Бессвинцовый наноструктурный пьезокерамический материал на основе (K, Na)NbO₃
Исследовано влияние условий синтеза и спекания на микроструктуру и электрофизические свойства бессвинцовой пьезокерамики на основе твёрдого раствора ниобата калия—натрия состава (K₀,₅Na₀,₅)NbO₃. Предложен способ синтеза (K₀,₅Na₀,₅)NbO₃, который позволяет интенсифицировать диффузионные процессы твёрд...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
|---|---|
| Дата: | 2012 |
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
2012
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/75306 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Бессвинцовый наноструктурный пьезокерамический материал на основе (K, Na)NbO₃ / Л.Г. Гусакова, В.М. Погибко, Н.А. Спиридонов, В.М. Ищук, Н.Г. Кисель // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2012. — Т. 10, № 2. — С. 303-312. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859483164116779008 |
|---|---|
| author | Гусакова, Л.Г. Погибко, В.М. Спиридонов, Н.А. Ищук, В.М. Кисель, Н.Г. |
| author_facet | Гусакова, Л.Г. Погибко, В.М. Спиридонов, Н.А. Ищук, В.М. Кисель, Н.Г. |
| citation_txt | Бессвинцовый наноструктурный пьезокерамический материал на основе (K, Na)NbO₃ / Л.Г. Гусакова, В.М. Погибко, Н.А. Спиридонов, В.М. Ищук, Н.Г. Кисель // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2012. — Т. 10, № 2. — С. 303-312. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
| description | Исследовано влияние условий синтеза и спекания на микроструктуру и электрофизические свойства бессвинцовой пьезокерамики на основе твёрдого раствора ниобата калия—натрия состава (K₀,₅Na₀,₅)NbO₃. Предложен способ синтеза (K₀,₅Na₀,₅)NbO₃, который позволяет интенсифицировать диффузионные процессы твёрдофазного взаимодействия исходных компонентов при пониженных температурах и открывает возможность для управления размером частиц синтезируемого порошка. Получена высокочувствительная наноструктурная бессвинцовая пьезокерамика с температурой Кюри 400°С и пьезочувствительностью g₃₃, которая почти в 4 раза превосходит пьезочувствительность лучших пьезоэлектрических материалов на основе ЦТС.
Досліджено вплив умов синтези та спікання на мікроструктуру й електрофізичні властивості безолив’яної п’єзокераміки на основі твердого розчину ніобату калію—натрію (K₀,₅Na₀,₅)NbO₃. Запропоновано спосіб синтези (K₀,₅Na₀,₅)NbO₃, який уможливлює інтенсифікувати дифузійні процеси твердофазної взаємодії вихідних компонентів при знижених температурах і відкриває можливість для керування розміром частинок порошку, що синтезується. Одержано високочутливу наноструктурну безолив’яну п’єзокераміку з температурою Кюрі 400°С і п’єзочутливістю g₃₃, яка майже в 4 рази перевищує п’єзочутливість кращих п’єзоелектричних матеріялів на основі ЦТО.
Influence of the synthesis and sintering conditions on the microstructure and electrophysical properties of lead-free (K₀,₅Na₀,₅)NbO₃-based piezoelectric ceramics is investigated. Synthesis method, which makes possible to reduce synthesis temperature and regulate particles’ size in synthesized powder, is developed. Nanostructure lead-free piezoelectric ceramics with the Curie point TC = 400°С is obtained. Piezoelectric sensitivity g₃₃ of the obtained ceramics almost four times exceeds the sensitivity of the best PZT-based ceramics.
