Способ изготовления сегнетопьезокерамики на основе метаниобата лития
Исследование сегнетопьезокерамики метаниобата лития, полученной твердофазным синтезом с последующим спеканием по обычной керамической технологии. Рассмотрена перспективность данного метода. Сравнение с данными, известными для горячепрессованных образцов.
Рубрика | Физика и энергетика |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 27.07.2017 |
Размер файла | 23,7 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЕГНЕТОПЬЕЗОКЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ МЕТАНИОБАТА ЛИТИЯ
Л.А. Резниченко, И.А. Вербенко,
И.Н. Андрюшина, В.А. Чернышков, К.П. Андрюшин
Южный федеральный университет, Ростов - на - Дону
Аннотация: В работе изложены результаты исследования сегнетопьезокерамики метаниобата лития (МНЛ), полученной твердофазным синтезом (ТФС), с последующим спеканием по обычной керамической технологии (ОКТ), в сравнении с данными, известными для горячепрессованных образцов. Показана перспективность метода ТФС+ОКТ, а также модифицирования МНЛ различными оксидами.
Ключевые слова: сегнетопьезокерамика, метаниобат лития, твердофазный синтез, обычная керамическая технология, электрофизические свойства, высокотемпературная техника.
сегнетопьезокерамика метаниобат литий спекание
Ввиду того, что соединения свинца обладают значительной токсичностью, в последние годы ведутся интенсивные работы по поиску альтернативных материалов, инициированные, в огромной степени, вступлением в силу нового Положения о защите окружающей среды, принятого Евросоюзом [1]. Настоящий закон ограничивает использование свинца, кадмия, ртути, гексавалентного хлора и двубромзамещённых свободных радикалов. Особо оговорено исключение соединений свинца из состава специальной электротехнической керамики (пьезокерамики). Подобные ограничения в ближайшее время будут введены в США и Японии [2-4]. В связи с этим возникает острая необходимость перехода на использование несвинецсодержащих экологически чистых пьезокерамик, композитов [5], наноструктур [6].
Наибольший интерес вызывают материалы ПКР-35 и ПКР-61 [7], обладающие свойственными для всех ниобатов щелочных металлов низкими плотностью, диэлектрической проницаемостью, высокой скоростью звука и широким спектром механической добротности, что делает их незаменимыми в СВЧ-технике. При этом, первый обладает высокой механической добротностью при достаточных пьезоэлектрических параметрах. Второй имеет экстремально высокую рабочую температуру (Траб. 950оС) и выраженную анизотропию свойств, что позволяет использовать его и в дефектоскопии. Но, несмотря на свою уникальность, описанные материалы не нашли широкого применения. Это обусловлено дорогостоящим методом их получения (горячее прессование, ГП, использующее технологическую оснастку высокой стоимости, изготавливаемую, к тому же, за рубежом) [8]. В связи с этим, целью настоящего исследования явилась разработка технологии изготовления данных материалов без применения ГП.
В работе изложены результаты исследования пьезокерамики на основе метаниобата лития (ПКР-61), содержащей Li2O, Nb2O5 и CaO при следующем соотношении компонентов, масс. % Li2O 10,03-10,10; Nb2O5 89,22-89,87; CaO 0,03-0,75.
Термогравиметрически и рентгенографически исследовано взаимодействие карбоната лития и пятиокиси ниобия, смешанных в различных диспергирующих средах: воде (1), этиловом спирте (2), ацетоне (3), воздухе (4), изучена кинетика спекания шихт с различной химической предысторией. Установлено влияние диспергирующей среды на протекание реакции образования МНЛ: в шихтах (2,4) взаимодействие Li2CO3 и Nb2O5 происходит в одну стадию, в достаточно узком интервале температур, при переходе к (I) и (3) процесс становится многостадийным с образованием промежуточного продукта Li2O3N2O5. Такое усложнение процесса образования МНЛ явилось следствием различной реакционной способности соответствующих шихт за счёт взаимодействия карбоната лития с жидкой средой, вызывающей появление гидратов и сольватов лития [9]. Это же сказалось и на кинетике уплотнения: установлено уменьшение скорости уплотнения в ряду шихт 3>4>2>1. Наиболее эффективным оказалось смешение компонентов в спирте и в воздушной средах, обеспечивающих достаточно высокую скорость их спекания, формирование на их основе высокоплотной керамики с наиболее совершенной кристаллической структурой и равновесной микроструктурой.
