Исследование пьезокерамики на основе ЦТС с добавками MnO2, MgO, Bi2O3, PbF2, Fe2O3, SrO, WO3
Вивчено вплив домiшок, що мiстять MnO2, MgO, Bi2O3, PbF2, Fe2O3, SrO, WO3, на електрофiзичнi властивостi п’єзокерамiки на основi цирконату-титанату свинцю, а також мiкроструктуру п’єзокерамiки. Показано, що розмiр кристалiтiв дорiвнює 2–5 мкм. Дослiджено розподiл домiшок за допомогою растрового елек...
Saved in:
| Date: | 2010 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2010
|
| Series: | Доповіді НАН України |
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/29829 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Исследование пьезокерамики на основе ЦТС с добавками MnO2, MgO, Bi2O3, PbF2, Fe2O3, SrO, WO3 / В.В. Климов, Н.И. Селикова, А.Н. Бронников, А.С. Штонда // Доп. НАН України. — 2010. — № 6. — С. 130-133. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-29829 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-298292025-02-09T12:29:10Z Исследование пьезокерамики на основе ЦТС с добавками MnO2, MgO, Bi2O3, PbF2, Fe2O3, SrO, WO3 Investigation of PZT-based piezoceramics with MnO2, MgO, Bi2O3, PbF2, Fe2O3, SrO, WO3 additions Климов, В.В. Селикова, Н.И. Бронников, А.Н. Штонда, А.С. Хімія Вивчено вплив домiшок, що мiстять MnO2, MgO, Bi2O3, PbF2, Fe2O3, SrO, WO3, на електрофiзичнi властивостi п’єзокерамiки на основi цирконату-титанату свинцю, а також мiкроструктуру п’єзокерамiки. Показано, що розмiр кристалiтiв дорiвнює 2–5 мкм. Дослiджено розподiл домiшок за допомогою растрового електронного мiкроскопа. Завдяки введенню вказаних домiшок, зокрема в поєднаннi з WO3, можна отримати п’єзокерамiку з характерними властивостями та температурою фазового переходу 260–270 °C. Дослiджено поведiнку дiелектричної проникностi й тангенса кута дiелектричних втрат у сильному електричному полi. Influence of additives which contain MnO2, MgO, Bi2O3, PbF2, Fe2O3, SrO, WO3 on electrophysical properties of PZT-based piezoceramics is investigated. Microstructure of piezoceramics is studied, and the crystallites size is found to be 2–5μm. The distribution of additives is investigated using a scanning electronic microscope. Due to the addition of the above-mentioned additives, especially together with WO3, a piezoceramics with characteristic properties, whose phase transition temperature is 260–270 °C, can be obtained. The behavior of the dielectric permittivity and the dielectric loss tangent under a strong electric field is studied. Авторы выражают благодарность В.В. Бурховецкому за проведенные исследования микроструктуры керамики. 2010 Article Исследование пьезокерамики на основе ЦТС с добавками MnO2, MgO, Bi2O3, PbF2, Fe2O3, SrO, WO3 / В.В. Климов, Н.И. Селикова, А.Н. Бронников, А.С. Штонда // Доп. НАН України. — 2010. — № 6. — С. 130-133. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/29829 666.655 ru Доповіді НАН України application/pdf Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Хімія Хімія |
| spellingShingle |
Хімія Хімія Климов, В.В. Селикова, Н.И. Бронников, А.Н. Штонда, А.С. Исследование пьезокерамики на основе ЦТС с добавками MnO2, MgO, Bi2O3, PbF2, Fe2O3, SrO, WO3 Доповіді НАН України |
| description |
Вивчено вплив домiшок, що мiстять MnO2, MgO, Bi2O3, PbF2, Fe2O3, SrO, WO3, на електрофiзичнi властивостi п’єзокерамiки на основi цирконату-титанату свинцю, а також мiкроструктуру п’єзокерамiки. Показано, що розмiр кристалiтiв дорiвнює 2–5 мкм. Дослiджено розподiл домiшок за допомогою растрового електронного мiкроскопа. Завдяки введенню вказаних домiшок, зокрема в поєднаннi з WO3, можна отримати п’єзокерамiку з характерними властивостями та температурою фазового переходу 260–270 °C. Дослiджено поведiнку дiелектричної проникностi й тангенса кута дiелектричних втрат у сильному електричному полi. |
| format |
Article |
| author |
Климов, В.В. Селикова, Н.И. Бронников, А.Н. Штонда, А.С. |
| author_facet |
Климов, В.В. Селикова, Н.И. Бронников, А.Н. Штонда, А.С. |
| author_sort |
Климов, В.В. |
| title |
Исследование пьезокерамики на основе ЦТС с добавками MnO2, MgO, Bi2O3, PbF2, Fe2O3, SrO, WO3 |