|
| first_indexed | 2025-11-24T15:13:00Z |
| format | Article |
| fulltext |
303
PACS numbers: 68.37.Lp, 77.22.Gm, 77.84.Dy, 81.05.Je, 81.07.Wx, 81.40.Tv
Бессвинцовый наноструктурный пьезокерамический
материал на основе (K, Na)NbO3
Л. Г. Гусакова, В. М. Погибко, Н. А. Спиридонов, В. М. Ищук,
Н. Г. Кисель
НТЦ «Реактивэлектрон» НАН Украины,
ул. Бакинских комиссаров, 17а,
83049 Донецк, Украина
Исследовано влияние условий синтеза и спекания на микроструктуру и
электрофизические свойства бессвинцовой пьезокерамики на основе
твёрдого раствора ниобата калия—натрия состава (K0,5Na0,5)NbO3. Пред-
ложен способ синтеза (K0,5Na0,5)NbO3, который позволяет интенсифици-
ровать диффузионные процессы твёрдофазного взаимодействия исходных
компонентов при пониженных температурах и открывает возможность
для управления размером частиц синтезируемого порошка. Получена вы-
сокочувствительная наноструктурная бессвинцовая пьезокерамика с
температурой Кюри 400°С и пьезочувствительностью g33, которая почти в
4 раза превосходит пьезочувствительность лучших пьезоэлектрических
материалов на основе ЦТС.
Досліджено вплив умов синтези та спікання на мікроструктуру й елект-
рофізичні властивості безолив’яної п’єзокераміки на основі твердого роз-
чину ніобату калію—натрію (K0,5Na0,5)NbO3. Запропоновано спосіб синтези
(K0,5Na0,5)NbO3, який уможливлює інтенсифікувати дифузійні процеси
твердофазної взаємодії вихідних компонентів при знижених температу-
рах і відкриває можливість для керування розміром частинок порошку,
що синтезується. Одержано високочутливу наноструктурну безолив’яну
п’єзокераміку з температурою Кюрі 400°С і п’єзочутливістю g33, яка май-
же в 4 рази перевищує п’єзочутливість кращих п’єзоелектричних матері-
ялів на основі ЦТО.
Influence of the synthesis and sintering conditions on the microstructure and
electrophysical properties of lead-free (K0.5Na0.5)NbO3-based piezoelectric ce-
ramics is investigated. Synthesis method, which makes possible to reduce syn-
thesis temperature and regulate particles’ size in synthesized powder, is de-
veloped. Nanostructure lead-free piezoelectric ceramics with the Curie point
TC = 400°С is obtained. Piezoelectric sensitivity g33 of the obtained ceramics
almost four times exceeds the sensitivity of the best PZT-based ceramics.
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies
2012, т. 10, № 2, сс. 303—312
© 2012 ІМФ (Інститут металофізики
ім. Г. В. Курдюмова НАН України)
Надруковано в Україні.
Фотокопіювання дозволено
тільки відповідно до ліцензії
304 Л. Г. ГУСАКОВА, В. М. ПОГИБКО, Н. А.СПИРИДОНОВ и др.
Ключевые слова: бессвинцовая пьезокерамика, ниобат калия—натрия,
синтез, спекание, прекурсор, легирование.
(Получено 18 октября 2010 г.)
1. ВВЕДЕНИЕ
Пьезокерамические материалы широко используются в различных
областях техники: радиоэлектронике, телефонии, гидроакустике,
атомной энергетике, автоматике, приборостроении, космической и
авиационной технике, медицине и т.д. Наибольшее распростране-
ние среди них получила пьезоэлектрическая керамика на основе
твердого раствора цирконата—титаната свинца (ЦТС). Однако из-за
содержания высокотоксичного компонента – свинца, она не отве-
чает современным нормам экологической безопасности. Поэтому в
последние годы резко возрос интерес к изучению бессвинцовых ок-
сидных систем, среди которых система твердых растворов ниобата
калия—натрия (K, Na)NbO3 (KNN) считается одной из наиболее пер-
спективных [1, 2]. Пьезокерамика на основе KNN проявляет целый
ряд ценных свойств, к которым, прежде всего, относятся высокая
точка Кюри (≅ 400°С) и сочетание низкого значения диэлектриче-
ской проницаемости со сравнительно высокими значениями пьезо-
электрических модулей. Однако, в целом, по уровню свойств она
уступает ЦТС-керамике. Тем не менее, наблюдается тенденция к
повышению электрофизических характеристик KNN-керамики,
благодаря использованию горячего прессования, легирования ок-
сидами различных металлов, в том числе Li, Ta, Cu, Mn и др. [3—5].