Далее, используя вышеприведенные результаты, материал был получен твердофазным одностадийным синтезом (ТФС) при Тсинт.1=820оС, ф=5ч. с последующим спеканием по обычной керамической технологии (ОКТ) (без приложения давления) при температуре Тсп.=1150оС, ф=2ч. После мехобработки образцы подвергались поляризации («масляная» поляризация).
Ниже приведены параметры полученных образцов в сравнении с горячепрессованными, изготовленными под давлением 600 кг/см2: ТФС+ГП - е33Т/е0=48; Кр=0,015; Кt=0,29; Кt/Кр=19,33; d33=12 пКл/Н; |d31|=0.51 пКл/Н; d33/|d31|= 23,53; Qm<100; ТФС+ОКТ - е33Т/е0=45; Кр=0,068; Кt=0,31; Кt/Кр=4,56; d33=9 пКл/Н; |d31|=1.5 пКл/Н; d33/|d31|= 6; Qm=20. (еij/е0-относительные диэлектрические проницаемости, Кij-коэффициенты электромеханической связи, dij-пьезомодули, Qm-механическая добротность).
Кроме того, проведено исследование влияния гетеровалентного модифицирования на структуру, микроструктуру и диэлектрические свойства керамики МНЛ. Выбраны следующие группы модификаторов (М):
1. Двухвалентные Ca(0,02ч2,0) ат.%, Zn, Mg - (0,5ч5,0) ат.%,
2. Трехвалентные La(0,2ч2,0) ат.%, Sc, Fe, Cr, Al- (0,5ч5,0) ат.%,
3. Четырёхвалентные Zr, Sr, Ti - (0,5ч2,0) ат.%,
4. Шестивалентные U -(0,2ч2,0) ат.%, W-(0,5ч5,0) ат.%.
Модифицирующие элементы вводились в виде оксидов сверх стехиометрического состава.
По характеру воздействия на электрофизические свойства выделено 3 группы М: доноры - La, Ca, Zn, Mg - увеличивающие сv и е33Т/е0, уменьшающие tgд (при этом степень увеличение сv убывает в последовательности La>Ca>Mg>Zn); акцепторы - Sc, Fe, Cr, U - уменьшающие сv, увеличивающие tgд и е33Т/е0 (при этом усиление акцепторных свойств происходит при переходе от Sc (Fe) к Cr, т.е. при уменьшении поляризуемости). Характер изменения параметров при введении указанных М подтверждает с - тип проводимости в МНЛ. В третью группу входят, Zr, Sn, Ti, Al, W, приводящие к сложному поведению сv за счёт изменения валентности М (W6+>4+), их ограниченной растворимости (Ti, Zr), особенностей микроструктуры (Zr, Ti, Sn,W).
В модифицированной керамике МНЛ выделено 4 области (I-IV) температур с энергиями проводимости I-w1=0,65эВ при 400 К<Т<560 К; II-w2=0,92эВ при 560 К<Т<680 К; III- w3=0,96эВ при 680 К<Т<860 К; IV- w4=0,79эВ при 860 К<Т<1110 К, различающиеся типами электропроводности: I- обусловлена атомными дефектами (вакансиями Li и О), II- примесная ионная за счёт М-ионов; III- примесная ионная за счёт примесей в сырье; IV- обусловлена электронными дефектами возникающими дополнительно в решётке при введении гетеровалентных М. Установлен немонотонный характер wi и температур изломов Ti (на кривых lgд=f(1/T)) от содержания М. По-видимому, это объясняется тем, что атомный механизм компенсации оказывается доминирующим лишь, начиная с некоторой концентрации М, а до этой концентрации имеет место электронная компенсация.
Как видно из приведенных данных, материал на основе пьезокерамики метаниобата лития (ПКР 61), полученный по ТФС+ОКТ, приближается по параметрам к ГП образцам и может быть использован в электротехнических устройствах, находящихся под воздействием ультравысоких температур [10].
Показана также эффективность гетеровалентного модифицирования как метода направленного изменения свойств МНЛ.
