WO2015018915A1 - Piezokeramischer werkstoff mit reduziertem bleigehalt - Google Patents

Piezokeramischer werkstoff mit reduziertem bleigehalt Download PDF

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    • C04B2235/768—Perovskite structure ABO3
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    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/74—Physical characteristics
    • C04B2235/79—Non-stoichiometric products, e.g. perovskites (ABO3) with an A/B-ratio other than 1

Definitions

  • the invention relates to a piezoceramic material with a reduced lead content based on potassium sodium niobate (KNN) based on a basic composition according to the preamble of claim 1.
  • KNN potassium sodium niobate
  • PZT lead zirconate titanate
  • KNN potassium sodium niobate
  • EP1382588A1 describes a lead-free piezoceramic
  • Composition having a main component of the general formula ⁇ Li x (Ki-yNay) i- x ⁇ (Nbi- z z -wTa Sbw) 03 and at least one metallic element selected from (1) palladium, silver, gold, ruthenium, rhodium, rhenium , Osmium, iridium and platinum or (2) nickel, iron, manganese, copper, zinc or (3) magnesium, calcium, strontium and barium as an additional element.
  • metallic element selected from (1) palladium, silver, gold, ruthenium, rhodium, rhenium , Osmium, iridium and platinum or (2) nickel, iron, manganese, copper, zinc or (3) magnesium, calcium, strontium and barium as an additional element.
  • An element comprising a plurality of lead-free piezoelectric layers containing an oxide comprising an alkali metal element, in particular in the form of
  • Sodium, potassium or lithium and contains niobium or bismuth Sodium, potassium or lithium and contains niobium or bismuth.
  • EP2104152A2 describes a piezoelectric element containing a lead-free piezoelectric ceramic.
  • the components KNb0 3 and BaTi0 3 are called.
  • Piezoelectric ceramics have the general formula xKNb0 3 - (lx) BaTi0 3 , where x is between 0.5 and 0.9.
  • EP1876155A1, EP1876156A1 and DE112006003755B4 are directed to a
  • EP 1702906A1 describes a piezoceramic material in which a basic ceramic composition is prepared by adding, for example,
  • Alkaline earth metal metaniobate is modified.
  • KNN potassium natrium mN iobate
  • a piezoelectric multilayer actuator based on a material according to the invention is defined as defined in claim 13.
  • the use of a mixture of Pb, Nb and optiona Ag in is also suitable a piezoceramic material of potassium niobium niobate (KNN) base to increase the sintering interval. It is therefore from a lead-free piezoceramic material on potassium sodium niobate (KNN) basis of the basic composition
  • the data k, I and m refer to the wt .-% of the respective component based on the total mass of the piezoceramic
  • Nb can be wholly or partially replaced by one or more of the elements Ta and Sb.
  • the piezoceramic material according to the invention thus has the
  • Basic composition contains a further component comprising Pb, Nb and optionally Ag, wherein the weight proportions of Pb, Nb and Ag based on the total weight of the piezoceramic material are selected as follows: k wt% Pb + I wt% Nb + m wt% Ag
  • the amount of added Pb is chosen such that 0.001 ⁇ k ⁇ 0.2.
  • Nb is chosen so that 0 ⁇ I ⁇ 0.179.
  • the amounts of Pb and Nb added are chosen to be 0.001 ⁇ k ⁇ 0.11 and 0.022 ⁇ 1 ⁇ 0.09.
  • Component in addition to Pb and Nb and optionally Ag additionally includes Mn.
  • Materials have a sintering interval in the range of> 20 K, in particular in the range of 30 K to 40 K.
  • the reduced lead content piezoceramic material is accomplished through the steps of preparing a calcine of the base composition and adding the sintering aid mixture.
  • the addition of the sintering aid mixture which comprises Pb, Nb and optionally Ag and optionally Mn, can be carried out in particular during fine grinding.
  • the further processing is realized in a known manner including sintering in a normal atmosphere.
  • the invention thus also relates to a method for producing a piezoceramic material with a reduced lead content
  • piezoceramic multilayer actuator on the basis of the piezoceramic material according to the teaching of claim 13.
  • the invention also relates to the use of a mixture of Pb, Nb and optionally Ag in a piezoceramic material to potassium-sodium
  • the amount of added Pb is chosen such that 0.001 ⁇ k ⁇ 0.2.
  • Nb is chosen so that 0 ⁇ I ⁇ 0.179.
  • the amounts of Pb and Nb added are chosen to be 0.001 ⁇ k ⁇ 0.11 and 0.022 ⁇ 1 ⁇ 0.09.
  • Component in addition to Pb and Nb and optionally Ag additionally includes Mn.
  • the ratio of Pb to Mn to Nb prefferably be such that k: b: I is 1: 0.09: 0.30.
  • Bleimetaniobat carried out, wherein the added amount of the sintering aid is selected so that the lead content in the range of 0.05 wt .-% to 0.2 wt .-% is. Particularly preferably, the lead content is at most 0.1 wt .-%, based on the entire piezoceramic material.
