Известия РАН. Серия физическая, 2020, T. 84, № 11, стр. 1667-1669
Влияние методов спекания на диэлектрический гистерезис сегнетожесткого пьезокерамического материала на основе цирконата-титаната свинца
М. А. Мараховский 1, *, А. А. Панич 1, М. В. Таланов 2, В. А. Мараховский 1
1 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
“Южный федеральный университет”, Научное конструкторско-технологическое бюро “Пьезоприбор”
Ростов-на-Дону, Россия
2 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
“Южный федеральный университет”, Научно-исследовательский институт физики
Ростов-на-Дону, Россия
* E-mail: marmisha@mail.ru
Поступила в редакцию 18.06.2020
После доработки 10.07.2020
Принята к публикации 27.07.2020
Аннотация
Исследовано влияние технологии спекания сегнетожесткого пьезокерамического материала ПКР-8 на параметры диэлектрического гистерезиса. Установлено, что использование метода горячего прессования и его модификаций позволяет варьировать степень “сегнетожесткости” пьезокерамического материала фиксированного состава, а также снизить себестоимость получаемых пьезокерамических изделий за счет сокращения энергозатрат.
На сегодняшний день пьезоэлектрические керамические материалы находят новые применения в различных областях техники благодаря своим уникальным свойствам. Пьезокерамика используется в ультразвуковых устройствах диагностики в медицине, авиационном и железнодорожном транспорте, в энергетике, нефте- газовом комплексе, а также в силовом оборудовании для ультразвуковой сварки, чистки поверхностей, нанесения покрытий [1–5].
Важнейшим этапом изготовления пьезокерамики является спекание. При спекании происходит образование зерен и формируется керамический каркас, задаются механические свойства. Выбор технологии и режимов спекания оказывает непосредственное влияние на пьезоэлектрические и диэлектрические параметры пьезокерамики [6‒9]. Большая часть известных работ по изучению влияния вариации технологических режимов изготовления керамики на ее характеристики посвящена сегнетомягким материалам. Однако для применения в устройствах ультразвуковой техники представляют интерес сегнетожесткие пьезокерамики, отличающиеся повышенными значениями механической добротности, коэрцитивных полей и относительно небольшими значениями диэлектрической проницаемости [10–12]. Целью работы было установление взаимосвязи между выбором технологии спекания сегнетожесткого пьезокерамического материала ПКР-8 и параметрами диэлектрического гистерезиса в нем.
Пьезокерамический материал ПКР-8 на основе системы цирконат-титанат свинца (ЦТС) был получен твердофазным синтезом с использованием следующих исходных реагентов: PbO (ч. д. а.), ZrO2 (ЦРО-1), TiO2 (о. с. ч. 7-3), MnO2 (о. с. ч.), Nb2O5 (марка А), ZnO (х. ч.). Смешивание исходных реагентов осуществлялось в планетарной мельнице Fritsch Pulverisette 6. Синтез соединения проводился при температуре 900°С в камерной печи “Nabertherm L5/13/P330”.
Существует несколько эффективных методов спекания керамических материалов: спекание в камерных печах при атмосферном давлении, горячее прессование, горячее изостатическое прессование. На сегодняшний день большую популярность приобретает перспективная технология искрового плазменного спекания, используемая для спекания порошковых материалов (технических и конструкционных керамик) и позволяющая снизить температуру процесса спекания (Тспек) на 100–300°С и сократить его продолжительность. В ходе исследования были реализованы четыре способа спекания, проводимые при различных температурных режимах: традиционный с использованием камерной печи (Тспек = 1150–1200°С) при атмосферном давлении (АТМ), метод горячего прессования (ГП) (Тспек = 1125–1175°С), горячая подпрессовка с последующим спеканием в камерной печи (ГП-АТМ) (Тспек = 1150–1230°С) и метод искрового плазменного спекания (ИПС) (Тспек = = 930–970°С). Качество спекаемой пьезокерамики ПКР-8 оценивали по результатам рентгенофазового анализа (рис. 1) и по значениям экспериментальной плотности. Все спеченные керамические элементы обладали структурой типа перовскита, не содержали примесных фаз и имели экспериментальную плотность не ниже 7.7 г/см3.
После спекания керамические элементы цилиндрической формы обрабатывались на шлифовальном станке до геометрических размеров с диаметром 10 мм и высотой 1 мм. На плоскости керамических дисков наносились токопроводящие электроды путем вжигания серебросодержащей пасты. Измерения диэлектрического гистерезиса проводились на стенде “Петля” при частоте переменного электрического поля 50 Гц [13]). Определялись значения максимальной (Pm), остаточной (Pr) и индуцированной (Pi) поляризации, а также величины коэрцитивных электрических полей (Ec) (рис. 2).
