Роль фазовых превращений и наноструктур при получении керамики на основе магнониобата свинца с экстравысокими пьезоэлектрическими параметрами

Роль фазовых превращений и наноструктур при получении керамики на основе магнониобата свинца с экстравысокими пьезоэлектрическими параметрами

Получена пьезоэлектрическая керамика состава PMN—PT из морфотропной области диаграммы фазовых состояний вблизи состава 70/30 по традиционной керамической технологии при абсолютном отсутствии пирохлорной фазы с величиной пьезоэлектрического модуля d₃₃ = 1650 pC/N. При получении были учтены особенно...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Дата:2012
Автори: Ищук, В.М., Спиридонов, Н.А., Вовк, Е.А., Дейнека, Т.Г., Сергиенко, З.П.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2012
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/75859
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:Роль фазовых превращений и наноструктур при получении керамики на основе магнониобата свинца с экстравысокими пьезоэлектрическими параметрами / В.М. Ищук, Н.А. Спиридонов, Е.А. Вовк, Т.Г. Дейнека, З.П. Сергиенко // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2012. — Т. 10, № 3. — С. 457-466. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-75859
record_format dspace
spelling Ищук, В.М.
Спиридонов, Н.А.
Вовк, Е.А.
Дейнека, Т.Г.
Сергиенко, З.П.
2015-02-05T12:46:14Z
2015-02-05T12:46:14Z
2012
Роль фазовых превращений и наноструктур при получении керамики на основе магнониобата свинца с экстравысокими пьезоэлектрическими параметрами / В.М. Ищук, Н.А. Спиридонов, Е.А. Вовк, Т.Г. Дейнека, З.П. Сергиенко // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2012. — Т. 10, № 3. — С. 457-466. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.
1816-5230
PACSnumbers:77.22.-d,77.65.-j,77.80.-e,77.84.Dy,81.05.Je,81.07.Bc,81.40.Tv
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/75859
Получена пьезоэлектрическая керамика состава PMN—PT из морфотропной области диаграммы фазовых состояний вблизи состава 70/30 по традиционной керамической технологии при абсолютном отсутствии пирохлорной фазы с величиной пьезоэлектрического модуля d₃₃ = 1650 pC/N. При получении были учтены особенности фазового перехода «пирохлор—перовскит» в данной системе. Другим фактором, обеспечившим высокие свойства, является двухуровневая композитная внутрикристаллитная структура керамики масштабов 20—30 нм и 4—10 нм, которая создаётся в процессе фазовых превращений и которой можно управлять за счёт внешних воздействий. Приводятся результаты изучения зависимости свойств керамики из морфотропной области от соотношения компонентов твёрдого раствора.
Одержано п’єзоелектричну кераміку складу PMN—PT з морфотропної области діяграми фазових станів поблизу складу 70/30 за традиційною керамічною технологією при абсолютній відсутності пірохльорної фази із значенням п’єзоелектричного модуля d₃₃ = 1650 pC/N. При одержанні було враховано особливості фазового перетворення «пірохльор—перовськіт» в цій системі. Іншим фактором, що забезпечує високий рівень властивостей, є дворівнева композитна внутрішньокристалітна структура кераміки масштабів 20—30 нм та 4—10 нм, яка створюється в процесі фазових перетворень і якою можна керувати за рахунок зовнішніх впливів на матеріял. Наведено результати дослідження залежностей властивостей кераміки з морфотропної области фазової діяграми від співвідношення компонентів твердого розчину.