  • Fig. 1 describes the general technological process of
  • FIG. 3 shows a comparison of the typical temperature dependence of the specific insulation resistance of exemplary embodiments 1 (prior art) and FIG. 8.
  • FIG. 4a shows the unipolar strain hysteresis
  • FIG. 5a shows the unipolar strain hysteresis
  • FIG. 6a shows the unipolar strain hysteresis
  • Table 1 summarizes the parameters used for the assessment.
  • the specific insulation resistance p is determined at 50V on polarized samples with temperature increase from room temperature to 150 ° C.
  • the electromechanical strain S 3 is determined by laser interferometer at 2kV / mm. For samples that could not be measured at 2 kV / mm due to increased conductivity, the field strength is shown in column 12.
  • Sintering interval is to be understood as the range defined by two temperature specifications, within which the required properties of the ceramic are achieved when the material is fired. These are defined as follows:
  • This composition corresponds to the prior art with a sintering interval ⁇ 20K.
  • Embodiment 2 is a diagrammatic representation of Embodiment 1:
  • This composition according to the invention has a widening of the sintering interval to 30K.
  • This composition according to the invention has a widening of the sintering interval to 30K.
  • This composition according to the invention has a widening of the sintering interval to 30K.
  • Embodiment 5 is a diagrammatic representation of Embodiment 5:
  • This composition according to the invention has a widening of the sintering interval to 30K.
  • Embodiment 6 is a diagrammatic representation of Embodiment 6
  • Embodiment 7 is a diagrammatic representation of Embodiment 7:
  • This composition has a
  • Embodiment 8 is a diagrammatic representation of Embodiment 8
  • This inventive composition has a widening of the sintering interval to 40K.
  • a large-scale processing of the material was carried out throughout and the addition of Pb and Nb during spray granulation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen piezokeramischen Werkstoff mit reduziertem Bleigehalt auf Kalium-Natrium-Niobat (KNN)-Basis einer definierten Grundzusammensetzung. Erfindungsgemäß erfolgt eine Zugabe einer Mischung von Pb, Nb und optional Ag und optional Mn, so dass ein breites Sinterintervall bei reproduzierbaren elektrischen und mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs gegeben ist.

Description

Piezokeramischer Werkstoff mit reduziertem Bleigehalt
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen piezokeramischen Werkstoff mit reduziertem Bleigehalt auf Kalium-Natrium-Niobat (KNN)-Basis einer Grundzusammensetzung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Der derzeitige Stand der Technik bei der Herstellung piezokeramischer Werkstoffe ist von einem Umbruch im Hinblick auf die angestrebte
Umstellung bleifreier oder bleireduzierter Produkte gekennzeichnet. So sind in der Richtlinie 2011/65/EU (RoHS2) Maßnahmen zur Reduzierung der Verwendung besonders gefährlicher Stoffe wie Blei in Elektro- und
Elektronikgeräten gefordert. Demnach unterliegen Stoffe mit bspw. einem Bleigehalt größer 0,1 Gew.-% im homogenen Material Beschränkungen und dürfen nur mit Ausnahmegenehmigungen in den Verkehr gebracht werden. Umweltfreundlichere Alternativen der Ausgangswerkstoffe müssen jedoch mindestens genauso leistungsfähig sein und ähnliche Parameter aufweisen wie bisherige bleihaltige Varianten. Derzeit ist Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) der am meisten verwendete piezokeramische Grundwerkstoff, wenn es beispielsweise um schnellschaltbare piezoelektrische Anwendungen im Kraftfahrzeug-Bereich oder Sensoren geht. Es wurde bereits vorgeschlagen, PZT durch Kalium-Natrium-Niobat (KNN) zu ersetzen. Insbesondere die komplexe Modifizierung der KNN Werkstoffe mit Lithium, Tantal und Antimon („Lead-free piezoceramics",Saito u.a.; Letters to Nature, 2004) besitzt das Potential, Alternativen zum PZT darzustellen.
So beschreibt die EP1382588A1 eine bleifreie piezokeramische
Zusammensetzung mit einem Hauptbestandteil der allgemeinen Formel {Lix(Ki-yNay)i-x} (Nbi-z-wTazSbw)03 und mindestens einem metallischen Element ausgewählt aus (1) Palladium, Silber, Gold, Ruthenium, Rhodium, Rhenium, Osmium, Iridium und Platin oder (2) Nickel, Eisen, Mangan, Kupfer, Zink oder (3) Magnesium, Calcium, Strontium und Barium als zusätzlichem Element.
Die DE102007013874A1 beschreibt ein mehrschichtiges piezoelektrisches
Element, das eine Vielzahl von bleifreien piezoelektrischen Schichten aufweist, die ein Oxid enthalten, das ein Alkalimetallelement insbesondere in Form von
Natrium, Kalium oder Lithium umfasst und Niob oder Wismut enthält.