| title_short |
Исследование пьезокерамики на основе ЦТС с добавками MnO2, MgO, Bi2O3, PbF2, Fe2O3, SrO, WO3 |
| title_full |
Исследование пьезокерамики на основе ЦТС с добавками MnO2, MgO, Bi2O3, PbF2, Fe2O3, SrO, WO3 |
| title_fullStr |
Исследование пьезокерамики на основе ЦТС с добавками MnO2, MgO, Bi2O3, PbF2, Fe2O3, SrO, WO3 |
| title_full_unstemmed |
Исследование пьезокерамики на основе ЦТС с добавками MnO2, MgO, Bi2O3, PbF2, Fe2O3, SrO, WO3 |
| title_sort |
исследование пьезокерамики на основе цтс с добавками mno2, mgo, bi2o3, pbf2, fe2o3, sro, wo3 |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| publishDate |
2010 |
| topic_facet |
Хімія |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/29829 |
| citation_txt |
Исследование пьезокерамики на основе ЦТС с добавками MnO2, MgO, Bi2O3, PbF2, Fe2O3, SrO, WO3 / В.В. Климов, Н.И. Селикова, А.Н. Бронников, А.С. Штонда // Доп. НАН України. — 2010. — № 6. — С. 130-133. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| series |
Доповіді НАН України |
| work_keys_str_mv |
AT klimovvv issledovaniepʹezokeramikinaosnovectssdobavkamimno2mgobi2o3pbf2fe2o3srowo3 AT selikovani issledovaniepʹezokeramikinaosnovectssdobavkamimno2mgobi2o3pbf2fe2o3srowo3 AT bronnikovan issledovaniepʹezokeramikinaosnovectssdobavkamimno2mgobi2o3pbf2fe2o3srowo3 AT štondaas issledovaniepʹezokeramikinaosnovectssdobavkamimno2mgobi2o3pbf2fe2o3srowo3 AT klimovvv investigationofpztbasedpiezoceramicswithmno2mgobi2o3pbf2fe2o3srowo3additions AT selikovani investigationofpztbasedpiezoceramicswithmno2mgobi2o3pbf2fe2o3srowo3additions AT bronnikovan investigationofpztbasedpiezoceramicswithmno2mgobi2o3pbf2fe2o3srowo3additions AT štondaas investigationofpztbasedpiezoceramicswithmno2mgobi2o3pbf2fe2o3srowo3additions |
| first_indexed |
2025-11-25T23:57:01Z |
| last_indexed |
2025-11-25T23:57:01Z |
| _version_ |
1849808676110467072 |
| fulltext |
УДК 666.655
© 2010
Член-корреспондент НАН Украины В.В. Климов, Н.И. Селикова,
А.Н. Бронников, А.С. Штонда
Исследование пьезокерамики на основе ЦТС
с добавками MnO2, MgO, Bi2O3, PbF2, Fe2O3, SrO, WO3
Вивчено вплив домiшок, що мiстять MnO2, MgO, Bi2O3, PbF2, Fe2O3, SrO, WO3,
на електрофiзичнi властивостi п’єзокерамiки на основi цирконату-титанату свинцю,
а також мiкроструктуру п’єзокерамiки. Показано, що розмiр кристалiтiв дорiвнює
2–5 мкм. Дослiджено розподiл домiшок за допомогою растрового електронного мiкроско-
па. Завдяки введенню вказаних домiшок, зокрема в поєднаннi з WO3, можна отрима-
ти п’єзокерамiку з характерними властивостями та температурою фазового переходу
260–270 ◦C. Дослiджено поведiнку дiелектричної проникностi й тангенса кута дiелект-
ричних втрат у сильному електричному полi.
Пьезокерамические материалы на основе цирконата-титаната свинца (ЦТС), благодаря уни-
кальным способностям отклика на физическое воздействие, используются в промышленно-
сти для изготовления устройств различного назначения [1–3].
Получение керамики с широким диапазоном пьезоэлектрических характеристик опреде-
ляется введением в перовскитовую ABO3-решетку ЦТС различных изовалентных и гетеро-
валентных ионов, которые изменяют микроструктуру керамики, характеризующую элект-
рофизические свойства.
При изучении влияния различных добавок на свойства пьезокерамики ЦТС было отме-
чено, что сочетание добавок фтора и оксида железа с другими добавками способствует
созданию керамики, используемой в силовых устройствах [4–7].
Авторами настоящего сообщения детально изучено влияние комплексных добавок
с мольным содержанием 0,5–2,0% оксида марганца (IV), 2–4% оксида магния, 0,5–1,0%
оксида висмута, 0,25–5,00% оксида вольфрама (VI), которые вводили сверх стехиометрии,
а также 0,2–0,4% фторида свинца и оксида железа (III) на электрофизические свойства
исследуемой керамики. Выявить характер влияния вводимых добавок на формирование
различных свойств готовой пьезокерамики позволяют современные методы исследования
и накопленный опыт работы по изучению различных факторов, определяющих ее свойства.
