oxides, niobates, tantalum oxides, tantalates, or oxide-forming salts thereof
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
- C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
- C04B2235/3251—Niobium oxides, niobates, tantalum oxides, tantalates, or oxide-forming salts thereof
- C04B2235/3255—Niobates or tantalates, e.g. silver niobate
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
- C04B2235/74—Physical characteristics
- C04B2235/76—Crystal structural characteristics, e.g. symmetry
- C04B2235/768—Perovskite structure ABO3
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Fuel-Injection Apparatus (AREA)
Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines bleifreien piezokeramischen Werkstoffs, aufweisend mindestens eine Perowskit-Phase mit der morphotropen Zusammensetzung (K0,5Nb0,5)O3, mit folgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstellen einer Mischung mit mindestens zwei von einander verschiedenen perowskitischen Ausgangsmaterialien der Perowskit-Phase und b) Wärmebehandeln der Mischung, wobei die Perowskit-Phase entsteht. Die Ausgangsmaterialien werden pulverförmig eingesetzt. Das Wärmebehandeln umfasst ein Kalzinieren und/oder ein Sintern. Durch die Verwendung von perowskitischen Ausgangsmaterialien (Precursoren) wird die Bildung einer phasenreinen KNN-Keramik während der Kalzination erleichtert. Mit Hilfe des Verfahrens kann ein piezokeramisches Bauteil in Form eines Ultraschallwandlers oder eines piezokeramischen Biegewandlers hergestellt werden. Insbesondere ist das zugängliche piezokeramische Bauteil ein Vielschicht-Piezoaktor, der zur Ansteuerung eines Kraftstoffventils einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs eingesetzt wird.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines bleifreien piezokeramischen Werkstoffs mit einer Perowskit-Phase des Kalium-Natrium-Niobat-Systems (KNN). Daneben wird eine Verwendung eines Bauteils mit dem Werkstoff angegeben.
- Bleihaltige piezokeramische Werkstoffe auf der Basis des binären Mischsystems von Bleizirkonat und Bleititanat, so genanntes Bleizirkonattitanat (Pb(Ti,Zr)O3, PZT), werden derzeit wegen ihrer exzellenten mechanischen und piezoelektrischen Eigenschaften, beispielsweise hohe Curietemperatur Tc von über 300°C oder hoher d33-Koeffizient im Groß- und Kleinsignalbereich, in vielen Bereichen der Technik eingesetzt. Piezokeramische Bauteile mit diesen Werkstoffen sind beispielsweise Biegewandler, Vielschichtaktoren und Ultraschallwandler. Diese Bauteile werden in der Aktorik, der Medizintechnik, der Ultraschalltechnik oder der Automobiltechnik eingesetzt.
- Im Hinblick auf eine verbesserte Umweltverträglichkeit sollen zukünftig bleifreie piezokeramische Werkstoffe zum Einsatz kommen. Aus Y. Saito et al., Lead-free piezoceramics, Nature, vol. 432, Seiten 84 bis 87 ist beispielsweise ein bleifreier, phasenreiner piezokeramischer Werkstoff mit guten piezoelektrischen Eigenschaften bekannt. Der Werkstoff besteht aus einer Perowskit-Phase auf der Basis eines Kalium-Natrium-Niobats. Die Summenformel des piezokeramischen Werkstoffs lautet (Li0,04K0,44Na0,52) (Nb0,86Ta0,1Sb0,04)O3. Die Curietemperatur beträgt 253°C. Der d33-Koeffizient beträgt im Großsignalbereich etwa 300 pm/V (Polung bei 5 kV/mm).
- Derartige KNN-Keramiken werden durch Mischen von Ausgangsmaterialien in Form von Carbonaten, beispielsweise Na2CO3 und K2CO3, Nioboxid (Nb2O3) und entsprechenden oxidischen Dotierstoffen hergestellt. Die resultierende Mischung wird bei einer Temperatur von 750°C bis 900°C für zwei bis zehn Stunden kalziniert. Teilweise werden mehrere Kalzinierungsschritte in Kombination mit zusätzlichen Mahlschritten benötigt. Dies ist aufwändig.
- Aufgabe der Erfindung ist es, ein im Vergleich zum Stand der Technik vereinfachtes Verfahren zum Herstellen eines bleifreien piezokeramischen Werkstoffs mit einer Perowskit-Phase des Kalium-Natrium-Niobat-Systems anzugeben.
- Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zum Herstellen eines bleifreien piezokeramischen Werkstoffs, aufweisend mindestens eine Perowskit-Phase mit der Zusammensetzung (K0,5Nb0,5)O3, mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Bereitstellen einer Mischung mit mindestens zwei von einander verschiedenen perowskitischen Ausgangsmaterialien der Perowskit-Phase und b) Wärmebehandeln der Mischung, wobei die Perowskit-Phase entsteht. Die Ausgangsmaterialien werden pulverförmig eingesetzt. „Bleifrei" bedeutet, dass ein Werkstoff verwendet wird, der einen molaren Bleianteil von unter 0,1 mol% und insbesondere von unter 0,01 mol% aufweist.
- In einer besonderen Ausgestaltung weist zumindest eine der Ausgangsmaterialien mindestens ein aus der Gruppe NaNbO3 (Natriumniobat), KNbO3 (Kaliumniobat) und (K1-xNbx)O3 (Kalium-Natrium-Niobat) mit 0 < x < 1 ausgewähltes Niobat auf. Besonders vorteilhaft ist es, die Anteile der Ausgangmaterialien so zu wählen, dass sich das System in der Nähe der morphotropen Phasengrenze befindet.
- Es hat sich gezeigt, dass durch die Verwendung von perowskitischen Ausgangsmaterialien (Precursoren) die Bildung einer phasenreinen KNN-Keramik während der Kalzination erleichtert wird. Phasenrein bedeutet, dass ein Anteil an einer Fremdpha se am Werkstoff unter 1 Vol% und insbesondere unter 0,1 Vol% liegt. Gleichzeitig können die Kalzination und die Sinterung bei relativ niedrigen Temperaturen stattfinden, wobei ein Abdampfen von Bestandteilen der Mischung, beispielsweise Alkalioxide, vermindert wird. Zudem zeigen gut reagierende perowskitischen KNN-Keramiken gute dielektrische Eigenschaften.
- In einer besonderen Ausgestaltung wird eine Perowskit-Phase mit mindestens einem Dotierstoff verwendet. Die Perowskit-Phase ist mit weiteren Kationen, beispielsweise Antimon (Sb) oder Tantal (Ta) dotiert. Mit den Dotierstoffen werden sowohl die Sintereigenschaften der Mischung als auch die dielektrischen Eigenschaften des resultierenden Werkstoffs beeinflusst.
- Zum Herstellen der Perowskit-Phase können nur die perowskitischen Ausgangsmaterialien verwendet werden. Als vorteilhaft hat sich aber herausgestellt, zusätzlich nicht perowskitische Ausgangsmaterialien zu verwenden. Solche Ausgangsmaterialien sind beispielsweise entsprechende Oxalate oder Tatrate. Besonders geeignet haben sich Carbonate und Oxide. Vorzugsweise wird daher eine Mischung verwendet, die mindestens ein Carbonat und/oder mindestens ein Oxid aufweist. Ein Kation des Carbonats und/oder ein Kation des Oxids werden vorzugsweise aus der Gruppe Kalium, Natrium, Lithium und/oder Niob ausgewählt. Die nicht perowskitischen Ausgangsmaterialien werden zugesetzt, um Unstöchiometrien auszugleichen oder die Bildung von geringen Mengen an Flüssigphase während der Wärmebehandlung zu fördern. So bilden beispielsweise Nb2O3 und Li2CO3 eine eutektische Phase bei 750°C. Im Übrigen kann der gegebenenfalls vorgesehene Dotierstoff auch als Carbonat oder Oxid eingesetzt werden.
- Gemäß einer besonderen Ausgestaltung wird ein piezokeramisches Bauteil mit dem piezokeramischen Werkstoff hergestellt, wobei das Bereitstellen der Mischung ein Bereitstellen eines Grünkörpers mit der Mischung umfasst, das Wärmebehandeln der Mischung ein Wärmebehandeln des Grünkörpers umfasst und durch das Wärmebehandeln des Grünkörpers das piezokeramische Bauteil mit dem piezokeramischen Werkstoff entsteht. Der Grünkörper ist ein Formkörper, der beispielsweise aus homogen vermischten, zusammen verpressten Ausgangsmaterialien besteht. Ebenso kann der Grünkörper ein organisches Additiv aufweisen, das mit den Ausgangsmaterialien zu einem Schlicker verarbeitet ist. Das organische Additiv ist beispielsweise ein Binder oder ein Dispergator. Aus dem Schlicker wird in einem Formgebungsprozess ein Grünkörper erzeugt. Der Grünkörper ist beispielsweise eine Grünfolie, die durch den Formgebungsprozess (Folienziehen) hergestellt wird. Der beim Formgebungsprozess hergestellte Grünkörper wird einer Wärmebehandlung unterzogen. Das Wärmebehandeln des Grünkörpers beinhaltet ein Kalzinieren und/oder ein Sintern. Es kommt zur Bildung und zum Verdichten des sich bildenden piezokeramischen Werkstoffs.
