CN85100426B - 钛酸铋钠钾系超声用的压电陶瓷材料 - Google Patents
钛酸铋钠钾系超声用的压电陶瓷材料Info
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Abstract
一类不含铅的超声用压电陶瓷材料，其组成为XNa0.5Bi0.5TiO3-(1-X)K0.5Bi0.5TiO3，其中X＝0.80～0.99，同时加入少量改性添加物。它们或者分别添加0.1～3％(重量)MnO2、Fe2O3、Pb(BO2)2·H2O或同时添加上述化合物中的任意两种。最佳组分是X＝0.85～0.93，同时加入少量改性添加物。该类材料具有高的Kt、Nt和大的Kt/Kp值，较低的Kp和ε33T。特别适合用作超声换能器材料。
Description
本发明是属于压电陶瓷材料，该压电材料具有高的厚度耦合系数(Kt)、高的厚度振动频率常数(Nt)、较低的径向耦合系数(Kp)和介电常数
低的体积密度和机械品质因数。特别适合用作超声换能器材料。
目前广泛应用的压电陶瓷材料是以锆钛酸铅(PZT)为基的，它是以PbO为主要成份。尽管采用密封烧结法，但因PbO挥发，所以烧成的产品一致性差、成本高。特别是铅的毒性带来公害和增加防护费用。另外PZT基陶瓷的Kp大于(Kt)，
较高，作为超声探伤、测厚和医用超声探头容易产生横向振动的干扰使波形或图像不清晰，
偏高则增加与整机匹配的困难。
为此，寻找一种不含有铅成份而具有较低的Kp和
新压电陶瓷材料显得极为重要。1971年B.Jaffe等和1973年田中哲郎各自发表了Na0.5Bi0.5TiO3(NBT)和K0.5Bi0.5TiO3(KBT)单组元陶瓷的压电铁电数据，以后又有人研究了 NBT-SrTiO3、NBT-CdTiO3系固溶体的晶体结构但未获得有实用价值的压电材料。
本发明的目的在于提供一种新的完全不含铅成份的压电陶瓷系统，这类材料具有高的Kt、Nt和大的Kt/Kp比值，较低的Kp和
低的体积密度和机械品质因数。
本发明提供的新压电陶瓷材料系统组成为：
XNa0.5Bi0.5TiO3-(1-X)K0.5Bi0.5TiO3(简写为XNBT-(1-X)KBT)(其中X＝0.80～0.99富钠区)同时加入少量改性添加物，它们或分别添加0.1～3％(重量)的MnO2、Fe2O3、Sb2O2、Pb(BO2)2·H2O等化合物，或同时添加上述化合物中的任意两种。最佳组成是X＝0.85～0.93，同时加入少量改性添加剂。
用化学纯或工业用TiO2、Bi2O3、无水Na2CO3、无水K2CO3和化学纯的上述添加物作原料，按配方称料，加无水酒精球磨混和6小时烘干后在900～1100℃保温2～5小时条件下合成，合成后粉料(熟料)用气流粉碎或球磨磨细，加粘结剂干压成型、试样在1100～1200℃大气中敞开烧结，保温2～4小时，然后研磨成φ17×1mm的试样，被银极化，按IRE标准，测定试样的压电性能。表1列出了8个不同X值的配方及其性能。表2列出了典型配方的各种铁电、压电性能。
从表1可以看出，XNBT-(1-X)KBT系富钠区压电陶瓷材料的共同特点是，具有高的厚度振动耦合系数Kt，高的厚度振动频率常数Nt和较高的居里温度Tc，低的径向耦合系数Kp，较低的介电系数
和低的体积密度。对该系统的X射线和电物理性能研究发现，NBT-KBT系的三方一四方相界位于NBT含量为0.81克分子处。
从表2可以看出，该压电陶瓷材料具有高的Kt(0.485)，低的Kp(0.255)，除了PbTiO3和偏铌酸铅外，一般PZT陶瓷和铌酸钾钠、铌酸钠锂都没有这样大的各向异性性质。作为厚度振动振子时，这有利于减少和除去不必要的振动。用它作的单探头与PZT作的同种探头比较，具有波形单纯、清晰，无高次谐波、始波窄和分辨率较高等优点。由于Kt＞＞Kp，因此横向振动小，用它作的线阵探头，串音明显减少。当探头的某一振元被激励，其相邻的第二个振元的幅度即下降98％，而用铌镁-锆-钛酸铅陶瓷作的同样探头，一直到相邻的第五个振元才下降98％。
用本发明材料制作的2.5MHZ超声诊断仪探头(φ12mm)与用铌镁-锆-钛酸铅陶瓷制作的相同探头相比，其机-电、机-声和电-声效率分别比后者大5％、6.7％和7％。用该材料制作的φ14mm，5MHz超声探伤探头，其灵敏度比PZT作的同类探头高4db以上。
本发明提供的新的压电材料的
较低，用它作的探头容易与电路匹配。该材料的体积密度为5.75克/厘米3，比PZT小25％，这有利于声阻抗匹配。此外，该材料的Kt、Nt的温度系数和十倍时间老化率也相当低。所以它的老化性能和温度稳定性均较好。
本发明的另一个优点是工艺重复性好，没有职业中毒的可能性。这是因为Bi2O3和pH＝1.5～14范围内均为稳定氧化物，不溶于水和人体体液中，至今未有Bi2O3中毒报导。这给劳动防护、废物处理带来方便。此外，本发明所述的系统的陶瓷烧结温度比PZT低100℃左右，其组分挥发很小，用刚玉坩埚密封烧结和敞开烧结的材料压电性能基本无差别(表3)，因而工艺过程简单，性能也易重复。
本发明的实施例是X为0.93配方，Na0.465K0.035Bi0.50TiO3外加0.5％(重量)Sb2O3和0.5％(重量)MnO2，工艺过程如前所述。合成条件为900℃保温1小时，再长温至1050℃保温2小时，自然冷却，烧成条件为1130～1170℃保温4小时，坯样磨成φ17×1mm的圆片、被银、极化测定其性能如表4所示。
表1NBT-KBT系压电陶瓷配方及其主要性能举例
表3装炉方法对压电性能的影响
表4实施例陶瓷的压电性能
表2典型配方的铁电、压电性能
Claims (1)
1.一类不含铅超声用的压电陶瓷材料，含钛酸铋钠和钛酸铋钾，其配比为XNa0.5 Bi0.5TiO3-(1-X)K0.5Bi0.5TiO3，(其中X＝0.80～0.99克分子富钠区)，同时添加少量改性添加物，其特征在于，它们或者分别添加0.1～3％(重量)的Fe2O3、Sb2O3、Pb2(BO2)2·H2O、MnO2等化合物或者同时添加MnO2、Fe2O3、Sb2O3、Pb2(BO2)2·H2O等化合物中的任意二种。
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