Piezoceramics of the lead—magnesium niobate—lead titanate (PMN—PT) solid solution with the composition of about 70/30 (from the morphotropic region of the phase diagram) without pyrochlore phase and with the piezoelectric modulus d₃₃ = 1650 pC/N is obtained by traditional ceramic technology. Peculiarities of the phase transition ‘pyrochlore—perovskite’ in this system are taken into account, when the synthesis of solid solution is performed. Twolevel composite intracrystalline structure of ceramics with scales of 20—30 nm and 4—10 nm provides high piezoelectric parameters of ceramic elements. This two-level structure is created during phase transformations and can be controlled by external actions. The results of the investigation of the dependence of ceramic properties on the ratio of solid-solution components (for the morphotropic region) are presented.
ru
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Роль фазовых превращений и наноструктур при получении керамики на основе магнониобата свинца с экстравысокими пьезоэлектрическими параметрами
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Роль фазовых превращений и наноструктур при получении керамики на основе магнониобата свинца с экстравысокими пьезоэлектрическими параметрами
spellingShingle Роль фазовых превращений и наноструктур при получении керамики на основе магнониобата свинца с экстравысокими пьезоэлектрическими параметрами
Ищук, В.М.
Спиридонов, Н.А.
Вовк, Е.А.
Дейнека, Т.Г.
Сергиенко, З.П.
title_short Роль фазовых превращений и наноструктур при получении керамики на основе магнониобата свинца с экстравысокими пьезоэлектрическими параметрами
title_full Роль фазовых превращений и наноструктур при получении керамики на основе магнониобата свинца с экстравысокими пьезоэлектрическими параметрами
title_fullStr Роль фазовых превращений и наноструктур при получении керамики на основе магнониобата свинца с экстравысокими пьезоэлектрическими параметрами
title_full_unstemmed Роль фазовых превращений и наноструктур при получении керамики на основе магнониобата свинца с экстравысокими пьезоэлектрическими параметрами
title_sort роль фазовых превращений и наноструктур при получении керамики на основе магнониобата свинца с экстравысокими пьезоэлектрическими параметрами
author Ищук, В.М.
Спиридонов, Н.А.
Вовк, Е.А.
Дейнека, Т.Г.
Сергиенко, З.П.
author_facet Ищук, В.М.
Спиридонов, Н.А.
Вовк, Е.А.
Дейнека, Т.Г.
Сергиенко, З.П.
publishDate 2012
language Russian
container_title Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
publisher Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
format Article
description Получена пьезоэлектрическая керамика состава PMN—PT из морфотропной области диаграммы фазовых состояний вблизи состава 70/30 по традиционной керамической технологии при абсолютном отсутствии пирохлорной фазы с величиной пьезоэлектрического модуля d₃₃ = 1650 pC/N. При получении были учтены особенности фазового перехода «пирохлор—перовскит» в данной системе. Другим фактором, обеспечившим высокие свойства, является двухуровневая композитная внутрикристаллитная структура керамики масштабов 20—30 нм и 4—10 нм, которая создаётся в процессе фазовых превращений и которой можно управлять за счёт внешних воздействий. Приводятся результаты изучения зависимости свойств керамики из морфотропной области от соотношения компонентов твёрдого раствора. Одержано п’єзоелектричну кераміку складу PMN—PT з морфотропної области діяграми фазових станів поблизу складу 70/30 за традиційною керамічною технологією при абсолютній відсутності пірохльорної фази із значенням п’єзоелектричного модуля d₃₃ = 1650 pC/N. При одержанні було враховано особливості фазового перетворення «пірохльор—перовськіт» в цій системі. Іншим фактором, що забезпечує високий рівень властивостей, є дворівнева композитна внутрішньокристалітна структура кераміки масштабів 20—30 нм та 4—10 нм, яка створюється в процесі фазових перетворень і якою можна керувати за рахунок зовнішніх впливів на матеріял. Наведено результати дослідження залежностей властивостей кераміки з морфотропної области фазової діяграми від співвідношення компонентів твердого розчину. Piezoceramics of the lead—magnesium niobate—lead titanate (PMN—PT) solid solution with the composition of about 70/30 (from the morphotropic region of the phase diagram) without pyrochlore phase and with the piezoelectric modulus d₃₃ = 1650 pC/N is obtained by traditional ceramic technology. Peculiarities of the phase transition ‘pyrochlore—perovskite’ in this system are taken into account, when the synthesis of solid solution is performed. Twolevel composite intracrystalline structure of ceramics with scales of 20—30 nm and 4—10 nm provides high piezoelectric parameters of ceramic elements. This two-level structure is created during phase transformations and can be controlled by external actions. The results of the investigation of the dependence of ceramic properties on the ratio of solid-solution components (for the morphotropic region) are presented.