- Dabei wird insbesondere ein piezokeramisches Bauteil mit mindestens einem Piezoelement hergestellt, das eine Elektrodenschicht mit Elektrodenmaterial, mindestens eine weitere Elektrodenschicht mit einem weiteren Elektrodenmaterial und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete Piezokeramikschicht mit dem piezokeramischen Werkstoff aufweist. Ein einziges Piezoelement stellt die kleinste Einheit des piezokeramischen Bauteils dar. Zum Herstellen des Piezoelements wird beispielsweise eine keramische Grünfolie mit der piezokeramischen Ausgangszusammensetzung beidseitig mit den Elektrodenmaterialien bedruckt. Die Elektrodenmaterialien können dabei gleich oder unterschiedlich sein. Durch nachfolgendes Entbindern und Sintern resultiert das Piezoelement.
- In einer besonderen Ausgestaltung wird ein Piezoelement verwendet, bei dem das Elektrodenmaterial und/oder das weitere Elektrodenmaterial mindestens ein aus der Gruppe Silber, Kupfer und Palladium ausgewähltes elementares Metall aufweisen. Der piezokeramische Werkstoff bzw. das Piezoelement wird insbesondere durch ein gemeinsames Sintern der piezokeramischen Ausgangszusammensetzung und der Elektrodenmaterials herge stellt (Cofiring). Das Elektrodenmaterial kann dabei aus den reinen Metallen bestehen, beispielsweise nur aus Silber oder nur aus Kupfer. Eine Legierung der genannten Metalle ist ebenfalls möglich, beispielsweise eine Legierung aus Silber und Palladium.
- Das Sintern zum piezokeramischen Werkstoff kann sowohl in reduzierender oder oxidierender Sinteratmosphäre durchgeführt werden. In einer reduzierenden Sinteratmosphäre ist nahezu kein Sauerstoff vorhanden. Ein Sauerstoffpartialdruck beträgt weniger als 1·10–2 mbar und vorzugsweise weniger als 1·10–3 mbar. Durch Sintern in einer reduzierenden Sinteratmosphäre ist kostengünstiges Kupfer als Elektrodenmaterial möglich.
- Prinzipiell kann mit Hilfe der piezokeramischen Ausgangszusammensetzung jedes beliebige piezokeramische Bauteil mit dem piezokeramischen Werkstoff hergestellt werden. Das piezokeramische Bauteil weist vornehmlich mindestens ein oben beschriebenes Piezoelement auf. Vorzugsweise wird das piezokeramische Bauteil mit dem Piezoelement aus der Gruppe piezokeramischer Biegewandler, piezokeramischer Vielschichtaktor, piezokeramischer Transformator, piezokeramischer Motor und piezokeramischer Ultraschallwandler ausgewählt. Das Piezoelement ist beispielsweise Bestandteil eines piezoelektrischen Biegewandlers. Durch Übereinanderstapeln einer Vielzahl von einseitig oder beidseitig mit Elektrodenmaterial bedruckten Grünfolien, nachfolgendes Entbindern und Sintern entsteht ein monolithischer Stapel aus Piezoelementen. Bei geeigneter Dimensionierung und Form resultiert ein monolithischer piezokeramischer Vielschichtaktor. Dieser piezokeramische Vielschichtaktor wird vorzugsweise zur Ansteuerung eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine eingesetzt. Durch die stapelförmige Anordnung der Piezoelemente ist auch, bei geeigneter Dimensionierung und Form, ein piezokeramischer Ultraschallwandler zugänglich. Der Ultraschallwandler wird beispielsweise in der Medizintechnik oder zur Materialprüfung eingesetzt.
- Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
-
1 zeigt ein keramisches Piezoelement mit einem piezokeramischen Werkstoff, das mit Hilfe geeigneter perowskitischer Ausgangsmaterialien hergestellt wurde, in einem seitlichen Querschnitt. -
2 zeigt ein piezokeramisches Bauteil mit einer Vielzahl von Piezoelementen in einem seitlichen Querschnitt. - Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel werden pulverförmige Kalium-Niobate und Natrium-Niobate als perowskitische Ausgangsmaterialien eingesetzt, um einen bleifreien piezokeramischen Werkstoff, aufweisend mindestens eine Perowskit-Phase mit der morphotropen Zusammensetzung (K0,5Nb0,5)O3 herzustellen. Dazu werden die Alkali-Niobate mit entsprechenden Anteilen eingewogen und mit einander vermischt. Anschließend wird die erhaltene Mischung kalziniert. Es entsteht der piezokeramische Werkstoff.
- Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel werden zwei Kalium-Natrium-Niobate unterschiedlicher Zusammensetzung verwendet. Auch hier werden die Ausgangsmaterialien mit entsprechenden Anteilen eingewogen, mit einander vermischt und anschließend kalziniert.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein piezokeramisches Bauteil
1 mit dem piezokeramischen Werkstoff hergestellt. Das piezokeramische Bauteil1 ist gemäß einer ersten Ausführungsform ein Piezoaktor1 in monolithischer Vielschichtbauweise (2 ). Der Piezoaktor1 besteht aus einer Vielzahl von übereinander zu einem Stapel angeordneten Piezoelementen10 (1 ). Jedes der Piezoelemente10 weist eine Elektrodenschicht11 , eine weitere Elektrodenschicht12 und eine zwischen den Elektrodenschichten11 und12 angeordnete Piezokeramikschicht13 auf. Die im Stapel benachbarten Piezoelemente10 weisen jeweils eine gemeinsame Elektrodenschicht auf. Die Elektrodenschichten11 und12 weisen ein Elektrodenmaterial aus einer Silber-Palladium-Legierung auf, bei der Palladium zu einem Anteil von 5 Gew.% enthalten ist. In einer alternativen Ausführungsform bestehen die Elektrodenschichten aus (annähernd) reinem Silber. Gemäß einer weiteren Alternative ist das Elektrodenmaterial Kupfer. - Zum Herstellen des Piezoaktors
1 werden Grünkörper in Form von Grünfolien mit der Mischung der perowskitischen Ausgangsmaterialien bereitgestellt. Dazu wird die Pulvermischung mit den Ausgangsmaterialien mit einem organischen Binder und weiteren organischen Additiven vermischt. Aus dem auf diese Weise erhaltenen Schlicker werden die keramischen Grünfolien gegossen. Alternativ dazu wird der über das Kalzinieren bereits hergestellte Werkstoff gemahlen und pulverförmig für die Herstellung der Grünfolien eingesetzt. Die Grünfolien werden getrocknet, mit einer Paste mit dem Elektrodenmaterial bedruckt, übereinander gestapelt, laminiert, entbindert und zum Piezoaktor1 unter oxidierender Sinteratmosphäre (Silber oder Silber-Palladium-Legierung als Elektrodenmaterial) oder reduzierender Sinteratmosphäre (Kupfer als Elektrodenmaterial) gesintert. - Der resultierende monolithische piezokeramische Vielschichtaktor wird zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs eingesetzt.
- Weitere, nicht dargestellte Ausführungsformen wie piezokeramischer Biegewandler, piezokeramischer Transformator oder piezokeramischer Ultraschallwandler sind mit Hilfe der neuen piezokeramischen Zusammensetzung ebenfalls zugänglich.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Y. Saito et al., Lead-free piezoceramics, Nature, vol. 432, Seiten 84 bis 87 [0003]
Claims (11)
- Verfahren zum Herstellen eines bleifreien piezokeramischen Werkstoffs, aufweisend mindestens eine Perowskit-Phase mit der Zusammensetzung (K0,5Nb0,5)O3, mit folgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstellen einer Mischung mit mindestens zwei von einander verschiedenen perowskitischen Ausgangsmaterialien der Perowskit-Phase und b) Wärmebehandeln der Mischung, wobei die Perowskit-Phase entsteht.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei zumindest eine der Ausgangsmaterialien mindestens ein aus der Gruppe NaNbO3, KNbO3 und (K1-xNbx)O3 mit 0 < x < 1 ausgewähltes Niobat aufweist.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Perowskit-Phase mit mindestens einem Dotierstoff verwendet wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Mischung verwendet wird, die mindestens ein Carbonat und/oder mindestens ein Oxid aufweist.
