Способ получения низкотемпературного пьезокерамического материала на основе цирконата-титаната свинца
he technique of production of a lowemperature PZT-based piezomaterial is developed on the basis of the method of power action on the material (vibrating mill), together with the additive of bismuth oxide. The sintering point is 850 ◦С, epsilon = 1160, tgdelta = 0.0045, Kр = 0.46, d31 = 100, Q = 740...
Saved in:
| Date: | 2007 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2007
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4123 |
| 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: | Способ получения низкотемпературного пьезокерамического материала на основе цирконата-титаната свинца / В.В. Климов, Н.И. Селикова, И.К. Скирдина, А.Н. Бронников, А.С. Штонда // Доп. НАН України. — 2007. — № 12. — С. 127-131. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859675915374559232 |
|---|---|
| author | Климов, В.В. Селикова, Н.И. Скирдина, И.К. Бронников, А.Н. Штонда, А.С. |
| author_facet | Климов, В.В. Селикова, Н.И. Скирдина, И.К. Бронников, А.Н. Штонда, А.С. |
| citation_txt | Способ получения низкотемпературного пьезокерамического материала на основе цирконата-титаната свинца / В.В. Климов, Н.И. Селикова, И.К. Скирдина, А.Н. Бронников, А.С. Штонда // Доп. НАН України. — 2007. — № 12. — С. 127-131. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | he technique of production of a lowemperature PZT-based piezomaterial is developed on the basis of the method of power action on the material (vibrating mill), together with the additive of
bismuth oxide. The sintering point is 850 ◦С, epsilon = 1160, tgdelta = 0.0045, Kр = 0.46, d31 = 100, Q = 740.
|
| first_indexed | 2025-11-30T15:48:43Z |
| format | Article |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
12 • 2007
ХIМIЯ
УДК 666.655
© 2007
Член-корреспондент НАН Украины В.В. Климов, Н.И. Селикова,
И.К. Скирдина, А.Н. Бронников, А.С. Штонда
Способ получения низкотемпературного
пьезокерамического материала на основе
цирконата-титаната свинца
he technique of production of a low-temperature PZT-based piezomaterial is developed on the
basis of the method of power action on the material (vibrating mill), together with the additive of
bismuth oxide. The sintering point is 850 ◦С, ε = 1160, tg δ = 0.0045, Kр = 0.46, d31 = 100,
Q = 740.
Пьезокерамические материалы на основе цирконата-титаната свинца (ЦТС) известны более
полувека и до настоящего времени эти материалы остаются непревзойденными по своим
свойствам. Из них изготовляют компоненты различного назначения.
Разнообразие свойств ЦТС-материалов обусловлено введением различных добавок как
индивидуальных оксидов элементов, так и в их сочетании. Недостатком этих материалов
является то, что при их производстве требуются высокие температуры (1100–1350 ◦С). Бо-
лее чем на 60% такая керамика состоит из оксида свинца, упругость паров которого при
высоких температурах весьма значительна. Это создает проблему с экологией производства
ЦТС-материалов, так как при высоких температурах PbO частично испаряется. Все по-
пытки к уменьшению содержания оксида свинца заменой другими компонентами оказались
безуспешными. Так, многочисленные исследования многокомпонентных систем (двойных,
тройных и т. д.) не решили проблему с выделением паров PbO [1, 2], поскольку они в своем
составе обязательно содержат оксид свинца. Исследования по замене ЦТС-материалов на
сегодня не принесли ощутимых результатов.
Появились работы, посвященные разработке и исследованию материалов на основе окси-
да висмута [3, 4]. По своим токсикологическим показателям оксид висмута превосходит
оксид свинца.
Программа, объявленная Европой, по замене ЦТС-материалов на щелочные соединения
ниобатов в настоящее время не имеет заметных результатов [5–10]. Наш опыт работы с ма-
териалами на основе ЦТС позволяет надеяться, что со снижением температуры спекания
и синтеза этих материалов существует реальная возможность сохранения и применения их
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №12 127
в будущем. Снижение температуры спекания и синтеза таких материалов не задействова-
но в полном объеме. Эффективным способом снижения температуры синтеза и спекания
керамики является введение добавок [11–13], энергетическое воздействие на материал во
время его помола [14].
