ГОСТ Р 8.937-2017. Национальный стандарт Российской Федерации. Государственная система обеспечения единства измерений. Национальный стандарт. Стандартные справочные данные. Сегнетопьезоэлектрические керамические материалы на основе ниобатов натрия и калия. Диэлектрические и пьезоэлектрические характеристики при температурах от 0 °C до 100 °C
(утв. и введен в действие Приказом Росстандарта от 22.12.2017 № 2074-ст)
Примечание
Документ введен в действие с 1 марта 2018 года.
Утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 22 декабря 2017 г. № 2074-ст
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ. СТАНДАРТНЫЕ СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ
СЕГНЕТОПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ НИОБАТОВ НАТРИЯ И КАЛИЯ. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИ ТЕМПЕРАТУРАХ ОТ 0 °C ДО 100 °C
State system for ensuring the uniformity of measurements. National standard. Standard reference data. Segnetoelectric ceramic materials based on niobates of sodium and potassium. Dielectric and piezoelectric characteristics at temperatures from 0 °C to 100 °C
Дата введения 1 марта 2018 года
Предисловие
1 РАЗРАБОТАН Главным научным метрологическим центром «Стандартные справочные данные о физических константах и свойствах веществ и материалов» (ГНМЦ «ССД»), Научно-исследовательским институтом физики Южного Федерального университета (НИИ физики ЮФУ)
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 180 «Стандартные справочные данные о физических константах и свойствах веществ и материалов»
3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 22 декабря 2017 г. № 2074-ст
Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. № 162-ФЗ «О стандартизации в Российской Федерации». Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе «Национальные стандарты», а официальный текст изменений и поправок — в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)
1 Область применения
Настоящий стандарт распространяется на стандартные справочные данные (ССД) о диэлектрических и пьезоэлектрических характеристиках сегнетопьезоэлектрических керамических материалов на основе ниобатов натрия и калия при температурах от 0 °C до 100 °C, которые могут быть использованы в ультразвуковых преобразователях, работающих в режиме приема в широком диапазоне температур.
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использована нормативная ссылка на следующий стандарт:
ГОСТ Р 54500.3/Руководство ИСО/МЭК 98-3:2008 Неопределенность измерения. Часть 3. Руководство по выражению неопределенности измерения
Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю «Национальные стандарты», который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты» за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.
3 Общие положения
3.1 Основой для составления таблиц явились данные, приведенные в таблицах А.1, А.2 приложения А.
Табличные данные рассчитаны согласно [1] с применением методик [2] и [3], отображают значения характеристик пьезокерамических материалов состава Li_{a}K_{b}Na_{c}Nb_{d}Ta_{m}Sb_{n}O_{3} + z[Bi_{2}O_{3} - Fe_{2}O_{3}] при температуре 25 °C, приведенных в 3.1.1 - 3.1.7.
3.1.1 Относительная диэлектрическая проницаемость \epsilon/\epsilon_{0} — отношение индуцированного в электрическом поле заряда на обкладках конденсатора, заполненного диэлектриком, к заряду, индуцированному в том же поле на обкладках того же конденсатора с вакуумным промежутком. \epsilon/\epsilon_{0} рассчитывают по формуле
\epsilon/\epsilon_{0} = 14,4 \cdot C_{0} \cdot d/t, (1)
3.1.2 Относительная диэлектрическая проницаемость, \epsilon_{33}^{T}/\epsilon_{0} , поляризованного образца в форме диска в направлении, параллельном его оси поляризации, в условиях постоянного давления.
3.1.3 Тангенс угла диэлектрических потерь (tg\delta) — тангенс угла между векторами плотностей переменного тока проводимости и тока смещения диэлектрика на комплексной плоскости.
3.1.4 Коэффициент электромеханической связи планарной моды колебаний (Kp) — показатель эффективности преобразования электрической энергии в механическую энергию или преобразования механической в электрическую. Kp рассчитывают по формуле
K_{p} = \sqrt{\frac{\eta^{2} - 1 + \sigma^{2}}{2 \cdot (1 + \sigma)} \cdot (1 - \frac{f_{r1}^{2}}{f_{a1}^{2}})} , (2)
где \eta — наименьший положительный корень частотного уравнения Бесселя, выбирающийся в соответствии с таблицей 9 [1];
\sigma — планарный коэффициент Пуассона (см. [1]);
fr1, fa1 — частоты резонанса и антирезонанса для первой гармоники, Гц.
3.1.5 Пьезоэлектрический модуль (dij, пКл/Н) — наведенная поляризация в направлении i на единицу механического давления, приложенного в направлении j, или величина деформации в направлении i на единицу напряженности электрического поля, приложенного в направлении j; направление 3 — параллельно оси поляризации, 1 — перпендикулярно оси поляризации. |d31| рассчитывают по формуле
|d_{31}| = \frac{0,188 \cdot K_{p} \cdot 10^{- 5}}{rf_{r1}} \cdot \sqrt{\frac{\epsilon_{33}^{T}/\epsilon_{0}}{\rho}} , (3)
\rho — измеренная плотность образца, определяемая методом гидростатического взвешивания в октане, г/м3.
3.1.6 Механическая добротность планарной моды колебаний (Qm) — отношение реактивного сопротивления к сопротивлению последовательной электрической цепи, эквивалентной пьезокерамическому элементу. Qm рассчитывают по формуле
Q_{m} = \frac{f_{a1}^{2} \cdot 10^{12}}{2\pi r \cdot R \cdot f_{r1} \cdot (f_{a1}^{2} - f_{r1}^{2})} , (4)
где R — сопротивление образца, измеренное на частоте резонанса первой гармоники, Ом.