Die EP2104152A2 beschreibt ein piezoelektrisches Element, das eine bleifreie piezoelektrische Keramik enthält. Als Hauptbestandteile der piezoelektrischen Keramik werden die Komponenten KNb03 und BaTi03 genannt. Die
piezoelektrischen Keramiken weisen die allgemeine Formel xKNb03-(l-x)BaTi03 auf, wobei x zwischen 0.5 und 0.9 liegt.
Trotz intensiver Forschungen und Entwicklungen in den vergangenen 10 Jahren ist es bisher nicht gelungen, diese aussichtsreichen bleifreien Werkstoffe im industriellen Maßstab herzustellen. Als kritisches Moment hat sich dabei herausgestellt, dass die gewünschten Eigenschaften bei konventioneller Sinterung nur in einem sehr engen Sinterintervall von 10 bis 20 K erreicht werden. Zur Lösung dieses Problems werden im Stand der Technik unterschiedliche Ansätze beschrieben. Einerseits soll insbesondere das Sinterverhalten durch weitere (bleifreie) Zusätze verbessert werden. EP1876155A1, EP1876156A1 und DE112006003755B4 zielen auf eine
Verbreiterung des Sinterintervalls eines KNN-Werkstoffes auf der Basis von (Kl-a- bNaal_ib)m(Nbl-c-dTacSbd)03 mit 0<a<0.9, 0< b< 0.3, 0<a + b<0.9, 0<c<0.5, 0<d <0.1, 0.7<m< 1.3 durch Zusatz perowskitischer Oxide bzw. Oxidkomplexe und weiterer Oxide ab.
Die EP 1702906A1 beschreibt einen piezokeramischen Werkstoff, bei dem eine keramische Grundzusammensetzung durch Zugabe von beispielsweise
Erdalkalimetallmetaniobat modifiziert ist.
Andererseits werden alternative Sinterverfahren wie Heißpressen, Spark Plasma Sinterung (Li u.a.; J. Am. Ceram. Soc, 96 [12] 3677-3696 (2013)) oder ein zweistufiges Sintern mit Aufheizraten von 10 K/min (Pang u.a.; Ceramics
International, 38 (2012) 2521 - 2527) vorgeschlagen. Diese Verfahren sind aber für eine kostengünstige Massenfertigung nicht geeignet oder lassen sich aufgrund der thermischen Trägheit großer Sintervolumina großtechnisch nicht umsetzen.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfind u ng, einen piezokeramischen Werkstoff auf der Basis von Kal ium-Natriu m-N iobat (KNN) anzugeben, welcher bei reduziertem Bleigehalt eine ausreichend große Dehnu ng für d ie Anwendu ng im Bereich der M u ltilayeraktoren aufweist u nd der im Vergleich zu bekannten bleifreien-KN N-basierten Werkstoffen ein großtechnisch, gut hand habbares, breites Sinterinterva ll besitzt und daher mit konventionellen Sintermethoden vera rbeitet werden kann
Die Lösu ng der Aufgabe der Erfind ung erfolgt du rch einen
piezokeramischen Werkstoff gemäß der Merkmalskombination nach
Anspruch 1, sowie ein Verfa hren zu r Herstel l u ng eines derartigen
Werkstoffs nach Anspruch 12. Erfind u ngsgemäß ist darü ber hinaus ein piezoelektrischer M ultilayeraktor auf der Basis eines erfindu ngsgemäßen Werkstoffs gemäß Definition nach Anspruch 13. Erfind u ngsgemäß ist ebenfal ls eine Verwendu ng einer Mischung von Pb, Nb u nd optiona l Ag in einem piezokeramischen Werkstoff a uf Kal iu m-Natriu m-Niobat (KNN)-Basis zu r Erhöhu ng des Sinterintervalls. Es wird demnach von einem bleifreien piezokeramischen Werkstoff auf Kalium-Natrium-Niobat (KNN)-Basis der Grundzusammensetzung
(KxNayLi1-x-y)a (MnuTavSbwNbi-u-v-w)03
0<x<l y; 0<y<l; 0<u<0,01; 0<v<0,3; 0<w <0,2
0,95<a<l,05; x+y < 1; ausgegangen.
Erfindungsgemäß erfolgt die Zugabe einer Mischung von Pb, Nb und Ag wie folgt
k Gew.-% Pb + I Gew.-% Nb + m Gew.-% Ag
mit
0<k<0,5; 0 < I < 1 ; 0<m<l.
Dabei beziehen sich die Angaben k, I und m auf die Gew.-% der jeweiligen Komponente bezogen auf die Gesamtmasse des piezokeramischen
Werkstoffs.
Alternativ kann Nb dabei ganz oder teilweise durch eines oder mehrere der Elemente Ta und Sb ersetzt werden.