В данной работе исследовано влияние перечисленных выше добавок на свойства пье-
зокерамики, получаемой по более простой керамической технологии, в отличие от “мокро-
го” более сложного метода [2].
Методика приготовления и исследование образцов. Образцы пьезокерамики по-
лучали, согласно методу, применяемому по керамической технологии. Шихту готовили
с использованием промышленных марок карбоната свинца, диоксида титана, диоксида цир-
кония. Реактивной чистоты (“х. ч.”, “ч. д. а.”) добавки вводились в виде оксидов (MnO2,
Bi2O3, Fe2O3, WO3), карбонатов (mMgCO3 · nMg(OH)
2
, SrCO3) и фторида (PbF2). Смеши-
вание и помол исходных компонентов проводили как в вибромельнице, гуммированной спе-
циальной резиной, металлическими шарами в течение 0,5–1 ч, так и в планетарной мельнице
“Fritsch” с яшмовыми шарами и кюветами в продолжение 1 ч. Синтез проходил в брикетах
при 800–850 ◦С в течение 2–4 ч. Помол синтезированного материала проводили в вибромель-
130 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №6
Рис. 1. Микроструктура поверхности керамики Рис. 2. Распределение основных элементов — Pb,
Zr, Ti
нице и в планетарной шаровой мельнице “Fritsch” в продолжение 0,5–1 ч до получения мел-
кодисперсного порошка с размером частиц 1–5 мкм. Для улучшения процесса спекания при
прессовании использовали гранулированные порошки. Керамику спекали при (1200±50) ◦С
в засыпке (30% по массе PbO+ 70% по массе ZrO2) в течение 2–4 ч. Использовали серебря-
ные электроды, полученные при вжигании серебросодержащей пасты при 750–800 ◦С.
Для изучения пьезоэлектрических свойств образцы поляризовали в сильном постоянном
поле. Затем определяли пьезоэлектрические характеристики, используя резонансный метод
(ОСТ 11–0444–87 ТУ).
Рентгеноструктурный анализ выполняли по общепринятой методике на рентгеновском
аппарате УРС-50И с использованием CuKα
-излучения. Микроструктуру керамики изу-
чали на растровом микроскопе JSM-6490 с энергодисперсионной приставкой Link860–890
(Англия). Образцы предварительно шлифовали и подвергали травлению в 1%-м растворе
соляной кислоты с добавлением HF.
Результаты и их обсуждение. Структура пьезокерамики. Изучение кристалличес-
кой структуры методом рентгеноструктурного анализа исследуемой на основе ЦТС-кера-
мики показало, что образцы обладают структурой перовскита и имеют четко выраженное
тетрагональное искажение элементарной кристаллической ячейки, что соответствует ха-
рактерному для морфотропной области соотношению циркония и титана.
Введение в состав ЦТС-керамики всех упомянутых добавок приводит к образованию
керамики с размером кристаллитов 2–5 мкм (рис. 1). При этом кристаллиты имеют близкую
к шестиграннику форму.
Распределение содержания элементов в готовой пьезокерамике по данным, полученным
на растровом микроскопе, иллюстрирует рис. 2. Изучение содержания основных элемен-
тов, составляющих керамику, а также добавок показало, что наблюдается обычный для
керамики разброс.
Электрофизические свойства. Электрофизические параметры для керамики, содержа-
щей в качестве комплексной добавки, введенной сверх стехиометрии, оксиды вольфра-
ма, марганца, висмута, магния, приведены в табл. 1. Введение оксида вольфрама наряду
с добавками MnO2, Bi2O3, MgO дает возможность получить керамику с набором важных
свойств. Температура фазового перехода такой керамики — tC = 260–270 ◦С. Величина
тангенса угла диэлектрических потерь исследовалась в зависимости от приложенного по-
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №6 131
Таблица 1. Электрофизические свойства керамики на основе ЦТС с добавками
Состав / мольное содержание, % ε
tg δ · 102;
E = 20 В/мм
kp Qm
d31,
нКл/Н
tC , ◦С
tg δs · 10
2
Em =
= 100 В/мм
Em =
= 200 В/мм
Em =
= 300 В/мм
(Pb0,93Sr0,07)(ZrxTiyFez )O3 / 1300 0,35 0,49 1000 103 270 1,6 2,0 2,3
2%(Mn1/2Bi1/4Mg3/2W1/4)
(Pb0,93Sr0,07)(ZrxTiyFez )O3 / 1250 0,35 0,48 900 97 — — — —
2%(Mn1/2Bi1/4Mg3/2W1/2)
(Pb0,93Sr0,07)(ZrxTiyFez )O3 / 1320 0,35 0,51 900 108 260 1,7 1,9 2,5
2%(Mn1/2Bi1/4Mg4/2W1/4)
(Pb0,93Sr0,07)(ZrxTiyFez )O3 /
2%(Mn1/2Bi1/2Mg4/2W1/2) 1400 0,35 0,53 800 112 262 — — —
Пр и м е ч а н и е . x + y + z = 1; x = 0,45–0,55; y = 0,45–0,55.
