ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПЬЕЗОМАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ЛЕГИРОВАННЫХ ФАЗ СИСТЕМЫ BiFeO3 - BaTiO3 (НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА)

А. А. Нестеров; М. И. Толстунов; А. В. Лебедева; А. Ю. Малыхин; Л. А. Дыкина

doi:10.6060/rcj.2023674.15

А. А. Нестеров Южный федеральный университет
М. И. Толстунов Южный федеральный университет
А. В. Лебедева Институт высоких технологий и пьезотехники, Южный федеральный университет
А. Ю. Малыхин Институт высоких технологий и пьезотехники, Южный федеральный университет
Л. А. Дыкина Институт высоких технологий и пьезотехники, Южный федеральный университет

DOI: https://doi.org/10.6060/rcj.2023674.15

Ключевые слова: сегнетоэлектрики, высокотемпературная пьезокерамика, ультрадисперсные порошки, пьезоэлектричество, технологии

Аннотация

Контроль и управление технологическими и механическими системами при повышенных температурах может осуществляться за счёт использования пьезопреобразователей. Для этого необходимы пьезоматериалы, высокая пьезоактивность которых сохраняется при температурах выше 200 °C. Они, в частности, могут быть созданы на основе легированных фаз системы BiFeO₃-BaTiO₃. Однако, ряд недостатков таких материалов (высокие значения коэрцитивных полей и большие диэлектрические потери) не позволяют осуществить их эффективную поляризацию. Часть этих недостатков связаны с нарушением состава сегнетофаз, вызванным их термической деструкцией, что обусловлено высокими температурами традиционных технологий синтеза порошков базовых фаз и спекания керамики. В связи с этим, нами разработаны низкотемпературные технологии синтеза ультрадисперсных порошков ряда легированных фаз системы BiFeO₃ - BaTiO₃, прилежащих к ее морфотропной области. Керамические пьезоматериалы, полученные с применением разработанных технологий, длительно сохраняют свою высокую пьезоактивность при температурах до 300 – 330 °C. В работе представлена низкотемпературная технология синтеза ультрадисперсных порошков (УДП) целевых фаз (Т = 380 – 450 °C, время 30 – 40 мин), прекурсорами которой выступают пероксидные, пероксонитритные и нитратные соединения базовых элементов.

Использование УДП целевых фаз, позволяет изготавливать из них (при температурах 850 – 880°C) качественную пьезокерамику, а также варьировать диаметр ее зерен в пределах от 1-2 до 10 - 12 μm. В работе приведены значения ЭФП изготовленных пьезоматериалов, а также степень их сохранения в рамках стационарных и переменных температурных режимов.

Литература

Akram F., Kim J., Khan S.A., Zeb A., Yeo H. G., Sung Y. S., Kwon Song T., Kim M.-H., Lee S. J. Alloys Compd. 2020. V. 818. 152878. DOI: 10.1016/j.jallcom.2019.152878.

Calisir I., Hall D.A., Amirov A.A., Kleppe A.K. J. Mater. Chem. A. 2018. V. 6. N 13. Р. 53785397. DOI: 10.1039/C7TA09497C.

Zhang H., Jo W., Wang K., Webber K.G. Ceram. Int. 2014. V. 40. N 3. P. 47594765. DOI: 10.1016/j.ceramint.2013.09.020.

Akram F., Malik R. A., Song T. K., Lee S., Kim M. H. J. Eur. Ceram. Soc. 2019, V. 366. Р. 723731. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc. 2019.02.038.

Khan S.A., Ahmed T., Habib M., Akram F., Bae J., Song T.K., Lim D.H., Jeong S.-J., Kim M.-H., Lee S. J. Phys. Chem. Solids. 2021. V. 156. P. 110133. DOI: 10.1016/j.jpcs.2021.110133.

Zheng D., Zuo R., Zhang D., Li Y. J. Am. Ceram. Soc. 2015. V. 98. N 9. P. 26922695. DOI: 10.1111/jace.13737.

Zhou C., Yang H., Zhou Q., Cen Z., Li W., C. Yuan, Wang H. Ceram. Int. 2013. V. 39. N 4. P. 43074311. DOI: 10.1016/j.ceramint. 2012.11.012.

Akram F., Malik R. A., Hussain A., Song T. K., Kim W. J., Kim M. H. Mater. Lett. 2018. V. 217. P. 1619. DOI: 0.1016/j.matlet.2018.01.031.

Malik R. A., Zaman A., Hussain A., Maqbool A., Song T. K., Kim W. J., Sung Y.S., Kim M.H. J. Eur. Ceram. Soc. 2018. V. 38. N 4. P. 22592263. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc. 2017.11.049.

Fu D., Ning Z., Hu D., Cheng J., Wang F., Chen, J. J. Mater. Sci. 2019. V. 54. P. 11531161. DOI: 101007/s10853-018-2926-8.

Chen J.G, Cheng J.R J Am Ceram Soc. 2016. V. 99. P. 536542. DOI: 10.1111/jace.14003.

Habib M., Akram F., Ahmad P., Al-Harbi F.F., Din I.U., Iqbal Q., Ahmed T., Khan S.A., Hussain A., Song T.-K., Kim M.-H., Lee S. Materials Letters. 2022. V. 315. 131950. DOI: 10.1016/j.matlet. 2022.131950.

Khan S.A., Ahmed T., Bae J., Choi S.Y., Kim M., Malik R. A., Song T.-K., Kim M.-H., Lee S. Journal of the European Ceramic Society. 2022. V. 42. P. 40404044. DOI:10.1016/j.jeurceramsoc.2022.03.041.

Ye Zuo-Guang. Handbook of advanced dielectric, piezoelectric and ferroelectric materials: Synthesis, properties and applications. Elsev., 2008. 484 p.

Zhu L.F., Zhang B.P., Li S., Zhao G.L. J. Alloys Compd. 2017. V. 727. P. 382389. DOI: 10.1016/j.jallcom. 2017.08.014.

Wang T., Jin L., Tian Y., Shu L., Hu Q., Wei X. Mater. Lett. 2014. V. 137. P. 7981. DOI: 10.1016/j.matlet.2014.08.133.

Maitre A., Francois M., Gachon J.С. Journal of Phase Equilibria and Diffusion. V. 25. N 1. 2004. P. 5967. DOI: 10.1007/s11669-004-0171-0.

Казенас Е. К., Цветков Ю. В. Термодинамика испарения оксидов. М.: ЛКИ. 2008. 480. ISBN 978-5-382-01595-8 / Kazenas E. K., Cvetkov Yu. V. Termodinamika ispareniya oksidov. M.: LKI. 2008. 480.

Разумовская О.Н., Кулешова Т.Б., Рудковская Л.М. Неорган. материалы. 1983. Т. 19. № 1. С. 113115. Razumovskaya O.N., Kuleshova T.B., Rudkovskaya L.M. Neorgan. Materialy. 1983. V. 19. N 1. P. 113115 (in Russian).

Oniyama E., Wahlbeck P. G. J. Phys. Chem. B. 1998. V. 102. N 22. P. 44184425.