Der erfindungsgemäße piezokeramische Werkstoff weist somit die
Grund zusammen setzung
(KxNayLi1-x-y)a (MnuTavSbwNbi-u-v-w)03 mit
0<x<l y; 0<y<l; 0<u<0,01; 0<v<0,3; 0< w<0,2 und
0,95<a<l,05; x+y < 1; auf und ist dadurch charakterisiert, dass er zusätzlich zu der
Grundzusammensetzung eine weitere Komponente enthält, die Pb, Nb und optional Ag umfasst, wobei die Gewichtsanteile von Pb, Nb und Ag bezogen auf das Gesamtgewicht des piezokeramischen Werkstoffes wie folgt gewählt sind: k Gew.-% Pb + I Gew.-% Nb + m Gew.-% Ag
mit
0<k<0,5; 0 < I < 1 ; 0< m<l.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Menge an zugesetztem Pb so gewählt, dass 0,001<k<0,2 ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Menge an
zugesetztem Nb so gewählt, dass 0 < I < 0, 179 ist.
Besonders gute Ergebnisse wurden erzielt, wenn das Verhältnis von zugesetztem Pb zu zugesetztem Nb so gewählt ist, dass 0,001<k<0,2 ist und 0<l<0,179 ist.
Es hat sich gezeigt, dass besonders vorteilhafte Ergebnisse erzielt werden können, wenn die Menge an zugesetztem Pb so gewählt ist, dass
0,001<k<0,l ist.
Es hat sich ferner gezeigt, dass besonders gute Ergebnisse erzielt werden, wenn die Menge an zugesetztem Nb so gewählt ist, dass 0,022 < I < 0,09 ist.
Besonders bevorzugt werden die Mengen an zugegebenen Pb und Nb so gewählt, dass 0,001<k<0,l ist und 0,022<l<0,09 ist.
Aus den experimentellen Untersuchungen hat sich weiter ergeben, dass die Lösung der Aufgabe auch erreicht werden kann, wenn die weitere
Komponente neben Pb und Nb sowie optional Ag zusätzlich Mn umfasst. Dabei werden besonders gute Ergebnisse erzielt, wenn die weitere
Komponente k Gew.-% Pb, I Gew.-% Nb und n Gew.-% Mn umfasst, wobei das Verhältnis n:l im Bereich von 0,05 bis 0,15:0,30 liegt.
Als besonders bevorzugt hat es sich dabei erwiesen, dass das Verhältnis von Pb zu Mn zu Nb so gewählt ist, dass k: n : I bei 1:0,09:0,30 liegt. Es hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäßen piezokeramischen
Werkstoffe ein Sinterintervall im Bereich von >20 K, insbesondere im Bereich von 30 K bis 40 K aufweisen.
Der piezokeramische Werkstoff mit reduziertem Bleigehalt wird durch die Schritte der Herstellung eines Kalzinats der Grundzusammensetzung und die Zugabe der Sinterhilfsmittelmischung vollzogen. Die Zugabe der Sinterhilfsmittelmischung, die Pb, Nb und optional Ag und optional Mn umfasst, kann insbesondere bei der Feinmahlung erfolgen.
Die Weiterverarbeitung wird in bekannter Weise einschließlich Sinterung in normaler Atmosphäre realisiert.
Die Erfindung bezieht sich somit ebenso auf ein Verfahren zur Herstellung eines piezokeramischen Werkstoffs mit reduziertem Bleigehalt
g e ke n n ze i c h n et d u rc h folgende Schritte:
- Herstellung einer Rohstoffmischung der Grundzusammensetzung
- Herstellung eines Kalzinats der Grundzusammensetzung
- Feinmahlung des Kalzinats
- Herstellung eines Granulats insbesondere durch Sprühgranulierung oder Herstellung eines Gießschiickers für den Multilayer- oder "Co-firing"- Prozess
- Weiterverarbeitung in bekannter Weise einschließlich Sinterung in normaler Atmosphäre.
Unter "Co-firing" Prozess ist im Sinne der vorliegenden Erfindung ein besonders innovatives Herstellungsverfahren zu verstehen, bei dem zunächst Folien aus Piezokeramikmaterial gegossen und anschließend noch im Grünzustand mit Elektroden versehen werden . Aus vielen Einzelfolien wird ein Piezoelement laminiert und anschließend gemeinsam mit den Innenelektroden in einem einzigen Prozessschritt gesintert, wie beispielsweise in der DE10234787C1 beschrieben. Erfindungsgemäß ist ein piezokeramischer Multilayeraktor auf der Basis des piezokeramischen Werkstoffs gemäß der Lehre nach Anspruch 13.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer Mischung von Pb, Nb und optional Ag in einem piezokeramischen Werkstoff auf Kalium-Natrium-
Niobat (KNN)-Basis der Grundzusammensetzung
(KxNayLi1-x-y)a (MnuTavSbwNbi-u-v-w)03 mit
0<x<l y; 0<y<l; 0<u<0,01; 0<v<0,3; 0< w<0,2 und
0,95<a<l,05; x+y < 1; zur Erhöhung des Sinterintervalls des piezokeramischen Werkstoffs, wobei die Zugabe einer Mischung von Pb und Nb und optional Ag so erfolgt, dass der Gehalt von durch die Zugabe zugesetztem Pb, Nb und Ag in Gew.-% bezogen auf den gesamten piezokeramischen Werkstoff wie folgt ist: k Gew.-% Pb + I Gew.-% Nb + m Gew.-% Ag
mit
0<k<0,5; 0 < I < 1 ; 0< m<l.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Menge an zugesetztem Pb so gewählt, dass 0,001<k<0,2 ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Menge an
zugesetztem Nb so gewählt, dass 0 < I < 0, 179 ist.
