способ получения пьезокерамических материалов

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ на основе цирконата-титаната свинца, включающий приготовление исходного раствора нитратных солей ингредиентов, распыление раствора в поток высокотемпературного теплоносителя и выделение синтезированного продукта из пылепарогазовой смеси, отличающийся тем, что в раствор ингредиентов на стадии его приготовления добавляют нитрат аммония до концентрации 5 30 г/л.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве высокотемпературного теплоносителя используют воздух, нагретый до состояния низкотемпературной плазмы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству пьезокерамических материалов, применяемых в радиоэлектронике, и может быть использовано при изготовлении электромеханических преобразователей и пьезотрансформаторов.

Известен способ [1] получения пьезокерамических материалов, включающий весовую дозировку исходных ингредиентов в виде оксидов и карбонатных солей, их смешивание, обезвоживание и сушку, предварительный обжиг, измельчение, смешивание со связкой с последующим гранулированием, формование изделий и их обжиг при 1380-1400^оС, обеспечивающий синтез твердого раствора непосредственно в изделиях. Этот способ в настоящее время является единственным, применяемым в России в промышленном масштабе.

Основным недостатком данного способа является сложность подготовки исходного материала к спеканию, связанная с длительными и трудоемкими операциями измельчения и смешивания порошкообразных ингредиентов керамики, не гарантирующих гомогенность смеси. Другим недостатком способа сильное влияние на процесс формирования изделий сложность температурно-временного режима, из-за чего значительно снижается вероятность образования в изделиях структуры твердого раствора типа перовскита, что приводит к резкому ухудшению их электрофизических свойств. Кроме того, высокая температура процесса спекания керамических изделий способствует испарению из них свинца, из-за чего ухудшаются условия труда и создается угроза загрязнения окружающей среды токсичным веществом.

Известен также способ [2] получения пьезокерамического материала, в котором водный раствор солевой смеси ингредиентов пьезокерамического материала подвергают распылительной сушке при 300-600^оС с последующим термическим разложением высушенной солевой смеси сначала при 700^оС, затем при 850-900^оС и помолом образовавшегося спека до тонкодисперсного порошка.

Недостатками данного способа являются длительность и многостадийность технологического процесса и возможность загрязнения получаемого продукта при его помоле.

Наиболее близким к изобретению является способ [3] получения сегнетоэлектрических материалов на основе твердых растворов цирконата-титана свинца, включающий приготовление смеси водных растворов солей исходных элементов и одновременно протекающие процессы распылительной сушки растворенных солей, их разложения до оксидной смеси и синтеза из нее целевого продукта в потоке теплоносителя с 1500-2500^оС в течение 10^-3 10^-2 с с дальнейшим охлаждением продуктов синтеза до 400-300^оС.

Недостаток прототипа ухудшенные технологические свойства получаемого порошка, обусловленные формой его частиц в виде полых расколотых сфер. Такая форма порошка образуется из-за недостаточной высокой температуры теплоносителя и отсутствия в исходном растворе вещества, разрушающего эти сферы. При изготовлении пьезокерамических изделий из такого порошка большая их часть оказывается некондиционной из-за наличия в них трещин и пор.

Задача изобретения улучшение технологических свойств пьезокерамического материала.

Для этого в известном способе получения пьезокерамических материалов, включающим приготовление исходного раствора нитратных солей ингредиентов, распыление раствора в потоке высокотемпературного теплоносителя и выделение синтезированного продукта из пылепарогазовой смеси в раствор ингредиентов, на стадии его приготовления, добавляют нитрат аммония до концентрации 5-30 г/л, а в качестве высокотемпературного теплоносителя используют воздух, нагретый до состояния низкотемпературной плазмы.

При взаимодействии распыленных микрокапель солевого раствора ингредиентов с горячим газообразным теплоносителем, как и в прототипе, из капель испаряется вода (как с их поверхности, так и с внутренних объемов). При этом получается тонкодисперсная смесь солей, каждая частица которой представляет полую сферу. При дальнейшем пребывании этих частиц в потоке теплоносителя из них выделяется газообразный кислотный оксид, разрушающий эти сферы на 2-3 части, имеющие форму полых полусфер. Нитрат аммония, способный к термическому разложению, обеспечивает газовыделение более интенсивное, чем нитраты, присутствующие в солевой смеси, благодаря чему происходит интенсивное разрушение сферических частиц с образованием частиц твердой фазы в виде слипшихся комков неправильной геометрической формы, которые при формировании изделий обеспечивают их высокие плотность и механическую прочность.