В отличие от ЦТС, система KNN менее технологична из-за есте-
ственной тенденции формирования вторичных фаз в процессе син-
теза, очень узкого (около 50°С) температурного интервала спекания
и высокой летучести оксидов щелочных металлов. Это существенно
усложняет получение высокоплотной керамики стехиометрическо-
го состава, вследствие чего уровень и воспроизводимость свойств
становятся неудовлетворительными. Поэтому в настоящее время
выполняются исследования по устранению отмеченных недостат-
ков. Они обусловлены, в частности, несовершенством традицион-
ной керамической технологии, которая является наиболее распро-
страненным способом получения KNN-керамики, в основе которого
лежит прямое взаимодействие порошкообразных смесей исходных
реагентов в виде оксидов и карбонатов соответствующих металлов
при нагревании (метод твердофазного синтеза).
Известно [6], что синтез является той необходимой стадией тра-
диционной керамической технологии получения пьезокерамики,
на которой из исходных компонентов формируются фазы, являю-
щиеся носителями пьезоэлектрических свойств. От характеристик
БЕССВИНЦОВЫЙ НАНОСТРУКТУРНЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ (K, Nа)NbO3 305
синтезированного порошка (химического и фазового состава, раз-
мера частиц) во многом зависит механизм протекания последую-
щих процессов получения материала, в частности, механизм ком-
пактирования (формования) и спекания, что, в конечном итоге,
влияет на его пьезоэлектрические свойства.
Целью данной работы является исследование влияния условий
синтеза и спекания на микроструктурные и электрофизические
свойства пьзокерамики на основе твердого раствора ниобата калия—
натрия состава (K0,5Na0,5)NbO3.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В качестве исходного сырья для синтеза KNN-материала состава
(K0,5Na0,5)NbO3 чистого и легированного использовали смесь порош-
ков двух компонентов – пентаоксида ниобия Nb2O5 в виде α-
модификации (марка «чда», производство «Аджиномото», Япония )
и прекурсора, представляющего собой низкоплавкую промежуточ-
ную оксидную систему, которая включает все элементы сегнетоэлек-
трической KNN-фазы. Прекурсор предварительно синтезировали
керамическим методом при температуре 950°С, используя Nb2O5 и
карбонаты K и Na реактивной квалификации. Полученную смесь
порошков прекурсора и Nb2O5 гомогенизировали с применением ме-
ханоактивационного помола. Затем полученную активированную
порошковую смесь подвергали термообработке при 930—940°С. По-
сле термообработки порошок измельчали, применяя вновь механо-
активационный помол.
Удельную поверхность исходных и термообработанных порош-
ков определяли методом БЭТ. Эффективный диаметр частиц по-
рошка определяли, исходя из соотношения: ср уд
6 ( )d S= ρ , где ρ –
плотность порошка (г/м
3), Sуд. – удельная поверхность (м
2/г).
В качестве легирующего элемента использовали Mn (который
выбирали, исходя из кристаллохимических соображений).
Порошок для спекания формовали (компактировали) в виде дис-
ков диаметром 10 мм и толщиной 1 мм методом одноосного прессо-
вания при удельном давлении 100—500 МПа. Пресспорошок для
формования готовили с использованием нетрадиционной связки.
Спекание керамических образцов выполняли в интервале тем-
ператур 950—1150°С в течение 1—2 часов.
Качество спеченной керамики контролировали путем определе-
ния геометрической плотности, а также кажущейся плотности и
пористости методом гидростатического взвешивания согласно ОСТ
473.4-81.
Рентгенофазовый анализ (РФА) выполняли на дифрактометре
ДРОН-3 с использованием отфильтрованного CuKα-излучения.
Микроскопические исследования выполняли методом просвечи-
306 Л. Г. ГУСАКОВА, В. М. ПОГИБКО, Н. А.СПИРИДОНОВ и др.
вающей электронной микроскопии (ПЭМ) (микроскоп JEM-200) и
растровой электронной микроскопии (РЭМ) (микроскоп JSM-
6490LV фирмы JEOL, Япония).