На рисунке приведены петли диэлектрического гистерезиса образцов ПКР-8, спеченных различными методами. Наибольшие значения Pm и Pr, так же, как и наименьшие величины Ec, наблюдаются в случае керамики, спеченной по технологии ГП. Применение горячего прессования позволило увеличить Pm более чем на 30% и снизить Ec на 24% (табл. 1) относительно значений керамики, спеченной при атмосферном давлении. По совокупности своих поляризационных характеристик горячепрессованные образцы занимают промежуточное положение между сегнетожесткими и сегнетомягкими керамиками. Отметим, что возрастание Pm при переходе от технологии АТМ к ГП в большей степени обусловлено увеличением компоненты Pi. По всей видимости, подобные изменения связаны с перестройкой дефектной структуры керамики за счет приложения высокого механического давления в процессе спекания. В частности, с уменьшением количества кислородных вакансий, которые выступают в качестве центров пиннинга, тормозящих движение доменных стенок в процессе переполяризации керамики. Использование технологии ГП позволило получить высокоплотные образцы с однородным зеренным строением (рис. 3), что также способствует понижению степени “сегнетожесткости” керамики.
Таблица 1.
Параметры петель диэлектрического гистерезиса образцов ПКР-8, спеченных различными способами
Метод спекания | Pm, мкКл/см2 | Pr, мкКл/см2 | Pi, мкКл/ см2 | Ec, кВ/см |
---|---|---|---|---|
АТМ | 21.0 | 13.0 | 8.0 | 7.1 |
ГП | 28.0 | 15.2 | 12.8 | 5.4 |
ГП-АТМ | 20.0 | 9.9 | 10.1 | 6.5 |
ИПС | 17.8 | 7.6 | 10.2 | 5.2 |
Рис. 3.
Микроструктура керамического образца ПКР-8 спеченного методом горячего прессования при температуре 1175°С.

Различия между параметрами диэлектрического гистерезиса образцов, спеченных без применения давления, не столь значительны (см. рис. 2 и табл. 1) и находятся в диапазоне ~20%. Наибольшими значениями Ec и менее сглаженной формой петли диэлектрического гистерезиса, характерными для сегнетожесткой керамики, отличаются образцы, спеченные методом АТМ. Таким образом, путем изменения технологии спекания образцов с одним и тем же химическим составом можно варьировать степень их “сегнетожесткости”, а, следовательно, и их функциональные параметры.
Кроме влияния на электрофизические характеристики, важным является и промышленная адаптация технологии спекания. Например, метод горячего прессования позволяет снизить температуру спекания на 70°С, а метод ИПС снижает температуру спекания на 250°С и сокращает продолжительность процесса спекания в 50 раз. Все перечисленные преимущества метода ИПС сокращают энергозатраты при изготовлении пьезокерамики и снижают ее себестоимость.
В результате исследования установлено, что изменение технологических режимов спекания позволяет корректировать функциональные параметры пьезокерамического материала без изменения его химического состава. Такой эффект подтверждается изменением параметров диэлектрического гистерезиса в зависимости от условий спекания. Помимо изменения функциональных параметров, использование методов горячего прессования и искрового плазменного спекания способствует понижению температуры спекания пьезоэлектрической керамики ПКР-8 на 250°С, что сокращает энергозатраты при изготовлении. Такое низкотемпературное спекание может использоваться для изготовления многослойных преобразователей с низковольтным управляющим напряжением. В этом случае спекание керамических слоев и вжигание токопроводящих электродов объединяются в одну технологическую операцию, требующую согласования температурного режима и использование дорогостоящих Ag–Pt паст. Сниженные температуры спекания позволяют использовать менее дорогие низкотемпературные Ag-пасты, что позволяет снизить себестоимость готовых преобразователей.
Список литературы
Zheng T., Wu J., Xiao D. et al. // Progr. Mater. Sci. 2018. V. 98. P. 552.
Bowen Ch.R., Topolov V.Yu., Kim H.A. // Springer Ser. Mater. Sci. 2016. V. 238. P. 152.
Erturk A., Inman D.J. Piezoelectric energy harvesting. Chichester: Wiley, 2011.
Lee H.J., Zhang S., Bar-Cohen Y. et al. // Sensors. 2014. V. 14. P. 14526.
Nesterov A.A., Topolov V.Yu., Panich A.E. // Func. Mater. Lett. 2015. V. 8. Art. № 1550065.
Таланов М.В., Вербенко И.А., Шилкина Л.А. и др. // Неорг. матер. 2012. № 48. С. 455.
Jiang Y.P., Tang X.G., Ju S.G. et al. // J. Mater. Sci. Mater. Electron. 2016. V. 27. P. 3048.
Либенсон Г.А., Лопатин В.Ю., Комарницкий Г.В. Процессы порошковой металлургии. Формование и спекание. Т. 2. М.: МИСИС, 2002. 320 с.
Rahaman M.N. Ceramic processing and sintering. N.Y.: Marcel Dekker, 1995. 770 p.
Fesenko E.G., Dantsiger A.Ya., Razumovskaya O.N. et al. // Ferroelectrics. 1995. V. 167. P. 197.
Поплавко Ю.М. Физика активных диэлектриков. Ростов-на-Дону: ЮФУ, 2009. 480 с.
http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2011/325.
http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2010/202.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Известия РАН. Серия физическая