Besonders gute Ergebnisse wurden erzielt, wenn das Verhältnis von zugesetztem Pb zu zugesetztem Nb so gewählt ist, dass 0,001<k<0,2 ist und 0<l<0,179 ist.
Es hat sich gezeigt, dass besonders vorteilhafte Ergebnisse erzielt werden können, wenn die Menge an zugesetztem Pb so gewählt ist, dass
0,001<k<0,l ist. Es hat sich ferner gezeigt, dass besonders gute Ergebnisse erzielt werden, wenn die Menge an zugesetztem Nb so gewählt ist, dass 0,022 < I < 0,09 ist.
Besonders bevorzugt werden die Mengen an zugegebenen Pb und Nb so gewählt, dass 0,001<k<0,l ist und 0,022<l<0,09 ist.
Aus den experimentellen Untersuchungen hat sich weiter ergeben, dass die Lösung der Aufgabe auch erreicht werden kann, wenn die weitere
Komponente neben Pb und Nb sowie optional Ag zusätzlich Mn umfasst. Dabei werden besonders gute Ergebnisse erzielt, wenn die weitere
Komponente k Gew.-% Pb, I Gew.-% Nb und n Gew.-% Mn umfasst, wobei das Verhältnis n:l im Bereich von 0,05 bis 0,15:0,30 liegt.
Als besonders bevorzugt hat es sich dabei erwiesen, dass das Verhältnis von Pb zu Mn zu Nb so gewählt ist, dass k : b : I bei 1:0,09:0,30 liegt.
In überraschender Weise hat sich durch die Zugabe der Sinterhilfsmittel Pb, Nb und optional Ag und optional Mn gezeigt, dass zum einen der hohe Isolationswiderstand und das Dehnungsvermögen der
Grundzusammensetzung erhalten bleibt. Zum anderen ergibt sich eine Verbreiterung des Sinterintervalls auf Bereiche zwischen 30 K und 40 K. Die Zugabe Pb und Nb kann als nominelle Verbindung in Form von
Bleimetaniobat erfolgen, wobei die zugesetzte Menge des Sinterhilfsmittels so gewählt ist, dass der Bleigehalt im Bereich von 0,05 Gew.-% bis 0,2 Gew.-% liegt. Besonders bevorzugt liegt der Bleigehalt bei maximal 0,1 Gew.-%, bezogen auf den gesamten piezokeramischen Werkstoff.
Die Figuren dienen der Erläuterung der Ergebnisse der erfindungsgemäßen Untersuchungen verschiedener Materialien auf KNN-Basis.
Fig. 1 beschreibt den allgemeinen technologischen Ablauf der
Probenherstellung. Mit„*" sind diejenigen technologischen Schritte gekennzeichnet, in denen der beschriebene Zusatz von Pb und Nb und optional Ag und optional Mn erfolgen kann.
Fig.2 zeigt im Vergleich die typische Temperaturabhängigkeit der unipolaren Dehnung der Ausführungsbeispiele 1 (Stand der Technik) und 8 bei einer Ansteuerfeldstärke von 2 kV/mm.
Fig.3 zeigt im Vergleich die typische Temperaturabhängigkeit des spezifischen Isolationswiderstandes der Ausführungsbeispiele 1 (Stand der Technik) und 8.
Fig.4a zeigt die unipolare Dehnungshysterese und Fig.4b den
Probenstrom im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 175 °C für das Ausführungsbeispiel 1.
Fig.5a zeigt die unipolare Dehnungshysterese und Fig.5b den
Probenstrom im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 175 °C für das Ausführungsbeispiel 7.
Fig.6a zeigt die unipolare Dehnungshysterese und Fig.6b den
Probenstrom im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 175 °C für das Ausführungsbeispiel 8.
Beispiele
Die im Folgenden angeführten Messergebnisse beziehen sich auf das Grundsystem
(KxNayLi1-x-y)a (MnuTavSbwNbi-u-v-w)03
Die Mischung der Rohstoffe und die Feinmahlung des Kalzinats erfolgten jeweils in einer Rührwerkskugelmühle. Pb- und Nb- und optional Mn-Zusätze erfolgten bei folgenden technologischen Schritten:
Bsp. 1-7: Feinmahlung
Bsp. 8: Zusatz bei der Sprühgranulierung
Dabei erfolgte die Pb-und Nb-Zugabe in den Bsp. 2 und 3 als Oxidmischung (M) und in den Bsp. 4, 5 und 8 als vorgebildetes Kalzinat (K). Die Zugabe von Pb, Nb und Mn erfolgte in den Beispielen 6 und 7 als Oxidmischung (M).
In Tabelle 1 sind die für die Bewertung herangezogenen Parameter zusammengefasst.
