DE2940393C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine piezoelektrische Keramik auf der Basis einer festen Lösung von Bleititanat, Bleizirkonat und Bleiniobat gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a piezoelectric Ceramics based on a solid solution of lead titanate, Lead zirconate and lead miniobate according to the generic term of Claim 1.
Eine derartige piezoelektrische Keramik ist aus der DE-OS 24 56 050 bekannt. Dort kann das Niob des Bleiniobats gemäß einer Anweisung zu einem Drittel durch die Elemente Mg, Zn, Cd, Sn, Mn, Fe, Co und Ni ersetzt sein oder ein Viertel des Niobs kann durch Lithium oder Kupfer ersetzt sein. Man erhält so eine Vielzahl von Möglichkeiten einer Zusammensetzung mit entweder nur 1/3-Anteilen oder nur 1/4-Anteilen des Ersatzes von Niob durch ein anderes Element. Gemäß einer anderen Bemessungsregel erhält man eine piezoelektrische Keramik, die zwei Arten von Bleiniobat enthält, wobei entweder nur Drittelanteile oder nur Viertelanteile des Niobs bei beiden Arten der Bleiniobverbindungen durch die genannten Elemente ersetzt sind. Diesen keramischen Versätzen kann zusätzlich noch Mangandioxid zugesetzt sein.Such a piezoelectric ceramic is from the DE-OS 24 56 050 known. There the lead niobium niobium according to an instruction by a third through the elements Mg, Zn, Cd, Sn, Mn, Fe, Co and Ni can be replaced or a A quarter of the niobium can be replaced by lithium or copper be. You get a variety of options one Composition with either only 1/3 portions or only 1/4 shares of replacing niobium with another Element. According to another dimensioning rule you get a piezoelectric ceramic, the two types of Contains lead miniobate, with either only thirds or only a quarter of the niobium in both types of Lead mini connections replaced by the elements mentioned are. These ceramic offsets can additionally Manganese dioxide may be added.
Diese Vielfalt von Möglichkeiten der Zusammensetzungen einer festen Lösung von Bleititanat, Bleizirkonat und Bleiniobat ergeben eine piezoelektrische Keramik hoher mechanischer Festigkeit.This variety of compositions a solid solution of lead titanate, lead zirconate and Lead inobiotics result in a high piezoelectric ceramic mechanical strength.
Solche Massen werden in an sich bekannter Weise durch Pressen und Sintern der gut gemischten Ausgangssubstanzen hergestellt und anschließend durch Anlegen einer Gleichspannung zwischen Elektroden polarisiert, um ihnen die für die Verwendung erforderlichen Eigenschaften zu verleihen. Neben einer möglichst geringen Porosität der Endprodukte, die insbesondere durch eine Sinterung unter vermindertem Druck erzielt werden kann, sind, je nach dem Verwendungszweck, die verschiedenen elektrischen Eigenschaften der Keramik von besonderer Bedeutung.Such masses are carried out in a manner known per se Pressing and sintering the well-mixed starting substances manufactured and then by creating one DC voltage between electrodes polarized to them the properties required for use to lend. In addition to the lowest possible porosity of the final products, in particular through sintering can be achieved under reduced pressure, depending according to the purpose of use, the various electrical Properties of ceramics of particular importance.
Die elektrrischen Eigenschaften und piezoelektrischer Keramik hängen sehr wesentlich von der Zusammensetzung der Keramik ab. Dabei spielen die Art und der Anteil der in der Masse vorhandenen chemischen Elemente eine große Rolle. Es sind bereits piezoelektrische Keramiken der unterschiedlichsten Zusammensetzung bekannt, die jeweils unterschiedliche elektrische Eigenschaften haben. Aufgrund einer bekannten chemischen Zusammensetzung lassen sich jedoch die elektrischen Eigenschaften nicht voraussagen, wie auch umgekehrt es nicht möglich ist, bestimmte elektrische Eigenschaften planmäßig durch Auswahl einer bestimmten Zusammensetzung zu erzielen. Da sich eine große Anzahl von chemischen Elementen als Bestandteil für piezoelektrische Keramik eignet und schon deren Kombinationsmöglichkeit sehr groß ist, und außerdem bei vorgegebenen chemischen Bestandteilen die Variationsmöglichkeit der Anteile der einzelnen Bestandteile wiederum sehr groß ist, ist es nicht möglich, durch eine begrenzte Anzahl von Versuchen piezoelektrische Keramiken bestimmter Eigenschaften zu erhalten.The electrical properties and piezoelectric Ceramics depend very much on the composition the ceramic. The type and proportion of large chemical elements present in the mass Role. Piezoelectric ceramics are already used different composition known, each have different electrical properties. Because of a known chemical composition but do not predict the electrical properties, as well as vice versa it is not possible to certain electrical properties as scheduled by selecting one to achieve certain composition. Since one large number of chemical elements as a component for Piezoelectric ceramics are suitable and already theirs Combination possibility is very large, and also for given chemical components Possibility of varying the proportions of the individual In turn, components is very large, it is not possible through a limited number of attempts piezoelectric ceramics have certain properties receive.
