ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ КОНСОЛИДИРОВАННОГО СПЕКАНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

М. А. Мараховский; А. А. Панич; Е. В. Мараховская; О. Д. Глод

М. А. Мараховский Институт высоких технологий и пьезотехники, Южный федеральный университет
А. А. Панич Институт высоких технологий и пьезотехники, Южный федеральный университет
Е. В. Мараховская Институт высоких технологий и пьезотехники, Южный федеральный университет
О. Д. Глод Институт высоких технологий и пьезотехники, Южный федеральный университет

Ключевые слова: пьезоэлектрическая керамика, консолидированное спекание, горячее прессование, искровое плазменное спекание, микроструктура, электрофизические параметры

Аннотация

В работе исследованы возможности целенаправленного изменения свойств и понижения температур спекания пьезоэлектрических материалов, используемых в многослойных преобразователях. Цель работы состояла в корректировке основных свойств пьезоэлектрической керамики на этапе ее изготовления, за счет изменения технологических режимов при неизменном химическом составе. На важнейшем технологическом этапе - спекании пьезоэлектрической керамики формируется керамический каркас, а также механические свойства – плотность, твёрдость, прочность, влияющие на электрофизические свойства. Следовательно, корректируя условия формирования микроструктуры пьезоэлектрической керамики, можно целенаправленно изменять её функциональные параметры. Консолидированное спекание пьезоэлектрической керамики методами горячего прессования и искрового плазменного спекания, предоставляет возможность эффективного управления процессом формирования микроструктуры. Задача исследования состояла в практической апробации указанных методов спекания при изготовлении пьезоэлектрических керамик различных функциональных групп и вариации их параметров. Модельными объектами исследования выступали: релаксорный пьезоэлектрический материал на основе системы цирконат-титаната свинца, сегнетомягкий материал системы PMN-PT и многокомпонентный пьезоэлектрический материал с температурой спекания менее 1000 °С. В ходе исследования установлено, что спекание пьезоэлектрической керамики методами горячего прессования и искрового плазменного спекания способствует формированию однородной бездефектной микроструктуры, обеспечивающей повышение основных механических и электрофизических свойств на 10 – 16 %. Также, указанные методы способствуют снижению температур спекания на 150 – 300 °С. Метод искрового плазменного спекания, отличающийся своим быстродействием, сокращает продолжительность изотермической выдержки в 36 раз, что положительно отражается на энергосбережении. В рамках исследования были изготовлены пакетные многослойные преобразователи с применением методов консолидированного спекания. Экспериментально установлена и подтверждена эффективность консолидированного спекания для целенаправленного изменения функциональных параметров пьезоэлектрической керамики с возможностью понижения температуры спекания.

Литература

Gao X., Yang J., Wu J., Xin X., Li Z., Yuan X., Shen X., Dong S. Adv. Mater. Technol. 2019. 1900716. DOI: 10.1002/admt. 201900716.

Wang L. Syst. Signal Proc. 2019. V. 133. 106254. DOI: 10.1016/j.ymssp.2019.106254.

Uchino K., Takahashi S. Current Opinion in Solid State and Materials Science. 1996. V. 1. N 5. P. 698705. DOI: 10.1016/S1359-0286(96)80054-4.

Wang Q., Li F. Sensors and Actuators, A: Physical. 2018. 272. P. 212216. DOI: 10.1016/j.sna.2018.01.042.

Chen J. Ceramics International. 2021. V. 47. 11.

P. 1519515201. DOI: 10.1016/j.ceramint.2021.02.081.

Gromada M., Biglar M., Trzepiecinski T., Stachowicz F. Applied Physics, System Science and Computers: Proceedings of the 1st International Conference on Applied Physics, System Science and Computers (APSAC2016), September 28-30, Dubrovnik, Croatia. – Springer International Publishing, 2018. P. 2935. DOI 10.1007/978-3-319-53934-8_4.

Smith L., Ibn‐Mohammed T., Koh L., Reaney I. M. J. Am. Ceram. Soc. 2019. V. 102. N 12. P. 70377064. DOI: 10.1111/jace.16712.

Hao J., Li W., Zhai J., Chen H. Materials Science and Engineering: R: Reports. 2019. V. 135. P. 157. DOI: 10.1016/j.mser. 2018.08.001.

Topolov V. Yu., Panich A. E. Elektromekhanicheskie svojstva segnetop'ezokeramik na osnove oksidov semejstva perovskita. Elektronnyj nauchnyj zhurnal «Issledovano v Rossii» 2008 g. Reg.N 002. P. 826.

Panich A.A., Marahovskij M.A., Motin D.V. Kristallicheskie i keramicheskie p'ezoelektriki [Elektronnyj resurs] // «Inzhenernyj vestnik Dona», 2011. N 1. http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n1y2011/325.

Garay J. Annu. Rev. Mater. Res. 40, 445-468 (2010). DOI: 10.1146/annurev-matsci-070909-104433.

Hungria T., Galy J., Castro A. Advanced Engineering Materials. 2009. V. 11. N 8. P. 615–631. DOI: 10.1002/adem.200900052.

Eremkin V. V., Smotrakov V. G., Shevtsova S. I., Sokallo A. I., Panich A. E., Yurchenko L. P., Mikheev V. A., Bykov I. P. Inorganic Materials. 2009. V. 45. P. 1197–1201. DOI: 10.1134/S0020168509100215.

Marakhovsky M. A., Panich A. A., Talanov M. V., Marakhovskiy V. A. Ferroelectrics. 2021. V. 575. N 1. P. 43–49 DOI: 10.1080/00150193.2021.1888225.

Marakhovsky M. A., Panich A. A., Talanov M. V., Marakhovskiy V. A. Ferroelectrics. 2020. V. 560. N 1. P. 1–6. DOI: 10.1080/00150193.2020.1722875.

Gupta A.K., Sil A. Mater. Res. Express. 2020. V. 7. N 3. 036301. DOI: 10.1088/2053-1591/ab7911.

Wang D. APL Materials. 2018. V. 6. N 1. DOI: 10.1063/ 1.5004420.

Han B., Zhao C., Zhu Z. X., Chen X., Han Y., Hu D., Zhang M.-H., Thong H.C., Wang K. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2017. V. 9. N 39. P. 34078–34084. DOI: 10.1021/acsami.7b09825.

Mudinepalli V. R., Leng F. Ceramics. 2019. V. 2. N 1. P. 13–24. DOI: 10.3390/ceramics2010002.

Skrylev V., Burkhanov A.I., Akbaeva G.M., Dykina L.A. Ferroelectrics. 2019. V. 538:1. P. 146–153. DOI: 10.1080/00150193. 2019.1569997.

Marahovskij M.A., Marahovskij V.A., Miryushchenko E.A., Panich E.A. Issledovanie vozmozhnosti sozdaniya novyh polifaznyh p'ezomaterialov dlya gidroakusticheskih preobrazovatelej Prikladnye tekhnologii gidroakustiki i gidrofiziki: Trudy XIV Vserossijskoj konferencii, Sankt-Peterburg, 23–25 maya 2018 goda. – Sankt-Peterburg: 2018. P. 616–619.