issn 1816-5230
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/75859
citation_txt Роль фазовых превращений и наноструктур при получении керамики на основе магнониобата свинца с экстравысокими пьезоэлектрическими параметрами / В.М. Ищук, Н.А. Спиридонов, Е.А. Вовк, Т.Г. Дейнека, З.П. Сергиенко // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2012. — Т. 10, № 3. — С. 457-466. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT iŝukvm rolʹfazovyhprevraŝeniiinanostrukturpripolučeniikeramikinaosnovemagnoniobatasvincasékstravysokimipʹezoélektričeskimiparametrami
AT spiridonovna rolʹfazovyhprevraŝeniiinanostrukturpripolučeniikeramikinaosnovemagnoniobatasvincasékstravysokimipʹezoélektričeskimiparametrami
AT vovkea rolʹfazovyhprevraŝeniiinanostrukturpripolučeniikeramikinaosnovemagnoniobatasvincasékstravysokimipʹezoélektričeskimiparametrami
AT deinekatg rolʹfazovyhprevraŝeniiinanostrukturpripolučeniikeramikinaosnovemagnoniobatasvincasékstravysokimipʹezoélektričeskimiparametrami
AT sergienkozp rolʹfazovyhprevraŝeniiinanostrukturpripolučeniikeramikinaosnovemagnoniobatasvincasékstravysokimipʹezoélektričeskimiparametrami
first_indexed 2025-11-25T22:19:37Z
last_indexed 2025-11-25T22:19:37Z
_version_ 1850562605076185088
fulltext 457 PACS numbers: 77.22.-d, 77.65.-j,77.80.-e,77.84.Dy,81.05.Je,81.07.Bc, 81.40.Tv Роль фазовых превращений и наноструктур при получении керамики на основе магнониобата свинца с экстравысокими пьезоэлектрическими параметрами В. М. Ищук, Н. А. Спиридонов, Е. А. Вовк*, Т. Г. Дейнека*, З. П. Сергиенко* Научно-технологический центр «Реактивэлектрон» НАН Украины, ул. Бакинских комиссаров, 17а, 83049 Донецк, Украина *Институт монокристаллов НАН Украины, просп. Ленина, 60, 61001 Харьков, Украина Получена пьезоэлектрическая керамика состава PMN—PT из морфотроп- ной области диаграммы фазовых состояний вблизи состава 70/30 по тра- диционной керамической технологии при абсолютном отсутствии пи- рохлорной фазы с величиной пьезоэлектрического модуля d33 = 1650 pC/N. При получении были учтены особенности фазового перехода «пи- рохлор—перовскит» в данной системе. Другим фактором, обеспечившим высокие свойства, является двухуровневая композитная внутрикристал- литная структура керамики масштабов 20—30 нм и 4—10 нм, которая со- здаётся в процессе фазовых превращений и которой можно управлять за счёт внешних воздействий. Приводятся результаты изучения зависимо- сти свойств керамики из морфотропной области от соотношения компо- нентов твёрдого раствора. Одержано п’єзоелектричну кераміку складу PMN—PT з морфотропної об- ласти діяграми фазових станів поблизу складу 70/30 за традиційною ке- рамічною технологією при абсолютній відсутності пірохльорної фази із значенням п’єзоелектричного модуля d33 = 1650 pC/N. При одержанні бу- ло враховано особливості фазового перетворення «пірохльор—перовськіт» в цій системі. Іншим фактором, що забезпечує високий рівень властивос- тей, є дворівнева композитна внутрішньокристалітна структура кераміки масштабів 20—30 нм та 4—10 нм, яка створюється в процесі фазових перет- ворень і якою можна керувати за рахунок зовнішніх впливів на матеріял. Наведено результати дослідження залежностей властивостей кераміки з морфотропної области фазової діяграми від співвідношення компонентів твердого розчину. Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2012, т. 10, № 3, сс. 457—466 © 2012 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 458 В. М. ИЩУК, Н. А. СПИРИДОНОВ, Е. А. ВОВК и др. Piezoceramics of the lead—magnesium niobate—lead titanate (PMN—PT) solid solution with the composition of about 70/30 (from the morphotropic region of the phase diagram) without pyrochlore phase and with the piezoelectric modulus d33 = 1650 pC/N is obtained by traditional ceramic technology. Pe- culiarities of the phase transition ‘pyrochlore—perovskite’ in this system are taken into account, when the synthesis of solid solution is performed. Two- level composite intracrystalline structure of ceramics with scales of 20—30 nm and 4—10 nm provides high piezoelectric parameters of ceramic elements. This two-level structure is created during phase transformations and can be controlled by external actions. The results of the investigation of the depend- ence of ceramic properties on the ratio of solid-solution components (for the morphotropic region) are presented. Ключевые слова: пьезоэлектрическая керамика, магнониобат свинца, сегнетоэлектрик, антисегнетоэлектрик, фазовый переход, локальный распад. (Получено 11 октября 2010 г.) 1. ВВЕДЕНИЕ В течение последних более чем 40 лет основой для керамических пьезоэлектрических материалов являются твердые растворы цир- коната—титаната свинца. Это обусловлено сравнительно высокими значениями пьезоэлектрических параметров, простой и хорошо от- работанной технологией получения и их низкой стоимостью. В по- следние годы разработчики материалов стали проявлять повышен- ный интерес к твердым растворам на основе магнониобата и цинко- ниобата свинца: (1−х)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3—хPbTiO3 (PMN—PT) и (1−x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3—xPbTiO3 (PZN—PT). Для кристаллов первого ряда твердых растворов величина пьезомодуля d33 достигает значе- ния 2000 pC/N, а для кристаллов второго ряда доходит до 4000 pC/N [1—3]. Несмотря на то, что кристаллы обладают высокими пьезоэлек- трическими характеристиками, получить керамические элементы со сравнимыми значениями параметров пока не удавалось. В таблице 1, взятой из обзора [4], выполнено сравнение парамет- ров кристаллических и керамических элементов твердого раствора 0,65Pb(Mg1/3Nb2/3)O3—0,35PbTiO3 (PMN—PT 65/35). Как видно, раз- личие является более чем существенным. При синтезе твердых растворов на основе PMN—PT (это же отно- сится и к твердым растворам системы PZN—PT),основная проблема связана с появлением в объеме образцов фазы с кристаллической структурой пирохлора. Эта фаза является пьезоэлектрически неак- тивной, и ее появление сопровождается снижением пьезоэлектри- ческой активности материала. При обычном твердофазном синтезе РОЛЬ ПРЕВРАЩЕНИЙ И НАНОСТРУКТУР ПРИ ПОЛУЧЕНИИ КЕРАМИКИ 459 с использованием в качестве исходных компонентов оксидов и кар- бонатов металлов избавиться от пирохлорной фазы пока не удава- лось никому. Типичная дифрактограмма синтезированного твердо- го раствора для этого случая приведена на рис. 1. В последние годы эту проблему пытаются решить за счет того, что предварительно синтезируют промежуточный продукт (напри- мер, колумбит), а затем, добавляя оксид свинца, синтезируют ко- нечный продукт [5, 6]. Но, как известно, при использовании про- межуточных синтезов на каждом этапе реакция твердофазного син- теза проходит не полностью. А это, как правило, приводит к появ- лению в объеме образцов пьезоэлектрически неактивных рассеива- ющих центров и, как следствие, к невысоким значениям пьезоэлек- трических параметров керамических элементов. Были предприняты многочисленные попытки получения тек- стурированной керамики с высокой пьезоактивностью. Но и они на сегодняшний день