Für Oszillatoren und Frequenzfilter werden Bauelemente verlangt, deren zeitliche und thermische Änderung möglichst gering ist. Die Erfindung befaßt sich daher mit der Aufgabe, eine piezoelektrische Keramik mit hoher piezoelektrischer Aktivität, hoher mechanischer Festigkeit und geringer Zeit- und Temperaturabhängigkeit zu schaffen, die sich insbesondere für frequenzstabile Schwinger eignet, d. h. eine piezoelektrische Keramik mit geringer zeitlicher Änderung der Resonanzfrequenz und einem geringen Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz. Components are used for oscillators and frequency filters demands their temporal and thermal change is as low as possible. The invention is therefore concerned with the task of making a piezoelectric ceramic with high piezoelectric activity, high mechanical Strength and low time and temperature dependence to create, especially for frequency stable Schwinger is suitable, d. H. a piezoelectric ceramic with little change over time of the resonance frequency and a low temperature coefficient of Resonance frequency.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Zusammensetzung der piezoelektrischen Keramik gelöst.This object is achieved by the specified in claim 1 Composition of the piezoelectric ceramic solved.
Aus der DE-OS 16 46 740 und aus der DE-AS 16 46 823 sind bereits piezoelektrische Keramiken der Zusammensetzung Pb(Mn1/3Nb2/3)TiZrO3 bekannt. Weiter ist aus der DE-AS 19 50 317 eine piezoelektrische Keramik der Zusammensetzung Pb(Cu1/4Nb3/4)TiZrO3 bekannt.Piezoelectric ceramics of the composition Pb (Mn 1/3 Nb 2/3 ) TiZrO 3 are already known from DE-OS 16 46 740 and from DE-AS 16 46 823. Furthermore, a piezoelectric ceramic of the composition Pb (Cu 1/4 Nb 3/4 ) TiZrO 3 is known from DE-AS 19 50 317.
Es war jedoch nicht vorauszusehen, daß eine piezoelektrische Keramik, welche durch bestimmte Kobmination der genannten bekannten Zusammensetzungen erhalten wird, gerade eine Resonanzfrequenz mit geringer zeitlicher Änderung und mit einem geringen Temperaturkoeffizienten haben wird. Außerdem war es für den Fachmann nicht naheliegend gewesen, gerade aus diesen beiden bekannten Zusammensetzungen einen neuen Stoff zu schaffen, da es noch sehr viele andere Möglichkeiten gibt, aus bekannten Zusammensetzungen eine neue Zusammensetzung zu bilden. Schließlich war es auch nicht naheliegend, die Anteile der einzelnen Bestandteile der neuen piezoelektrischen Keramik gerade in dem im Anspruch 1 angegebenen Mengenverhältnis zu wählen.However, it was not foreseeable that a piezoelectric Ceramics, which by certain combination of known compositions obtained, just a resonance frequency with little change over time and will have a low temperature coefficient. In addition, it was not obvious to the specialist one of these two known compositions to create new stuff as there are so many others Possibilities, one from known compositions to form new composition. After all, it was not obvious, the proportions of the individual components of the new piezoelectric ceramics in the claim 1 specified ratio.