Диэлектрическую проницаемость и тангенс угла диэлектриче-
ских потерь в слабых электрических полях измеряли на частоте 1
кГц. Пьезоэлектрические параметры измеряли резонансным мето-
дом в соответствии с ОСТ 11044—87 «Материалы пьезокерамиче-
ские. Технические условия». Пьезомодуль d33 определяли статиче-
ским методом в соответствии с тем же стандартом.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Как показали результаты исследований, полученный низкоплав-
кий прекурсор, по данным РФА, представляет собой смесь твердого
раствора с ромбической структурой типа перовскита (а = 5,605 Å,
b = 5,629 Å, с = 3,932 Å) и незначительного количества фазы
(Na,K)2Nb8O21. Морфология частиц порошка прекурсора и исходно-
го порошка Nb2O5 представлена на рис. 1, а, б соответственно.
Результаты РФА продуктов термообработки показали, что в ре-
акционной смеси прекурсора и Nb2O5 уже при 850°С образуется
KNN-фаза с хорошо сформированной орторомбической структурой
перовскита, тогда как в случае традиционного способа [5] ортором-
бическая структура при этой температуре только начинает форми-
роваться. Образование однофазного продукта (чистого и легирован-
ного Mn) в виде фазы перовскита с параметрами орторомбической
решетки а = 5,651 Å, b = 5,680 Å, с = 3,948 Å завершается при 950—
1000°С. На рисунке 2, а представлены электронные микрофотогра-
фии (ПЭМ) KNN-порошка, синтезированного при 950°С, в сравне-
нии с порошком, полученным по традиционной технологии при
1100°С (рис. 2, б). В таблице 1 представлены размерные характери-
стики KNN-порошка, а также характеристики порошков прекурсо-
а б
Рис. 1. Электронные микрофотографии (ПЭМ) порошка прекурсора (а) и
порошка Nb2O5 (б).
БЕССВИНЦОВЫЙ НАНОСТРУКТУРНЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ (K, Nа)NbO3 307
ра и Nb2O5. Как следует из полученных данных, микроразмерные
частицы KNN-порошка состоят из наноструктурных элементов –
кристаллитов, которые определяются при рентгенофазовом анали-
зе как области когерентного рассеяния (ОКР).
Использование механоактивационного помола синтезированного
KNN-порошка, также как и механической активации смесей твер-
дых реагентов прекурсора и Nb2O5, ведет к образованию в них меха-
нических напряжений, что сопровождается выделением тепла, обра-
зованием разного рода дефектов, разрушением, диспергированием и
а б
Рис. 2. Электронные микрофотографии (ПЭМ) порошка KNN, синтези-
рованного при 950°С новым способом (через прекурсор) (а) и при 1100°С
традиционным способом (б).
ТАБЛИЦА 1. Условия синтеза и характеристика порошков системы KNN.
Состав порошка
Условия
термообработки
Метод измерения
Температура,
°С
Время,
ч
Метод БЭТ
Метод
ПЭМ
Метод
ОКР
Sуд, м
2/г dср, мкм dср, мкм dОКР, нм
(K0,5Na0,5)NbO3
(традиционный
способ синтеза)
1100 1 1,86 0,70 0,80 23,4
(K0,5Na0,5)NbO3
(разработанный
способ синтеза)
950 1 3,60 0,38 0,41 32,0
Прекурсор 950 1 1,66 0,8 0,85 45,2
Nb2O5 «чда»,
производство
«Аджиномото»,
Япония
– – – – 0,40 30,1
308 Л. Г. ГУСАКОВА, В. М. ПОГИБКО, Н. А.СПИРИДОНОВ и др.
пластической деформацией частиц. Добавление в механическую по-
рошкообразную смесь ПАВ способствует снижению прочности адге-
зии частиц (эффект Ребиндера), ускоряет разрушение агломератов
частиц, повышая тем самым степень диспергирования порошка.