Самым эффективным способом снижения температуры синтеза и спекания керами-
ки является помол. Известно, что титанат свинца образуется при комнатной температуре
при длительном помоле (10–75 ч) в мельнице с высоким уровнем воздействия на матери-
ал (Fritsch Pulverisette) из оксидов свинца и титана [15]. Энергетическое воздействие на
материал приводит к тому, что нарушается кристаллическая решетка материала (создают-
ся дефекты в кристаллах), что приводит к повышению подвижности материала при его
спекании.
В промышленном производстве помольные устройства типа Fritsch Pulverisette не при-
меняют вследствие их малой мощности и продолжительности помола.
В настоящей работе мы применяем вибромельницы, оказывающие сильное энергетичес-
кое воздействие на материал (время помола 0,5–1 ч). Эти мельницы используются в про-
мышленном масштабе с производительностью 10, 50, 250 кг/ч.
Методика приготовления и исследования образцов. Для получения низкотем-
пературной керамики в синтезированную шихту пьезокерамического материала ЦТССт-3,
разработанного нами ранее, добавляют оксид висмута, массовая доля которого 1–4%. Затем
проводится механическое активирование указанной выше смеси в течение 0,5–1 ч в помоль-
ных устройствах с высоким уровнем энергетического воздействия (вибромельница). Далее
готовят контрольные образцы, на которых определяют электрофизические свойства. Для
приготовления пресс-порошка помолотую шихту смешивают с пластификатором (в част-
ности, 5% водным раствором поливинилового спирта (ПВС)) в количестве 5% массы ших-
ты. Тщательно перемешивают в агатовой ступке для равномерного распределения раствора
ПВС в шихте материала. Шихту с ПВС просеивают через сито № 070 для получения гранул,
имеющих примерно одинаковую форму и размеры. Следующим этапом является прессова-
ние дисков размером (10±2) мм и толщиной (1,5±0,05) мм с удельным давлением прессова-
ния (1–1,5) т/см2. Спекание спрессованных образцов проводят при температуре 820–850 ◦С
с выдержкой при конечной температуре в течение 2-х часов. Такой режим спекания кера-
мики является оптимальным и основывается на экспериментальных исследованиях, после
спекания образцы шлифуют с обеих сторон до толщины 1 мм. Качество керамики прове-
ряют определением плотности (ρ, г/см3, ρ = 1 · 103 кг/м3), открытой плотности (П, %)
методом гидростатического взвешивания.
Для изучения диэлектрических свойств на образцы, предварительно высушенные и обез-
жиренные спиртом, наносят электроды путем вжигания пасты при 750–780 ◦С в течение 10–
15 мин. Для изучения пьезоэлектрических свойств образцы поляризуют в сильном постоян-
ном поле. Поляризация образцов осуществляется в полисилоксановой жидкости при темпе-
ратуре (150±10) ◦С в течение 1-го часа в постоянном электрическом поле напряженностью
3–4 кВ/мм. После поляризации образцы обезжиривают в четыреххлористом углероде.
Для измерения используют образцы в форме дисков диаметром (10 ± 2) мм и толщи-
ной (1 ± 0,05) мм. Диаметр и толщина определяются микрометром. Измерение емкости
образцов проводят на частоте 1 кГц на приборе LCR цифровой Е-7–8. Для определения
пьезоэлектрических характеристик используют резонансный метод.
Результаты и их обсуждение. На рис. 1 приведена дериватограмма смеси активи-
рованного порошка, идущего на изготовление керамики (смесь ЦТССт-3 и оксид висмута).
128 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №12
Рис. 1. Термограммы шихты материала ЦТССт-3 с добавкой 2% по массе Bi2O3:
1 — кривая абсолютных потерь массы; 2 — кривая изменения температуры; 3 — дифференциальная кривая
потерь массы; 4,4′ — дифференциальная кривая нагревания
Рис. 2. Рентгенограмма шихты (1 ) и керамики (2 ) материала ЦТССт-3 с добавкой 2% по массе Bi2O3
Как видно из рисунка (кривая 3 ), до 870 ◦С не наблюдается потери массы, незначительная
ее потеря наблюдается вплоть до 900 ◦С. Для подтверждения были проведены опыты с на-
веской более 25 г продолжительностью 2 ч. Незначительное изменение массы в пределах
ошибки опыта до 900 ◦С не наблюдалось.
По данным рентгеновской дифрактометрии (рис. 2), рентгенограммы шихты и спечен-
ной керамики на основе ЦТССт-3 с добавкой 2% идентичны и характеризуются перовскито-
вой ячейкой с тетрагональным искажением решетки. На рентгенограмме шихты замечены
некоторые изменения, связанные с небольшими количествами добавки оксида висмута, не
прореагировавшего с основной массой.