Figure imgf000011_0001
Der spezifische Isolationswiderstand pis wird bei 50V an gepolten Proben bei Temperaturerhöhung von Raumtemperatur bis 150°C bestimmt. Die elektromechanische Dehnung S3 wird mittels Laserinterferometer bei 2kV/mm bestimmt. Für Proben, die aufgrund erhöhter Leitfähigkeit nicht bei 2 kV/mm gemessen werden konnten, ist die Messfeldstärke in Spalte 12 angegeben.
Unter Sinterintervall ist der durch zwei Temperaturangaben eingegrenzte Bereich zu verstehen, innerhalb dessen beim Brennen des Werkstoffes die erforderlichen Eigenschaften der Keramik erzielt werden. Diese sind wie folgt definiert:
tan δ: <5010"3
S3 (RT): >0,610"3
Emax: >2 kV/mm
Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele zeigen das Verhalten des Standes der Technik (Bsp. 1) und der erfindungsgemäß hergestellten Zusammensetzungen (Bsp. 2 bis 8). Die Proben wurden entsprechend Flussdiagramm (Fig.l) hergestellt.
Die Ergebnisse der Untersuchungen sind in Tabelle 2 dokumentiert. Ausführungsbeispiel 1:
Zusammensetzung
(K0,44Na0,52Lio,04)0,998 (Mno,005[Tao,loSbo,06Nbo,84]o,995)03
Diese Zusammensetzung entspricht dem Stand der Technik mit einem Sinterintervall <20K.
Ausführungsbeispiel 2:
Zusammensetzung
(K0,44Na0,52Lio,04)0,998 (Mno,005[Tao,loSbo,06Nbo,84]o,995)03
+ 0,1 Gew.-% Pb +0,09 Gew.-% Nb, zugesetzt als Oxidmischung. Diese erfindungsgemäße Zusammensetzung weist eine Verbreiterung des Sinterintervalls auf 30K auf.
Ausführungsbeispiel 3:
Zusammensetzung
(K0,44Na0,52Lio,04)0,998 (Mno,005[Tao,loSbo,06Nbo,84]o,995)03
+ 0,2 Gew.-% Pb +0,179 Gew.-% Nb,
zugesetzt als Oxidmischung. Diese erfindungsgemäße Zusammensetzung weist eine Verbreiterung des Sinterintervalls auf 30K auf.
Ausführungsbeispiel 4:
Zusammensetzung
(K0,44Na0,52Lio,04)0,998 (Mno,005[Tao,loSbo,06Nbo,84]o,995)03
+ 0,1 Gew.-% Pb +0,09 Gew.-% Nb,
zugesetzt als vorgebildetes Kalzinat. Diese erfindungsgemäße Zusammensetzung weist eine Verbreiterung des Sinterintervalls auf 30K auf.
Ausführungsbeispiel 5:
Zusammensetzung
(K0,44Na0,52Lio,04)0,998 (Mno,005[Tao,loSbo,06Nbo,84]o,995)03
+ 0,2 Gew.-% Pb +0,179 Gew.-% Nb,
zugesetzt als vorgebildetes Kalzinat. Diese erfindungsgemäße Zusammensetzung weist eine Verbreiterung des Sinterintervalls auf 30K auf.
Ausführungsbeispiel 6:
Zusammensetzung
Figure imgf000013_0001
(M no,005[Tao,loSbo,06Nbo,84]o,995 )03
+ 0,1 Gew.-% Pb +0,022 Gew.-% Nb +0,013 Gew.-% Mn, zugesetzt als Oxidmischung. Diese Zusammensetzung weist keine Verbreiterung des Sinterintervalls auf.
Ausführungsbeispiel 7:
Zusammensetzung
(K0,44Na0,52Lio,04)0,998 (Mno,005[Tao,loSbo,06Nbo,84]o,995)03
+ 0,1 Gew.-% Pb +0,03 Gew.-% Nb +0,009 Gew.-% Mn,
zugesetzt als Oxidmischung. Diese Zusammensetzung weist eine
Verbreiterung des Sinterintervalls auf 40K auf.
Ausführungsbeispiel 8:
Zusammensetzung
(K0,44Na0,52Lio,04)0,998 (Mno,005[Tao,loSbo,06Nbo,84]o,995)03
+ 0,1 Gew.-% Pb +0,09 Gew.-% Nb,
zugesetzt als vorgebildetes Kalzinat. Diese erfindungsgemäße Zusammensetzung weist eine Verbreiterung des Sinterintervalls auf 40K auf. In diesem Ausführungsbeispiel erfolgte durchgängig eine großtechnische Prozessierung des Materials und der Zusatz von Pb und Nb bei der Sprühgranulierung.
Überraschenderweise bleibt der hohe Isolationswiderstand bei erfindungsgemäßer Modifizierung der Zusammensetzung
(Ko,44Na0,52Lio,04)0,998 (Mno,005[Tao,loSbo,06Nbo,84]o,995)03
durch Pb und Nb und optional Mn erhalten. Zusatz T .