3.1.7 Коэффициент температурной стабильности:
(5)3.2 Стандартные справочные данные о диэлектрических и пьезоэлектрических характеристиках сегнетопьезокерамических материалов приведены в таблице 1.
Стандартные справочные данные о диэлектрических и пьезоэлектрических характеристиках сегнетопьезокерамических материалов состава LiaKbNacNbdTamSbnO3 + zNiO + z/2B2O3 при температурах от 0 °C до 100 °C
3.3 В НИИ физики ЮФУ были проведены обширные исследования свойств керамик на основе ниобата натрия, калия и лития в соответствии с [1] с использованием аттестованных методик [2] и [3]. Для разработки ССД были отобраны результаты исследований характеристик пяти керамических образцов каждого из исследуемых составов, полученных с использованием одинаковых регламентов синтеза и спекания (температура T, время \tau ) (таблица А.2).
Концентрации компонентов, регламенты синтеза и спекания исследуемых керамик
ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕГНЕТОПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КЕРАМИК
А.1 В настоящее время сегнетопьезоэлектрические материалы находят широкое применение в датчиковой аппаратуре различного назначения (датчики движения, давления, вибрации, скорости и пр.), микроэлектромеханических системах и устройствах СВЧ-техники. Однако в последние годы был принят ряд мер, направленных на защиту окружающей среды, приведших к тому, что в современном материаловедении стало уделяться большое внимание разработке нетоксичных пьезоэлектрических материалов, которые могут использоваться (в том числе и заменить используемые Pb-содержащие материалы на основе титаната свинца и цирконата-титаната свинца) в различных сферах современной техники. Одной из наиболее перспективных основ для создания подобных структур являются материалы на основе ниобата натрия, калия и лития.
Представленные таблицы являются обобщением работ, проводимых в отделе интеллектуальных материалов и нанотехнологии Научно-исследовательского института физики Южного федерального университета, по созданию и подготовке справочных данных диэлектрических и пьезоэлектрических характеристик новых бессвинцовых керамических материалов, которые могут быть использованы в различных отраслях современной техники.
А.2 Экспериментальные результаты. Обсуждение
По данным рентгенофазового анализа установлено, что получены беспримесные двухфазные керамические образцы NKLTSB-1, NKLTSB-2 и NKLTSB-3, которым свойственны достаточно высокие значения \rho_{\text{отн}} (90 — 94%), что приемлемо для материалов, полученных по обычной керамической технологии [4]. Результаты измерения диэлектрических, пьезоэлектрических и упругих характеристик исследуемых составов NKLTSB-1, NKLTSB-2 и NKLTSB-3 в интервале температур от 0 °C до 100 °C приведены в таблицах А.1 - А.3.
Характеристики керамики NKLTSB-1
Характеристики керамики NKLTSB-2
Характеристики керамики NKLTSB-3
Средние значения относительной диэлектрической проницаемости, \epsilon_{33}^{T}/\epsilon_{0} (~ 1200), достаточно высокие значения пьезомодуля, |d31| (~ 60 пКл/Н), коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний, Kp (~ 0,30), низкая механическая добротность, QM (< 100), и высокая температурная стабильность (<= 6%) данных материалов определяют их основное назначение — использование в ультразвуковых преобразователях, работающих в режиме приема в широком диапазоне температур, в частности в системах ультразвуковой дефектоскопии (теневой и импульсной), предназначенных для неразрушающего контроля и мониторинга состояния сложных металлических конструкций. Кроме того, низкая Qm способствует повышению отношения сигнал/шум и подавлению паразитных резонансов (ложных колебаний), искажающих форму рабочего сигнала и ухудшающих характеристики изготовленных из этого пьезокерамического материала устройств.
А.3 Оценка достоверности данных
Суммарные погрешности измерений диэлектрических, пьезоэлектрических и упругих характеристик исследуемых объектов представлены в таблице А.4.
Суммарные погрешности измерений электрофизических параметров
А.4 Оценка стандартного отклонения от среднего значения
В связи с тем, что все аттестуемые характеристики являются рассчитываемыми величинами (погрешности определения приведены в таблице А.4), для каждой из них была проведена оценка экспериментального стандартного отклонения от среднего значения по формулам (А.1), (А.2) по ГОСТ Р 54500.3/Руководство ИСО/МЭК 98-3:2008:
\overline{q} = \frac{1}{n} \sum_{k = 1}^{n} q_{k}, (А.1)
S(q_{k}) = \sqrt{\frac{1}{n - 1} \sum_{k = 1}^{n} (q_{k} - \overline{q})^{2}} , (A.2)
где \overline{q} — среднее арифметическое экспериментальное стандартное отклонение от среднего значения величины qk;
Экспериментальные стандартные отклонения от среднего значения электрофизических параметров приведены в таблице А.5.
Экспериментальные стандартные отклонения от среднего значения электрофизических параметров
| Параметр | NKLTSB-1 | NKLTSB-2 | NKLTSB-3 |
|---|---|---|---|
| \epsilon_{33}^{T}/\epsilon_{0} | 17,72 | 19 | 16 |
| Kp | 0,0146 | 0,0161 | 0,0156 |
| |d31|, пКл/Н | 3,16 | 3,10 | 3,9 |