Работа выполнена при финансовой поддержке МОН РФ (базовая и проектная части гос. задания, темы №№1927 (213.01-11/2014-21), 213.01-2014/012-ВГ и 3.1246.2014/К; ФЦП (Соглашение N 14.575.21.0007).
Литература
1. Directive 2002/95/EC of the European Parliament and of the Council of 27 January 2003 on the restriction of the use of certain hazardous substances in electronic equipment. // Official Journal of the European Union. 2003. № 37. P. 19 - 23.
2. Резниченко Л.А., Вербенко И.А. Развитие бессвинцового сегнетопьезоматериаловедения на рубеже тысячелетий // Сб-к трудов Первого Международного междисциплинарного симпозиума «Бессвинцовая сегнетопьезокерамика и родственные материалы: получение, свойства, применения (ретроспектива- современность- прогнозы)» («LFFC-2012»). 3-7 сентября 2012, г. Ростов-на-Дону - п. Лоо. 2012. г. Ростов-на-Дону: Изд-во ЮФУ. С. 9-19.
3. Вербенко И.А., Резниченко Л.А. Бессвинцовая сегнетоэлектрическая керамика на основе ниобатов щелочных металлов: история, технология, перспективы// Сб-к трудов Второго Международного молодежного симпозиума «Физика бессвинцовых пьезоактивных и родственных материалов. Анализ современного состояния и перспективы развития» («LFPM-2013»). 2-6 сентября 2013, г. Ростов-на-Дону - г. Туапсе. 2013. г. Ростов-на-Дону: Изд-во ЮФУ. Т.1. С.52-64.
4. Вербенко И.А. Бессвинцовая керамика. Развитие направления в 2013-2014 годах // Сб-к трудов Третьего Международного молодежного симпозиума «Физика бессвинцовых пьезоактивных и родственных материалов. Анализ современного состояния и перспективы развития» («LFPM-2014»). 2-6 сентября 2014, г. Ростов-на-Дону - г. Туапсе. 2014. г. Ростов-на-Дону: Изд-во ЮФУ. Т. 1. С. 1-12.
5. Кабиров Ю.В., Гавриляченко В.Г., Богатин А.С., Чупахина Т.И., Русакова Е.Б., Чебанова Е.В. Стеклокомпозиты на основе магнитного полупроводника La0.67Sr0.33MnO3 как функциональные материалы // Инженерный вестник Дона, 2014, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N4y2014/2605.
6. Фиговский О. Новейшие нанотехнологии // Инженерный вестник Дона, 2012, №1 URL: ivdon.ru/ magazine/archive/nly2012/725.
7. Данцигер А.Я., Разумовская О.Н., Резниченко Л.А., Сахненко В.П., Клевцов А.Н., Дудкина С.И., Шилкина Л.А., Дергунова Н.В., Рыбянец А.Н. Многокомпонентные системы сегнетоэлектрических сложных оксидов: физика, кристаллохимия, технология. Аспекты дизайна сегнетопьезоэлектрических материалов // Ростов-на-Дону: Изд-во РГУ.: 2001. Т.1. -408с. Т.2. -365с.
8. Haertling G. H. Properties of Hot-Pressing Ferroelectric Alkali Niobate Ceramics // J. Am. Ceram. Soc. 1967. V.50. №6. P 329-330.
9. Резниченко Л.А., Разумовская О.Н., Шилкина Л.А., Алёшин В.А. Жидкая фаза в ниобатах щелочных металлов //Сб-к Матер. 7-го Международного семинара по физике сегнетоэлектриков-полупроводников. 24-27 сентября 1996.г. Ростов-на-Дону: Изд-во МП «Книга». В. 6. С. 149-151.
10. Трубников А.И., Чернышков В.А., Резниченко Л.А. Неохлаждаемые датчики давления газов на основе ниобатной пьезокерамики для работы при температурах до 900 оС // Измерительная техника. 1993. №2. С.44-45.
References
1. Official Journal of the European Union. 2003. № 37. pp. 19 - 23.
2. Reznitchenko L.A., Verbenko I.A. Sb-k trudov «LFFC-2012». pp.9-19.
3. Verbenko I.A., Reznitchenko L.A. Sb-k trudov «LFPM-2013». V. 1. pp.52-64.
4. Verbenko I.A. Sb-k trudov «LFPM-2014». V. 1. pp.1-12.
5. Kabirov Yu.V., Gavrilyachenko V.G., Bogatin А.S., Chupakhina Т.I., Rusakova Е.B., Chebanova Е.V. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2014, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N4y2014/2605.