Tsint ATsint £ 33/£o tanö Pis Pis s3 1 bei Emax S3,max T(S3,max) s3
Nr. Gew.% Gew.% °c K 103 Om Om io3 A kV/mm io3 °c io3
Pb Nb RT RT RT 150°C RT RT 150°C
1 0 0,000 1090 1210 41,9 2,8E+09 7,2E+07 0,30 2,3E-06 1,4
1 0 0,000 1100 1340 40,4 l,6E+09 5,6E+07 0,47 2,4E-06 2,0
1 0 0,000 1110 1300 19,6 3,5E+10 2,6E+08 0,78 l,7E-06 2,0 0,86 50 0,49
1 0 0,000 1130 20 1170 26,3 2,8E+09 2,0E+08 0,74 2, IE- 06 2,0
1 0 0,000 1140 980 57,7 4,6E+09 3,3E+08 0,60 2,0E-06 1,5
2 0,1 0,090 M 1100 1390 77, 1 0,34 2,5E-06 1,5
2 0,1 0,090 M 1110 1330 24, 1 9,9E+09 l,3E+08 0,74 l,6E-06 2,0
2 0,1 0,090 M 1130 1270 36,2 0,72 l,6E-06 2,0
2 0,1 0,090 M 1140 30 1180 46,2 4,0E+09 7,8E+07 0,67 2,9E-06 2,0
2 0,1 0,090 M 1150 1220 206,2
3 0,2 0,179 M 1100 1420 57,4 0,53 2,5E-06 2,0
3 0,2 0,179 M 1110 1620 20, 1 0,75 l,8E-06 2,0
3 0,2 0,179 M 1130 1350 24,8 2,3E+10 2,3E+08 0,75 l,6E-06 2,0 0,83 50 0,48
3 0,2 0,179 M 1140 30 1350 32,3 0,74 l,5E-06 2,0
3 0,2 0,179 M 1150 1220 61,6 0,46 6,5E-05 1,5
4 0,1 0,090 K 1100 1380 75,9 0,39 2,7E-06 1,5
4 0,1 0,090 K 1110 1420 24,0 0,76 l,7E-06 2,0
4 0,1 0,090 K 1130 1350 24,7 1,9E+10 l,5E+08 0,76 l,6E-06 2,0
4 0,1 0,090 K 1140 30 1240 42,7 0,66 2,0E-05 2,0
4 0,1 0,090 K 1150 1290 186,1
5 0,2 0,179 K 1100 1420 55, 1 0,55 2,6E-06 2,0
5 0,2 0,179 K 1110 1450 19,5 0,79 l,7E-06 2,0
5 0,2 0,179 K 1130 1300 35,5 2,0E+10 l,6E+08 0,69 l,7E-06 2,0 0,81 50 0,49
5 0,2 0,179 K 1140 30 1410 31,2 0,72 l,5E-06 2,0
5 0,2 0,179 K 1150 1190 64,6 0,45 4,6E-05 1,5
6 0,1 0,022 M 1090 1480 31,9 l,7E+09 5,7E+07 0,57 l,9E-06 2,0
6 0,1 0,022 M 1110 1420 22,4 2, 1E+10 2,0E+08 0,74 l,5E-06 2,0 0,82 50 0,50
6 0,1 0,022 M 1130 20 1310 25,6 5,6E+09 6,4E+07 0,72 2, IE- 06 2,0
6 0,1 0,022 M 1140 1080 143,0 8,2E+08 5,8E+06
7 0,1 0,030 M 1090 1440 32,5 0,61 2,0E-06 2,0
7 0,1 0,030 M 1100 1580 27,4 5,8E+09 l,5E+08 0,82 2,0E-06 2,0
7 0,1 0,030 M 1110 1570 22,0 3,7E+10 l,9E+08 0,73 l,7E-06 2,0 0,75 60 0,50
7 0,1 0,030 M 1130 40 1340 21,5 1, 1E+10 l,2E+08 0,73 l,9E-06 2,0
7 0,1 0,030 M 1140 1040 138,0 6,9E+08 7,3E+06
8 0,1 0,090 K 1070 1090 29,5 6,3E+08 l,7E+08 0,52 l,6E-06 2,0 0,62 60 0,41
8 0,1 0,090 K 1080 1160 30,3 2,3E+09 l,3E+08 0,62 l,0E-06 2,0 0,64 40 0,49
8 0,1 0,090 K 1090 1120 29,3 3,2E+09 l,8E+08 0,65 1, 1Ε-06 2,0 0,69 50 0,49
8 0,1 0,090 K 1100 1070 30, 1 2,7E+09 2,8E+08 0,61 l,2E-06 2,0 0,82 50 0,50
8 0,1 0,090 K 1110 1010 26,9 2,7E+09 l,0E+09 0,62 l,2E-06 2,0 0,78 60 0,48
8 0,1 0,090 K 1120 40 990 29,4 8,7E+08 4,7E+08 0,65 1, 1Ε-06 2,0 0,87 60 0,48
Tabelle 2

Claims

Patentansprüche
1. Piezokeramischer Werkstoff mit reduziertem Bleigehalt auf Kalium- Natrium-Niobat (KNN)-Basis der Grundzusammensetzung
(KxNayLi1-x-y)a (MnuTavSbwNbi-u-v-w)03 mit
0<x<l y; 0<y<l; 0<u<0,01; 0<v<0,3; 0< w<0,2 und
0,95<a<l,05; x+y < 1; g e ke n n ze i c h n et d u rc h
die Zugabe einer Mischung von Pb, Nb und optional Ag gemäß k Gew.-% Pb + I Gew.-% Nb + m Gew.-% Ag
mit
0<k<0,5; 0 < I < 1 ; 0< m<l.