Содержание нитрата аммония в исходном растворе ниже 5 г/л не обеспечивает высокой степени разрушения частиц сферической формы из-за его недостаточности для обеспечения удовлетворительного протекания процесса разрушения крупных частиц за счет интенсивного газовыделения.

Повышение концентрации нитрата аммония выше 35% приводит к увеличению выхода частиц целевого продукта мельче 0,1 мкм, что ухудшает качество получаемых из него изделий.

Использование в качестве теплоносителя воздуха, нагретого до состояния низкотемпературной плазмы, интенсифицирует процессы испарения воды из распыленных капель раствора и разложение солей, в том числе и нитрата аммония, что приводит к более полному разрушению крупных частиц со сферической поверхностью и улучшению технологических свойств получаемого порошка.

Способ получения пьезокерамических материалов осуществляют следующим образом.

В приготовленный раствор нитратов ингредиентов пьезокерамического материала, соответствующего состава твердого раствора, полученного по прототипу, добавляют насыщенный раствор нитрата аммония до концентрации, соответствующей конкретному примеру реализации способа, и тщательно перемешивают.

Процессы получения порошкообразного пьезокерамического материала проводят в плазмохимическом реакторе, состоящем из высокочастотного индукционного плазмотрона мощностью 60 кВт, распыляющих форсунок и реакционной камеры. В плазмотроне, пропускаемый через него, воздух нагревают до состояния низкотемпературной плазмы (4000^оС и выше). В реакционной камере воздушную плазму вводят во взаимодействие с распыленным раствором, содержащим ингредиенты пьезокерамического материала. При этом в ней протекают процессы распылительной сушки раствора, разложение обезвоженной солевой смеси до оксидов и синтез из оксидов твердого раствора. Образовавшуюся в реакционной камере пылепарогазовую смесь направляют в пылеосадитель, в котором выделяют целевой продукт. Из пылеосадителя данный продукт поступает в бункер, где он накапливается и охлаждается до комнатной температуры.

Для сравнения с прототипом описанный в нем способ воспроизводят на этой же установке, но при этом в плазмообразный воздух добавляют холодный (до получения воздушного потока с 1500-2000^оС) и в этот поток вводят распыленный раствор ингредиентов пьезокерамического материала, не содержащий нитрата аммония.

Из полученных порошков прессуют под давлением 100 кг/см² 20 керамических заготовок в виде дисков диаметром 10 мм и толщиной 1 мм и спекают их при 950-1100^оС в течение 1-1,5 ч. Плоские поверхности готовых изделий шлифуют и проверяют наличие в них трещин и пор.

На плоскую поверхность отдельных, произвольно взятых изделий, не имеющих пор и трещин, наносят слой металлического серебра, после чего изделия подвергают поляризации в ванне из трансформаторного масла, нагретого до 120^оС при напряженности электрического поля 2-4 кВ/мм в течение 2 ч. Измерением электрофизических свойств установлено, что изделия изготовленные из порошка, полученного предлагаемым способом, могут быть использованы в тензодатчиках и ультразвуковых генераторах.

Примеры осуществления предлагаемого способа и воспроизведения прототипа с оценкой их качественных показателей приведены в таблице.

Из приведенных в таблице примеров видно, что выход кондиционных изделий при изготовлении их прессованием с последующей прокалкой в более мягком (по сравнению с традиционной технологией) температурно-временном режиме из пьезокерамического порошка, получаемого предлагаемым способом (примеры 4 и 5) выше, чем из порошка, получаемого способом-прототипом (пример 1). При этом на выход кондиционных изделий влияют как природа высокотемпературного теплоносителя, в котором синтезируют порошкообразный пьезокерамический материал, так и содержание в исходном растворе нитрата аммония.

Кроме отмеченных выше преимуществ, предлагаемый способ позволяет создать короткую технологическую схему производства пьезокерамических изделий на основе цирконата-титаната свинца. Благодаря этому представляется возможным снизить капитальные затраты на создание производства и уменьшить количество людей, задействованных во вредном производстве. Этот способ позволяет также существенно снизить количество отходов производства и потребность в дефицитном и дорогостоящем сырье.