6. Figovskii О. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), №1 URL: ivdon.ru/ magazine/archive/nly2012/725.
7. Dantsiger A.Ya., Razumovskaya O.N., Reznitchenko L.A., Sakhnenko V.P., Klevtsov A.N., Dudkina S.I., Shilkina L.A., Dergunova N.V., Rybjanets A.N. Rostov-na-Donu: Izd-vo RGU.: 2001. V.1. V.2. 365p.
8. Haertling G. H. J. Am. Ceram. Soc. 1967. V.50. №6. Pp.329-330.
9. Reznitchenko L.A., Razumovskaya O.N., Shilkina L.A., Alyoshin V.A. Sb-k Mater. 7-go Mezhdunarodnogo seminara po fizike segnetoelectrikov-poluprovodnikov. pp. 149-151.
10. Trubnikov А.I., Chernishkov V.A., Reznitchenko L.A. Izmeritelnaya texnika. 1993. №2. PP.44-45.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Схема эксперимента для исследования динамики формирования поля пространственного заряда пропускающих голограмм в кристалле ниобата лития. Динамика мощностей прошедшего и дифрагированного пучков, считывающих голограмму, формируемую записывающими пучками.
отчет по практике [352,1 K], добавлен 20.12.2015Измерение интенсивности излучения ниобата лития по времени при различных температурах. Основные функции и возможности прибора для нагревания кристаллов, собранного на базе ПИД-регулятора ОВЕН ТРМ101, настройка прибора, инструкция по пользованию им.
дипломная работа [2,4 M], добавлен 31.05.2014Свойства нанокристаллических порошковых материалов на основе тугоплавких соединений. Высокоэнергетические методы консолидации порошковых наноматериалов. Получение спеканием и свойства плотных образцов карбонитрида титана c нанокристаллической структурой.
реферат [5,2 M], добавлен 26.06.2010Структура одностенных углеродных нанотрубок. Изучение и анализ литературы, связанной с синтезом УНТ. Приготовление подложек, содержащих на своей поверхности катализатор роста. Исследование получаемых образцов. Заключение по аспектам синтеза трубок.
курсовая работа [4,2 M], добавлен 28.03.2012Объяснение перехода теплоты от одного тела к другому на основе калориметрических опытов, произведенных русским ученым М.В. Ломоносовым. Определение теплоемкости металлов (алюминия и железа) при комнатной температуре, сравнение с теоретическими данными.
презентация [1,6 M], добавлен 19.12.2013Способ изготовления таблеток ядерного топлива с выгорающим поглотителем. Ядерное уран-гадолиниевое топливо высокого выгорания на основе диоксида урана и способ его получения. Способ нанесения покрытия из выгорающего поглотителя нейтронов на основу.
курсовая работа [26,6 K], добавлен 28.11.2013Способы выращивания монокристаллов: спонтанная кристаллизация, гидротермальное выращивание, твердофазная рекристаллизация, зонная плавка, лазерный разогрев. Экспериментальное определение однородности вхождения оптических центров в кристалловолокне.
курсовая работа [3,1 M], добавлен 18.07.2014Основные оптические эффекты, приводящие к волноводному распространению электромагнитной волны. Самовоздействие световых пучков в фоторефрактивной среде. Кристаллохимическое описание стекол. Связь градиента концентрации ионов лития показателем преломления.
дипломная работа [1,6 M], добавлен 21.01.2016Общие характеристики перезаряжаемых источников электрического тока. Конденсаторы с двойным электрическим слоем. Конструкция экспериментальных образцов ионисторов, технология их изготовления. Сравнительная характеристика экспериментальных образцов.
дипломная работа [1,7 M], добавлен 21.06.2012Описание технологии изготовления учебного макета проводки с учетом планировки квартиры. Изучение аналогов. Требования к конструкции. Выбор материала и технологии изготовления схемы проводки. Поэтапное планирование изготовления макета, его характеристики.
творческая работа [518,0 K], добавлен 02.12.2016