Механизм образования KNN-фазы с использованием прекурсора
можно интерпретировать следующим образом. В процессе термооб-
работки при 930—940°С реакционной смеси, состоящей из Nb2O5 и
прекурсора, элементы перовскитовой кристаллической структуры
последнего характеризуются высокой подвижностью. При этом ио-
ны щелочных металлов (K, Na), имеющие значительно более высо-
кую подвижность, чем Nb5+, диффундируют в объём частицы Nb2O5,
образуя твёрдый раствор. Концентрация ионов щелочных металлов
будет возрастать в пределах объёма частицы Nb2O5 до тех пор, пока
не будет достигнута концентрация насыщения и переход в область
кристаллизации разрешённой фазы, т.е. (K0,5Na0,5)NbO3. Процесс
выделения новой фазы из твёрдого раствора зависит как от скоро-
сти образования зародышей, так и от скорости их последующего ро-
ста. В рамках теории топохимических реакций [7] можно получить
уравнение для оценки размера кристаллитов KNN-фазы со струк-
турой перовскита в зависимости от исходного размера частиц
Nb2O5. Если на поверхности частицы Nb2O5 возникает единственное
ядро перовскитовой фазы, то при выбранном нами составе прекур-
сора отношение размеров частиц перовскита и Nb2O5 равно 1,42. Из
экспериментальных данных ОКР синтезированной KNN-фазы со
структурой перовскита и данных ПЭМ для размеров исходных ча-
стиц Nb2O5 следует, что площадь активных центров нуклеации пе-
ровскитовой фазы равна S
* = 900 нм
2. С учетом найденного соотно-
шения и влияния температуры синтеза T, получена зависимость
размера кристаллитов кр
d KNN-фазы от исходного размера частиц
Nb2O5 в интервале
2 5Nb O
d = 17—100 нм:
2 5
1
3
Nb O3
кр
1,675 10
S d
d T
∗
−
= ⋅ π
и при исходном размере частиц Nb2O5 меньше 17 нм:
2 5
3
кр Nb O
1,675 10d d T−= ⋅ .
Анализ полученных уравнений показывает, что реально управлять
размерами кристаллитов можно только в пределах от 10 до 50 нм.
Таким образом, образование новой фазы в исследуемой системе
можно рассматривать с позиции её формирования на частицах по-
рошка Nb2O5, размер которых будет определять размер образую-
щейся фазы. Следовательно, появляется реальная возможность
управлять размером частиц KNN-фазы за счёт изменения размера
БЕССВИНЦОВЫЙ НАНОСТРУКТУРНЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ (K, Nа)NbO3 309
частиц тугоплавкого «покрываемого» компонента – Nb2O5.
С ростом дисперсности усиливается взаимодействие между ча-
стицами порошка, которое ведет к их агломерации [8]. При ком-
пактировании (в частности, прессовании) такие порошки образуют,
так называемые, каркасные структуры, которые противостоят
уплотнению порошка. Использование для приготовления пресспо-
рошка на основе KNN поверхностно-активных веществ (ПАВ)
(наряду со связующими компонентами), способствует снижению
прочности жестких и мягких агломератов частиц, что значительно
облегчает их разрушение. Это позволяет повысить максимальное
давление прессования керамических порошков [9], в том числе и
KNN-порошков, в 5—6 раз, обеспечив при этом остаточную пори-
стость спрессованых образцов на уровне 30—35 об.%. Величина
остаточной пористости является важным параметром процесса спе-
кания порошкового материала, особенно нанодисперсного. При ее
увеличении свыше 35—40 об.% в спекаемом материале, вследствие
коалесценции, образуются макропоры, что ведет к снижению элек-
трофизических свойств пьезокерамики.
С использованием разработанного способа прессования были из-
готовлены образцы в виде прессовок с остаточной пористостью 35
об.%, что приблизительно в 1,5 раза меньше, чем при традицион-
ном способе прессования.
Спекание порошков с предварительным их компактированием
является определяющей стадией в формировании конечной микро-
структуры пьезокерамики. Как показано в работе [10], в процессе
получения пьезокерамического материала наряду с ростом зерна от
0,4—0,7 мкм в керамическом порошке до 2—4 мкм в керамике,
наблюдается увеличение размеров кристаллитов с 23—30 до 37—42
нм соответственно.
Микроструктура легированной марганцем KNN-керамики, по-
лученной по традиционной технологии и новым способом, пред-
ставлена на рис. 3, а, б соответственно.
Как следует из рис. 3, зерна керамики имеют морфологию,
близкую к кубической, хаотично расположены. При этом зерна ке-
рамики, полученной новым способом, более мелкие, чем в случае
традиционной технологии.