На рис. 3 приведена температурная зависимость диэлектрической проницаемости (ε)
и тангенса угла диэлектрических потерь (tg δ) для низкотемпературной керамики состава
ЦТССт-3 с добавкой Bi2O3 и керамики ЦТССт-3 (tсп = 1180 ◦С, 2 ч). Как видно из рисунка,
основные параметры, при которых работает керамика, почти совпадают с параметрами
керамики ЦТССт-3.
Электрофизические свойства керамики на основе ЦТССт-3 с добавкой Bi2O3 приведены
в табл. 1. Таким образом, наиболее подходящими условиями для синтеза керамики являют-
ся следующие: добавка висмута 2% и температура обжига 820–850 ◦С.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №12 129
Рис. 3. Температурные зависимости εr и tg δ обычной керамики ЦТССт–3 (кривые 1, 2 ) и керамики ЦТССт–
3 с добавкой 2% по массе Bi2O3 (кривые 3, 4 )
Таблица 1
Добавка Bi2O3
% (мас.) tсп,
◦С∗ εт
− 33/ε0 tg δ Kр Q
D31, 1012
нК/н
ρ,
г/см3 П, %
ЦТССт-3 1110 1300 0,005 0,55 800 120 7,63 0,3
1150
1% Bi2O3 820 694 0,0042 0,276 422 51 7,45 1,2
850 959 0,007 0,388 632 79 7,47 1,1
2% Bi2O3 820 1160 0,0045 0,450 740 90 7,50 1,0
850 1160 0,0045 0,460 700 100 7,60 0,5
3% Bi2O3 820 1245 0,008 0,230 304 34 7,42 0,9
850 1176 0,007 0,276 340 58 7,46 0,6
4% Bi2O3 820 903 0,016 0,196 360 34 7,44 1,4
850 912 0,009 0,209 230 40 7,33 1,5
∗ Продолжительность выдержки при спекании 2 ч.
Из приведенных данных видно, что совместное введение добавки и помола в вибромель-
нице приводит, в конечном счете, к получению керамики с довольно хорошими свойствами.
При этом сохраняется промышленная экология производства.
1. Климов В. В., Дидковская О.С., Савенкова Г. Е., Веневцев Ю.Н. Пьезокерамика различного назна-
чения // Неорган. материалы. – 1995. – 31, № 3. – С. 419–422.
2. Савенкова Г.Е., Дидковская О.С., Климов В. В., Веневцев Ю.Н. Влияние добавок, содержащих ви-
смут и марганец, на свойства твердых растворов цирконата-титаната свинца // Изв. АН СССР.
Неорган. материалы. – 1971. – 7, № 6. – С. 996–1000.
3. Takenaka T. Piezoelectric Properties of Some Lead-Free Ferroelectric Ceramics // Ferroelectrics. – 1999. –
230. – P. 87–98.
4. Xiao D., Lin D., Zhu J. Synthesis and Piezoelectric Properties of (Bi1−x−yLax)(Na1−y−zLiz) 0.5BaYTiO3
Lead-Free Piezoelectric Ceramics // 11th International Meeting on Ferroelectricity, Argentina. – Brazil. –
5–9 Sept., 2005.
130 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №12
5. Ringgaard E., Wurlitzer T., Wolny W.W. Properties of Lead-Free Piezoceramics Based on Alkali Ni-
obates // Ferroelectrics. – 2005. – 319. – P. 97–107.
6. Malic B., Bernard J., Holc J., Kosec M. Strontium Doped K0.5Na0.5NbO3 Based Piezoceramics // Ibid. –
2005. – 314. – P. 149–156.
7. Chu S.-Y., Water W., Juang Y.-D., Liaw J.-T. Properties of (Na,K)NbO3 and (Li,Na,K)NbO3 Ceramic
Mixed Systems // Ibid. – 2003. – 287. – P. 23–33.
8. Ainger F.W., Beswick J. A., Bickley W.P. et al. Ferroelectrics in the Lithium Potassium Niobate System //
Ibid. – 1971. – 2. – P. 183–189.
9. Saito Y., Takao H. High Performance Lead-Free Piezoelectric Ceramics in the (K,Na)NbO3−LiTaO3 Solid
Solution System // Ibid. – 2006. – 338. – P. 17–32.