Die piezoelektrische Keramik gemäß der Erfindung wird in an sich bekannter Weise so hergestellt, daß die Ausgangssubstanzen, und zwar die Carbonate und Oxide der einzelnen Bestandteile, im entsprechenden Mengenverhältnis bis zur Homogenisierung gemahlen und gemischt und bei einer Temperatur von 700-900°C kalziniert werden. Anschließend wird nochmals gemahlen und das so erhaltene Pulver durch einen isostatischen Preßvorgang bei Raumtemperatur mit einem Druck von etwa 3,6 · 10⁸N/m² zu Körpern gepreßt, die einer Sinterung zwischen 1250 und 1300°C unterworfen werden. Der erste Teil der Sinterung wird unter vermindertem Druck vorgenommen und der zweite Teil der Sinterung bei Normaldruck in oxidierender Atmosphäre. Hierbei werden weitgehend porenfreie Körper hoher Dichte erhalten.The piezoelectric ceramic according to the invention is shown in in a manner known per se so that the starting substances, namely the carbonates and oxides of the individual Ingredients, in the appropriate proportions up to Homogenization ground and mixed and at one temperature calcined from 700-900 ° C. Then will ground again and the powder thus obtained by a isostatic pressing process at room temperature with a Pressure of about 3.6 · 10⁸N / m² pressed into bodies that subjected to sintering between 1250 and 1300 ° C will. The first part of the sintering is reduced Pressure made and the second part of the sintering Normal pressure in an oxidizing atmosphere. This will largely maintain high density non-porous bodies.
In den nachfolgenden Tabellen sind Beispiele für Zusammensetzungen gemäß der Erfindung und deren elektrische Eigenschaften angegeben. The following tables are examples of compositions according to the invention and its electrical properties specified.
In den Tabellen bedeuten:In the tables mean:
x: Molarer Anteil an Pb(Cu1/4Nb3/4)O3 y: Molarer Anteil an Pb(Mn1/3Nb2/3)O3 z: Molarer Anteil an PbTiO₃u: Molarer Anteil an PbZrO₃fs: Die Resonanzfrequenz in kHz tanδ: Der Verlustfaktor bei 1 kHz k r : Der Kopplungsfaktor der Radialschwingung e: Die Permitivität TK ε : Der Temperaturkoeffizient der Permitivität TK fs : Der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz Q: Die Güte ϕ: Die Dichte N: Die Schaltgeschwindigkeit x : Molar fraction of Pb (Cu 1/4 Nb 3/4 ) O 3 y : Molar fraction of Pb (Mn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 z : Molar fraction of PbTiO₃ u : Molar fraction of PbZrO₃ fs : The resonance frequency in kHz tan δ : The loss factor at 1 kHz k r : The coupling factor of the radial vibration e : The permittivity TK ε : The temperature coefficient of the permittivity TK fs : The temperature coefficient of the resonance frequency Q : The quality ϕ : The density N : The switching speed
Aus den Tabellen kann entnommen werden, daß der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz sehr kleine, teils negative und teils positive Werte hat, so daß durch Auswahl einer geeigneten dazwischen liegenden Zusammensetzung praktisch ein Temperaturkoeffizient Null erzielt werden kann. Die Dichte ist sehr hoch und liegt fast beim theoretischen Wert. Die zeitliche Änderung der Resonanzfrequenz ist sehr gering und ist kleiner oder gleich 0,1‰ pro Zeitdekade. Der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz liegt unter 30 ppm pro °C.From the tables it can be seen that the temperature coefficient the resonance frequency very small, partly negative and partly has positive values, so that by selection a suitable intermediate composition practically a temperature coefficient of zero can be achieved can. The density is very high and almost the theoretical Value. The temporal change in the resonance frequency is very small and is less than or equal to 0.1 ‰ per Time decade. The temperature coefficient of the resonance frequency is below 30 ppm per ° C.
Zusätzlich wird eine hohe piezoelektrische Aktivität erhalten, so daß die piezoelektrische Keramik gemäß der Erfindung sich nicht nur für Schwinger für frequenzstabile Oszillatoren eignet, sondern auch sehr gut für Filteranwendungen geeignet ist. In addition, high piezoelectric activity is obtained so that the piezoelectric ceramic according to the invention not only for transducers for frequency stable Oscillators, but also very good for filter applications suitable is.
Wie aus den Tabellen weiterhin entnommen werden kann, können Gütewerte bis 4500 erreicht werden.As can be seen from the tables, quality values up to 4500 can be achieved.
Claims (5)
x = 0,01-0,34
y = 0,01-0,34
x + y = 0,2-0,35 und
z = 0,1-0,75ist.1. Piezoelectric ceramics based on a solid solution of lead titanate, lead zirconate and lead niniobate, with a quarter of the niobium being replaced by copper and an addition of manganese, characterized by a composition according to the formula Pb (Cu 1/4 Nb 3/4 ) x (Mn 1/3 Nb 2/3 ) y Ti z Zr u O 3 , where x + y + z + u = 1 with
x = 0.01-0.34
y = 0.01-0.34
x + y = 0.2-0.35 and
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