132
IS
S
N
1
0
2
5
-6
4
1
5
R
epo
rts
o
f
th
e
N
a
tio
n
a
l
A
ca
d
em
y
o
f
S
cien
ces
o
f
U
kra
in
e,
2
0
1
0
,
№
6
ля частотой 50 Гц. Определялась также величина тангенса угла диэлектрических потерь
в сильном поле (tg δs) при амплитудном значении напряженности электрического поля (Em)
100, 200 и 300 В/мм.
Таким образом, были исследованы электрофизические свойства пьезоэлектрической ке-
рамики на основе ЦТС, модифицированной комплексными добавками, содержащими MnO2,
MgO, Bi2O3, WO3, введенными сверх стехиометрии, а также влияние добавок, содержащих
PbF2, Fe2O3, SrO. При изучении микрокристаллической структуры пьезокерамики установ-
лено, что размер кристаллитов равен 2–5 мкм. С помощью растрового электронного микро-
скопа исследовано распределение элементов в керамике. Установлены зависимость величин
tg δ и ε от температуры при определении tC , равной 260–270 ◦C, а также величины танген-
са угла диэлектрических потерь в сильном электрическом поле: tg δs = 1,6 · 10−2–1,7 · 10−2
при Em = 100 В/мм; tg δs = 1,9·10−2–2,0·10−2 при Em = 200 В/мм; tg δs = 2,3·10−2–2,5·10−2
при Em = 300 В/мм. По керамической технологии с применением механического акти-
вирования получали пьезокерамику, что упрощает технологию по сравнению с методом
совместного осаждения. Используемый нами метод является более экологически чистым
и дает возможность уменьшить стоимость производства.
Авторы выражают благодарность В.В. Бурховецкому за проведенные исследования микро-
структуры керамики.
1. Головнин В.А., Ривкин В.И. Пьезоэлектрическая керамика (применение и производство) // Зарубеж.
радиоэлектроника. – 1985. – 3. – С. 47–59.
2. Климов В. В., Дидковская О.С., Савенкова Г.Е., Веневцев Ю.Н. Керамика различного назначения //
Неорган. материалы. – 1995. – 31, № 3. – С. 419–422.
3. Некрасов М.М., Савченко В. С., Сыч А.М. О фторсодержащем титанате бария // Изв. АН СССР.
Неорган. материалы. – 1970. – 6, № 12. – С. 2175–2177.
4. Pat. 5683613 USA. Ferroelectric Perovskites / L. Eyraud, M. Boisrayon, P. Eyraud et al. – Publ. 24.04.1997.
5. Pat. 9502744 France. Ceramigues Fluorees de Puisance / L. Eyraud, M. Boisrayon, P. Eyraud et al. – Publ.
23.05.1995.
6. Eyraud L., Eyraud P., Audiger D. et al. Fluoridated PZT Ceramics for Power Transducers // J. Solid State
Chem. – 1997. – 130. – P. 103–109.
7. Guiffard B., Audiger D., Lebrun L., Troccaz M. Effects of Fluorine-Oxygen Substitution on the Dielectric
and Electromechanical Properties of Lead Zirconate Titanate Ceramics // J. Appl. Phys. – 1999. – 86,
No 10. – P. 5747–5752.
Поступило в редакцию 12.10.2009Донецкий национальный университет
Corresponding Member of the NAS of Ukraine V.V. Klimov, N. I. Selikova,
A.N. Bronnikov, A. S. Shtonda
Investigation of PZT-based piezoceramics with MnO2, MgO, Bi2O3,
PbF2, Fe2O3, SrO, WO3 additions
Influence of additives which contain MnO2, MgO, Bi2O3, PbF2, Fe2O3, SrO, WO3 on electrophysi-
cal properties of PZT-based piezoceramics is investigated. Microstructure of piezoceramics is stu-
died, and the crystallites size is found to be 2–5µm. The distribution of additives is investigated
using a scanning electronic microscope. Due to the addition of the above-mentioned additives,
especially together with WO3, a piezoceramics with characteristic properties, whose phase transi-
tion temperature is 260–270 ◦C, can be obtained. The behavior of the dielectric permittivity and
the dielectric loss tangent under a strong electric field is studied.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №6 133
|