10. Chu S.-Y., Water W., Juang Y.-D. et al. Piezoelectric and Dielectric Characteristics of Lithium Potassium
Niobate Ceramic System // Ibid. – 2003. – 297. – P. 11–17.
11. Hayashi T., Inoue T., Akiyama Y. Low-Temperature Sintering and Properties of (Pb,Ba,Sr)(Zr,Ti,Sb)O3
Piezoelectric Ceramics Using Sintering Aids // Jpn. J. Appl. Phys. – 1999. – 38. – P. 5549–5552.
12. Corcer D. L., Whatmore R.W., Ringgaard E., Wolny W.W. Liquid-phase sintering of PZT ceramics //
J. Eur. Ceram. Soc. – 2000. – 20, No 12. – P. 2039. – 2045.
13. Cherdhirunkorn B., Hall D.A. The Effect of Sintering Processes on the Properties of Mn-F Doped PZT
Ceramics // Integr. Ferroelectrics. – 2004. – 62. – P. 61–67.
14. Hayashi T., Tomizawa J., Hasegawa T., Akiyama Y. Low-Temperature Fabrication of Pb(Ni1/3Nb2/3)O3–
Pb(Zr0.3Ti0.7)O3 Ceramics with LiBiO2 as a Sintering Aid // J. Eur. Ceram. Soc. – 2004. – 24, No 6. –
P. 1037–1039.
15. Kong L., Zhu W., Tan O.K. Direct Formation of Nano-Sized PbTiO3 Powders by High Energy Ball
Milling // Ferroelectrics. – 1999. – 230. – P. 281–286.
Поступило в редакцию 04.06.2007Донецкий национальный университет
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №12 131
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-4123 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-30T15:48:43Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Климов, В.В. Селикова, Н.И. Скирдина, И.К. Бронников, А.Н. Штонда, А.С. 2009-07-16T08:20:12Z 2009-07-16T08:20:12Z 2007 Способ получения низкотемпературного пьезокерамического материала на основе цирконата-титаната свинца / В.В. Климов, Н.И. Селикова, И.К. Скирдина, А.Н. Бронников, А.С. Штонда // Доп. НАН України. — 2007. — № 12. — С. 127-131. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4123 666.655 he technique of production of a lowemperature PZT-based piezomaterial is developed on the basis of the method of power action on the material (vibrating mill), together with the additive of bismuth oxide. The sintering point is 850 ◦С, epsilon = 1160, tgdelta = 0.0045, Kр = 0.46, d31 = 100, Q = 740. ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Хімія Способ получения низкотемпературного пьезокерамического материала на основе цирконата-титаната свинца Article published earlier |
| spellingShingle | Способ получения низкотемпературного пьезокерамического материала на основе цирконата-титаната свинца Климов, В.В. Селикова, Н.И. Скирдина, И.К. Бронников, А.Н. Штонда, А.С. Хімія |
| title | Способ получения низкотемпературного пьезокерамического материала на основе цирконата-титаната свинца |
| title_full | Способ получения низкотемпературного пьезокерамического материала на основе цирконата-титаната свинца |
| title_fullStr | Способ получения низкотемпературного пьезокерамического материала на основе цирконата-титаната свинца |
| title_full_unstemmed | Способ получения низкотемпературного пьезокерамического материала на основе цирконата-титаната свинца |
| title_short | Способ получения низкотемпературного пьезокерамического материала на основе цирконата-титаната свинца |
| title_sort | способ получения низкотемпературного пьезокерамического материала на основе цирконата-титаната свинца |
| topic | Хімія |
| topic_facet | Хімія |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4123 |
| work_keys_str_mv | AT klimovvv sposobpolučeniânizkotemperaturnogopʹezokeramičeskogomaterialanaosnovecirkonatatitanatasvinca AT selikovani sposobpolučeniânizkotemperaturnogopʹezokeramičeskogomaterialanaosnovecirkonatatitanatasvinca AT skirdinaik sposobpolučeniânizkotemperaturnogopʹezokeramičeskogomaterialanaosnovecirkonatatitanatasvinca AT bronnikovan sposobpolučeniânizkotemperaturnogopʹezokeramičeskogomaterialanaosnovecirkonatatitanatasvinca AT štondaas sposobpolučeniânizkotemperaturnogopʹezokeramičeskogomaterialanaosnovecirkonatatitanatasvinca |