Электрофизические характеристики пьезокерамики на основе
твердого раствора (K0,5Na0,5)NbO3 (KNN) представлены в табл. 2, из
которой следует, что легирующая добавка Mn проявляет интерес-
ную особенность: повышает пьезомодуль d33 как сегнетомягкая до-
бавка, но при этом уменьшает диэлектрическую проницаемость ε и
значения тангенса угла диэлектричских потерь tgδ как сегнето-
жесткая добавка [5]. Примечательно, что этот эффект проявляется
сильнее в случае пьезокерамики, полученной новым способом и ха-
рактеризующейся меньшим размером зерна.
310 Л. Г. ГУСАКОВА, В. М. ПОГИБКО, Н. А.СПИРИДОНОВ и др.
Очевидно, сегнетомягкие и донорные свойства марганца могут
проявиться при замещении марганцем ионов в узлах А кристалли-
ческой решетки перовскита АВО3, когда степень окисления Mn рав-
няется +2. При степени окисления марганца +4 и выше, наиболее
вероятно, (исходя из кристаллохимических соображений) замеще-
ние ионов ниобия в узлах В. Из-за малости ионного радиуса воз-
можно также внедрение Mn4+
в междоузлие.
Анализ результатов электрофизических измерений показывает,
что полученная велична пьезоэлектрического модуля d33 (340
мВ⋅м/Н) превосходит значения зарубежных аналогов [11], а пьезо-
чувствительность g33 почти в 4 раза превосходит пьезочувствитель-
ность лучших пьезоэлектрических материалов на основе ЦТС [11].
Полученные результаты имеют важное практическое значение.
а б
Рис. 3. Микроструктура KNN-керамики, полученной по традиционной
технологии (а) и разработанным способом (через прекурсор) (б), по дан-
ным РЭМ. Температура спекания 1100 и 1050°С соответственно.
ТАБЛИЦА 2. Электрофизические характеристики пьезокерамики на ос-
нове (K0,5Na0,5)NbO3.
Состав
материала
ε33/ε0
(1 кГц)
tgδ,%
(1 кГц)
d31,
пКл/Н
Kr
d33,
пКл/Н
g33,
мВ⋅м⋅Н−1
Vзв.,
м/с
Тс,
°С
ρ,
г/см3
Бессвинцовая пьезокерамика (традиционная керамическая технология)
KNN 250 5,66 27 0,31 160 72 3890 405 4,14
KNN + Mn 182 2,13 13 0,15 300 186 3488 410 4,29
Бессвинцовая пьезокерамика (разработанный способ)
KNN + Mn 174 2,10 16 0,14 340 220 3518 400 4,29
Свинецсодержащая пьезокерамика
ЦТССт-9
сегнетомягкий
2000±200 ≤ 2,00 ≥ 200 ≥ 0,65 ≥ 600 35—50 2200 ≥ 265 ≥ 7,5
ЦТССт-3
сегнетожесткий
1400±140 ≤ 0,55 ≥ 140 ≥ 0,55 270—350 35—50 2900 290 ≥ 7,5
БЕССВИНЦОВЫЙ НАНОСТРУКТУРНЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ (K, Nа)NbO3 311
Бессвинцовая пьезокерамика с высокой пьезочувствительностью в
сочетании с высокой степенью экологической безопасности являет-
ся особенно перспективной для применения в медицинской диагно-
стической технике. Кроме того, она с успехом может применяться в
приборах для неразрушающего контроля легких сплавов на основе
Al, Mg, Ti и др., в составе высокотемпературных датчиков, благо-
даря высокой температуре Кюри (≅ 400°С), а также в высокочастот-
ных преобразователях и других технических устройствах.
4. ВЫВОДЫ
Исследованы условия синтеза и спекания пьезокерамческого мате-
риала на основе ниобата калия—натрия (K0,5Na0,5)NbO3. Предложен
способ синтеза материала, в котором в качестве исходного сырья
используется смесь порошков двух компонентов – пентаоксида
ниобия Nb2O5 и прекурсора, который представляет собой низко-
плавкую (950°С) промежуточную оксидную систему со структурой
перовскита, содержащую ионы K, Na и Nb.