2. Piezokeramischer Werkstoff gemäß Anspruch 1, d a d u r c h g e ke n n ze i c h n et , dass 0,001<k<0,2 ist.
3. Piezokeramischer Werkstoff gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h g e ke n n ze i c h n et, dass 0 < I < 0, 179 ist.
4. Piezokeramischer Werkstoff nach mindestens einem der
vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e ke n n ze i c h n et , dass 0,001<k<0,2 ist und 0<l<0,179 ist.
5. Piezokeramischer Werkstoff nach mindestens einem der
vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e ke n n ze i c h n et , dass 0,001<k<0,l ist.
6. Piezokeramischer Werkstoff nach mindestens einem der
vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e ke n n ze i c h n et , dass 0,022<l<0,09 ist.
7. Piezokeramischer Werkstoff nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass 0,001<k<0,l ist und 0,022<l<0,09 ist.
8. Piezokeramischer Werkstoff nach mindestens einem der
vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Verhältnis von k:l im Bereich von 1:0,9 bis 1:0,3 liegt.
9. Piezokeramischer Werkstoff nach mindestens einem der
vorhergehenden Ansprüche, g e ke n n z e i c h n et d u r c h die Zugabe einer Mischung von k Gew.-% Pb, I Gew.-% Nb und n Gew.-% Mn, wobei das Verhältnis n:l im Bereich von 0,05 bis 0,15:0,30 liegt.
10. Piezokeramischer Werkstoff gemäß Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n et , dass das Verhältnis k : n : I bei 1:0,09:0,30 liegt.
11. Piezokeramischer Werkstoff nach mindestens einem der
vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Piezokeramische Werkstoff ein Sinterintervall im Bereich von >20 K, insbesondere im Bereich von 30 K bis 40 K aufweist.
12. Verfahren zur Herstellung eines piezokeramischen Werkstoffs mit reduziertem Bleigehalt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n et d u r c h folgende Schritte:
- Herstellung einer Rohstoffmischung der Grundzusammensetzung
- Herstellung eines Kalzinats der Grundzusammensetzung
- Feinmahlung des Kalzinats
- Herstellung eines Granulats insbesondere durch Sprühgranulierung oder Herstellung eines Gießschiickers für den Multilayer- oder "Co-firing"- Prozess
- Weiterverarbeitung in bekannter Weise einschließlich Sinterung in normaler Atmosphäre.
13. Piezokeramischer Multilayeraktor auf Basis eines piezokeramischen Werkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
14. Verwendung einer Mischung von Pb, Nb und optional Ag in einem piezokeramischen Werkstoff auf Kalium-Natrium-Niobat (KNN)-Basis der Grund zusammen setzung
(KxNayLi1-x-y)a (MnuTavSbwNbi-u-v-w)03 mit
0<x<l y; 0<y<l; 0<u<0,01; 0<v<0,3; 0< w<0,2 und
0,95<a<l,05; x+y < 1; zur Erhöhung des Sinterintervalls des piezokeramischen Werkstoffs, wobei die Zugabe einer Mischung von Pb und Nb so erfolgt, dass der Gehalt von durch die Zugabe zugesetztem Pb, Nb und Ag in Gew.-% bezogen auf den gesamten piezokeramischen Werkstoff wie folgt ist: k Gew.-% Pb + I Gew.-% Nb + m Gew.-% Ag
mit
0<k<0,5; 0 < I < 1 ; 0< m<l.
15. Verwendung nach Anspruch 14, d a d u rc h g e ke n n ze i c h n et, dass 0,001<k<0,2 ist und 0<l<0,179 ist.
16. Verwendung nach Anspruch 14 oder 15, d a d u rc h g e ke n n ze i c h n e t, dass 0,001<k<0,l ist und 0,022<l<0,09 ist.
17. Verwendung nach Anspruch 15 oder 16, d a d u rc h g e ke n n ze i c h n et, dass das Verhältnis von k:l im Bereich von 1:0,9 bis 1:0,3 liegt.
18. Verwendung nach Anspruch 16 oder 17, g e ke n n ze i c h n et d u r c h die Zugabe einer Mischung von k Gew.-% Pb, I Gew.-% Nb und n Gew.-% Mn, wobei das Verhältnis n:l im Bereich von 0,05 bis 0,15:0,30 liegt.
19. Verwendung nach Anspruch 18, d a d u r c h g e ke n n z e i c h n et, dass das das Verhältnis k: n : I bei 1:0,09:0,30 liegt.
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