- Verfahren nach Anspruch 4, wobei ein Kation des Carbonats und/oder ein Kation des Oxids aus der Gruppe Kalium, Natrium, Lithium und/oder Niob ausgewählt werden.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Werkstoff verwendet wird, der einen molaren Bleianteil von unter 0,1 mol% und insbesondere von unter 0,01 mol% aufweist.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei – ein piezokeramisches Bauteil (
1 ) mit dem piezokeramischen Werkstoff hergestellt wird, – das Bereitstellen der Mischung ein Bereitstellen eines Grünkörpers mit der Mischung umfasst, – das Wärmebehandeln der Mischung ein Wärmebehandeln des Grünkörpers umfasst und – durch das Wärmebehandeln des Grünkörpers das piezokeramische Bauteil mit dem piezokeramischen Werkstoff entsteht. - Verfahren nach Anspruch 7, wobei ein piezokeramisches Bauteil (
1 ) mit mindestens einem Piezoelement (10 ) verwendet wird, das eine Elektrodenschicht (11 ) mit Elektrodenmaterial, mindestens eine weitere Elektrodenschicht (12 ) mit einem weiteren Elektrodenmaterial und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten (11 ,12 ) angeordnete Piezokeramikschicht (13 ) mit dem piezokeramischen Werkstoff aufweist. - Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein Piezoelement (
10 ) verwendet wird, bei dem das Elektrodenmaterial und/oder das weitere Elektrodenmaterial mindestens ein aus der Gruppe Silber, Kupfer und Palladium ausgewähltes elementares Metall aufweisen. - Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei das piezokeramische Bauteil (
1 ) mit dem Piezoelement (10 ) aus der Gruppe piezokeramischer Biegewandler, piezokeramischer Vielschichtaktor, piezokeramischer Transformator, piezokeramischer Motor und piezokeramischer Ultraschallwandler ausgewählt wird. - Verwendung eines nach dem Verfahren nach Anspruch 10 hergestellten piezokeramischen Vielschichtaktors zur Ansteuerung eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102008008903A DE102008008903A1 (de) | 2008-02-13 | 2008-02-13 | Verfahren zum Herstellen eines bleifreien piezokeramischen Werkstoffs des Kalium-Natrium-Niobat-Systems mit Hilfe perowskitischer Ausgangsmaterialien und Verwendung eines Bauteils mit dem Werkstoff |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102008008903A DE102008008903A1 (de) | 2008-02-13 | 2008-02-13 | Verfahren zum Herstellen eines bleifreien piezokeramischen Werkstoffs des Kalium-Natrium-Niobat-Systems mit Hilfe perowskitischer Ausgangsmaterialien und Verwendung eines Bauteils mit dem Werkstoff |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE102008008903A1 true DE102008008903A1 (de) | 2009-04-30 |
Family
ID=40490380
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE102008008903A Ceased DE102008008903A1 (de) | 2008-02-13 | 2008-02-13 | Verfahren zum Herstellen eines bleifreien piezokeramischen Werkstoffs des Kalium-Natrium-Niobat-Systems mit Hilfe perowskitischer Ausgangsmaterialien und Verwendung eines Bauteils mit dem Werkstoff |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102008008903A1 (de) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040214723A1 (en) * | 2003-03-14 | 2004-10-28 | Denso Corporation | Crystal oriented ceramics and production method of same |
| DE102006015042A1 (de) * | 2006-03-31 | 2007-10-04 | Siemens Ag | Bleifreier piezokeramischer Werkstoff mit Kupferdotierung, Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils mit dem Werkstoff und Verwendung des Bauteils |
-
2008
- 2008-02-13 DE DE102008008903A patent/DE102008008903A1/de not_active Ceased
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040214723A1 (en) * | 2003-03-14 | 2004-10-28 | Denso Corporation | Crystal oriented ceramics and production method of same |
| DE102006015042A1 (de) * | 2006-03-31 | 2007-10-04 | Siemens Ag | Bleifreier piezokeramischer Werkstoff mit Kupferdotierung, Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils mit dem Werkstoff und Verwendung des Bauteils |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Y. Saito et al., Lead-free piezoceramics, Nature, vol. 432, Seiten 84 bis 87 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE102010009461A1 (de) | Bleifreier, mehrphasiger keramischer Werkstoff mit Texturierung, Verfahren zum Herstellen des Werkstoffs und Verwendung des Werkstoffs | |
| DE102009001990A1 (de) | Verfahren zum Herstellen einer Piezostapelvorrichtung | |