Установлено, что использование в качестве одного из исходных
компонентов низкоплавкого прекурсора позволяет интенсифициро-
вать диффузионные процессы твердофазного синтеза (K0,5Na0,5)NbO3
при пониженных температурах, способствуя тем самым получению
более мелкодисперсного однофазного синтезированного порошка ак-
тивного к спеканию. Кроме того, появляется возможность для
управления размером частиц (кристаллитов) синтезируемого по-
рошка (K0,5Na0,5)NbO3 за счёт изменения размера частиц пентаоксида
ниобия Nb2O5. В рамках теории топохимических реакций получены
уравнения для оценки размера кристаллитов фазы (K0,5Na0,5)NbO3 в
зависимости от исходного размера частиц Nb2O5.
Найдены составы ПАВ, обеспечивающие максимальные эффекты
при механоактивационном помоле смеси исходных компонентов и
синтезированного порошка, повышая степень дисперсности синте-
зированного порошка и качество спрессованных заготовок. Найде-
ны оптимальные условия спекания образцов.
Показано, что легирующая добавка Mn повышает плотность спе-
ченной керамики и является эффективной добавкой для повыше-
ния пьезочувствительности g33. Она уменьшает ε и tgδ, но почти в 2
раза, по сравнению с нелегированной пьезокерамикой, увеличивает
пьезомодуль d33 и пьезочувствительность g33. Причем, полученная
новым способом более мелкозернистая легированная Mn пьезоке-
рамика характеризуется пониженным значением ε и более высоким
значением d33, по сравнению с пьезокерамикой, изготовленной тра-
диционным методом. Полученные значения пьезомодуля d33 пре-
восходят значения зарубежных аналогов, а пьезочувствительность
g33 почти в 4 раза превосходит пьезочувствительность лучших об-
312 Л. Г. ГУСАКОВА, В. М. ПОГИБКО, Н. А.СПИРИДОНОВ и др.
разцов ЦТС-материалов.
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Е. Ringgaard and Т. Wurlitzer, J. Eur. Ceram. Soc., 25: 2701 (2005).
2. М. Matsubara, Т. Yamaguchi, and W. Sakamoto, J. Am. Ceram. Soc., 88, No. 5:
1190 (2005).
3. E. Hollenstein, M. Davis, D. Damjanovic, and N. Setter, Appl. Phys. Lett., 87:
1829 (2005).
4. H. Takao, Y. Saito, Y. Aoki, and K. Horibuchi, J. Am. Ceram. Soc., 89, No. 6:
1951 (2006).
5. Л. Г. Гусакова, Н. А. Спиридонов, Д. В. Кузенко, Н. Г. Кисель, В. М. Ищук,
Наукові праці ДонНТУ. Сер: Хімія і хімічна технологія, 5, № 163: 86
(2010).
6. Б. Яффе, У. Кук, Г. Яффе, Пьезоэлектрическая керамика (Москва: Мир: 1974).
7. А. Я. Розовский, Кинетика топохимических реакций (Москва: Химия: 1974).
8. П. Ф. Овчинников, Н. Н. Круглицкий, Н. В. Михайлов, Реология тиксо-
тропных систем (Киев: Наукова думка: 1972).
9. Л. Г. Гусакова, Н. А. Спиридонов, В. М. Погибко, Т. Е. Константинова, А. В.
Горох, Г. К. Волкова, Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології, 2,
вип. 4: 1269 (2004).
10. Л. Г. Гусакова, Н. А. Спиридонов, В. М. Погибко, Т. Е. Константинова,
Н. А. Спиридонов, Тр. Первой международной конференции «Нанострук-
турные материалы – 2008» (Минск: Белорусская наука: 2008).
11. Y. Saito, H. Takao, T. Tan, T. Nonoyama, K. Takatori, T. Homma, T. Nagaya,
and M. Nakamura, Nature, 432: 84 (2004).