| EP1979291B1 (de) | Bleifreier piezokeramischer werkstoff, verfahren zum herstellen eines piezokeramischen bauteils mit dem werkstoff und verwendung des bauteils | |
| WO2007113189A1 (de) | Bleifreier piezokeramischer werkstoff mit kupferdotierung, verfahren zum herstellen eines piezokeramischen bauteils mit dem werkstoff und verwendung des bauteils | |
| WO2003101946A2 (de) | Piezokeramische zusammensetzung, piezokeramischer körper mit der zusammensetzung und verfahren zum herstellen der zusammensetzung und des körpers | |
| DE102007029601A1 (de) | Bleizirkonattitanat mit Eisen-Niob-Wolfram-Dotierung, Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils unter Verwendung des Bleizirkonattitanats und Verwendung des piezokeramischen Bauteils | |
| DE102007046450A1 (de) | Bleifreier piezokeramischer Werkstoff des Kalium-Natrium-Niobat-Systems mit Eisen-Lanthan-Dotierung, Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit dem piezokeramischen Werkstoff und Verwendung des Bauteils | |
| DE102005061528B4 (de) | Piezokeramisches Bauteil mit Bleizirkonattitanat mit Eisen-Wolfram-Dotierung, Verfahren zum Herstellen des piezokeramischen Bauteils und seine Verwendung | |
| DE102007028094B4 (de) | Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik mit Texturierung, Verfahren zum Herstellen der Keramik und eines piezokeramischen Bauteils und dessen Verwendung | |
| WO2007096306A1 (de) | Bleifreier piezokeramischer werkstoff mit erdalkalidotierung, verfahren zum herstellen eines piezokeramischen bauteils mit dem werkstoff und verwendung des bauteils | |
| DE102007046449A1 (de) | Bleifreier piezokeramischer Werkstoff des Kalium-Natrium-Niobat-Systems mit Mangan-Dotierung, Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit dem piezokeramischen Werkstoff und Verwendung des Bauteils | |
| DE102008008902B3 (de) | Verfahren zum Herstellen eines bleifreien piezokeramischen Werkstoffs des Kalium-Natrium-Niobat-Systems mit Hilfe von Niobhydroxid und Verwendung eines Bauteils mit dem Werkstoff | |
| DE102005061529B4 (de) | Bleizirkonattitanat mit Nickel-Molybdän-Dotierung, Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils unter Verwendung des Bleizirkonattitanats und Verwendung des piezokeramischen Bauteils | |
| DE102008008903A1 (de) | Verfahren zum Herstellen eines bleifreien piezokeramischen Werkstoffs des Kalium-Natrium-Niobat-Systems mit Hilfe perowskitischer Ausgangsmaterialien und Verwendung eines Bauteils mit dem Werkstoff | |
| DE102005014765B4 (de) | Verfahren zum Herstellen einer Piezokeramik und Verwendung des Verfahrens zum Herstellen eines piezoelektrischen Bauteils mit der Piezokeramik | |
| DE102007035623A1 (de) | Bleifreier, zweiphasiger piezokeramischer Werkstoff, Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils mit dem Werkstoff und Verwendung des Bauteils | |
| DE102006015329B4 (de) | Bleifreier piezokeramischer Werkstoff mit dem Mischsystem Erdalkali-Perowskit und Bismutyttriumoxid und Verfahren zum Herstellen des Werkstoffs | |
| DE102006015330B4 (de) | Bleifreier piezokeramischer Werkstoff aus dem Mischsystem Erdalkali-Perowskit und Bismut-Metall-Oxid und Verfahren zum Herstellen des Werkstoffs | |
| DE102010025670A1 (de) | Bleifreier piezokeramischer Werkstoff mit Perowskit-Phase und Wolframbronze-Phase und Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils mit dem Werkstoff | |
| DE102006046980B4 (de) | Bleifreier piezokeramischer Werkstoff mit einem Mischsystem aus mindestens zwei unterschiedlichen Bismut-Perowskiten und Verfahren zum Herstellen des Werkstoffs | |
| DE102010025659A1 (de) | Piezoelektrisches Bauteil mit bleifreiem, piezokeramischen Werkstoff auf Basis eines mit Silber dotierten Kalium-Natrium-Niobats und Verfahren zum Herstellen des Bauteils | |
| DE102007029613A1 (de) | Bleizirkonattitanat mit Nickel-Wolfram-Dotierung, Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils unter Verwendung des Bleizirkonattitanats und Verwendung des piezokeramischen Bauteils | |
| DE102007029600A1 (de) | Bleizirkonattitanat mit Scandium-Wolfram-Dotierung, Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils unter Verwendung des Bleizirkonattitanats und Verwendung des piezokeramischen Bauteils |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OAV | Publication of unexamined application with consent of applicant | ||
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8131 | Rejection |