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-75306 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1816-5230 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-24T15:13:00Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Гусакова, Л.Г. Погибко, В.М. Спиридонов, Н.А. Ищук, В.М. Кисель, Н.Г. 2015-01-28T19:04:46Z 2015-01-28T19:04:46Z 2012 Бессвинцовый наноструктурный пьезокерамический материал на основе (K, Na)NbO₃ / Л.Г. Гусакова, В.М. Погибко, Н.А. Спиридонов, В.М. Ищук, Н.Г. Кисель // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2012. — Т. 10, № 2. — С. 303-312. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 68.37.Lp, 77.22.Gm, 77.84.Dy, 81.05.Je, 81.07.Wx, 81.40.Tv https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/75306 Исследовано влияние условий синтеза и спекания на микроструктуру и электрофизические свойства бессвинцовой пьезокерамики на основе твёрдого раствора ниобата калия—натрия состава (K₀,₅Na₀,₅)NbO₃. Предложен способ синтеза (K₀,₅Na₀,₅)NbO₃, который позволяет интенсифицировать диффузионные процессы твёрдофазного взаимодействия исходных компонентов при пониженных температурах и открывает возможность для управления размером частиц синтезируемого порошка. Получена высокочувствительная наноструктурная бессвинцовая пьезокерамика с температурой Кюри 400°С и пьезочувствительностью g₃₃, которая почти в 4 раза превосходит пьезочувствительность лучших пьезоэлектрических материалов на основе ЦТС. Досліджено вплив умов синтези та спікання на мікроструктуру й електрофізичні властивості безолив’яної п’єзокераміки на основі твердого розчину ніобату калію—натрію (K₀,₅Na₀,₅)NbO₃. Запропоновано спосіб синтези (K₀,₅Na₀,₅)NbO₃, який уможливлює інтенсифікувати дифузійні процеси твердофазної взаємодії вихідних компонентів при знижених температурах і відкриває можливість для керування розміром частинок порошку, що синтезується. Одержано високочутливу наноструктурну безолив’яну п’єзокераміку з температурою Кюрі 400°С і п’єзочутливістю g₃₃, яка майже в 4 рази перевищує п’єзочутливість кращих п’єзоелектричних матеріялів на основі ЦТО. Influence of the synthesis and sintering conditions on the microstructure and electrophysical properties of lead-free (K₀,₅Na₀,₅)NbO₃-based piezoelectric ceramics is investigated. Synthesis method, which makes possible to reduce synthesis temperature and regulate particles’ size in synthesized powder, is developed. Nanostructure lead-free piezoelectric ceramics with the Curie point TC = 400°С is obtained. Piezoelectric sensitivity g₃₃ of the obtained ceramics almost four times exceeds the sensitivity of the best PZT-based ceramics. ru Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Бессвинцовый наноструктурный пьезокерамический материал на основе (K, Na)NbO₃ Article published earlier |
| spellingShingle | Бессвинцовый наноструктурный пьезокерамический материал на основе (K, Na)NbO₃ Гусакова, Л.Г. Погибко, В.М. Спиридонов, Н.А. Ищук, В.М. Кисель, Н.Г. |
| title | Бессвинцовый наноструктурный пьезокерамический материал на основе (K, Na)NbO₃ |
| title_full | Бессвинцовый наноструктурный пьезокерамический материал на основе (K, Na)NbO₃ |
| title_fullStr | Бессвинцовый наноструктурный пьезокерамический материал на основе (K, Na)NbO₃ |
| title_full_unstemmed | Бессвинцовый наноструктурный пьезокерамический материал на основе (K, Na)NbO₃ |
| title_short | Бессвинцовый наноструктурный пьезокерамический материал на основе (K, Na)NbO₃ |
| title_sort | бессвинцовый наноструктурный пьезокерамический материал на основе (k, na)nbo₃ |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/75306 |
| work_keys_str_mv | AT gusakovalg bessvincovyinanostrukturnyipʹezokeramičeskiimaterialnaosnoveknanbo3 AT pogibkovm bessvincovyinanostrukturnyipʹezokeramičeskiimaterialnaosnoveknanbo3 AT spiridonovna bessvincovyinanostrukturnyipʹezokeramičeskiimaterialnaosnoveknanbo3 AT iŝukvm bessvincovyinanostrukturnyipʹezokeramičeskiimaterialnaosnoveknanbo3 AT kiselʹng bessvincovyinanostrukturnyipʹezokeramičeskiimaterialnaosnoveknanbo3 |