не дали обнадеживающего результата: либо свойства низкие, либо используемые методы являются экзотиче- скими (например, прессование в поле сверхпроводящего соленои- да). Получены значения d33 не выше 900 pC/N [7, 8, 9]. Целью настоящей работы было исследование возможностей со- здания и получение керамических элементов на основе твердых растворов PMN—PT без содержания пирохлорной фазы и непрореа- гировавших компонентов. А также получение пьезоэлектрических элементов с высоким уровнем пьезоэлектрических параметров (например, с величиной пьезоэлектрического модуля d33 на уровне 1200—1500 pC/N), основываясь на результатах предыдущих иссле- дований фазовых превращений. 2. МЕТОДЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ Для получения шихты использовали модифицированный метод твердофазного синтеза. В качестве сырья использовали оксиды и карбонаты соответствующих металлов. Синтез выполняли при тем- пературах 850—1000°С в течение 2-х часов. После синтеза порошок ТАБЛИЦА 1. Пьезоэлектрические характеристики монокристал- лов и керамики состава 0,65Pb(Mg1/3Nb2/3)O3—0,35PbTiO3 [4]. Ориентация при поляризации k31 33 Еε Q31 d31 (pC/N) d31 (pC/N) (теор.) (001)/(001) 0,48 5500 230 −650 −1163 (001)/(110) 0,76 5500 210 −850 −1163 (110)/(001) 0,85 3500 300 −1200 −1644 Керамика 0,32 1643 764 −168 −630 460 В. М. ИЩУК, Н. А. СПИРИДОНОВ, Е. А. ВОВК и др. измельчали до удельной поверхности 1,80—2,50 м 2/г. Спекание керамических заготовок диаметром 10 мм и толщиной 1,15 мм выполняли в интервале температур 1000—1050°С в течение 1—2 часов при скорости нагрева 100°С/час. Качество спеченной ке- рамики контролировали путем определения геометрической плот- Рис. 1. Вверху – панорамные дифрактограммы твердого раствора 0,7Pb(Mg1/3Nb2/3)O3—0,3PbTiO3, синтезированного двумя различными спо- собами: 1 – по обычной керамической технологии из оксидов и карбона- тов металлов, 2 – по модифицированной технологии из оксидов и карбо- натов металлов с учетом условий стабильности кристаллических фаз. Внизу – мелкомасштабная (по интенсивности) дифрактограмма твердого раствора 0,7Pb(Mg1/3Nb2/3O3—0,3PbTiO3, синтезированного по модифици- рованной технологии с учетом стабильности кристаллических фаз, в рай- оне рентгеновских линий пирохлорной фазы (1, 2, 3). Дуги показывают места положения линий пирохлорной фазы. РОЛЬ ПРЕВРАЩЕНИЙ И НАНОСТРУКТУР ПРИ ПОЛУЧЕНИИ КЕРАМИКИ 461 ности, а также кажущейся плотности и пористости методом гидро- статического взвешивания. Рентгеновские структурные исследования были выполнены на порошковом дифрактометре SIEMENS D-500 с использованием Ge- монохроматора (CuKα-излучение с длиной волны 1,54056 Å) и газо- вого позиционно чувствительного детектора BRAUN. Микроскопические исследования выполняли методом просвечи- вающей электронной микроскопии (ПЭМ) (микроскоп JEM-200, фирмы JEOL, Япония) 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 [10]. Пьезомодуль d33 определяли статическим методом [10]. Петли диэлектрического гистерезиса были получены по методу Сойера—Таура при частоте сканирования электрического поля 0,005 Гц. 3. СИНТЕЗ И СПЕКАНИЕ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ НА ОСНОВЕ PMN Нами разработан модифицированный метод твердофазного синтеза, в основе которого лежат полученные ранее знания о стабильности различных фаз в указанной системе твердых растворов и об особен- ностях фазового перехода «пирохлор—перовскит». На рисунке 1 при- ведены дифрактограммы твердого раствора 0,7Pb(Mg1/3Nb2/3)O3— 0,3PbTiO3, принадлежащего морфотропной области диаграммы фа- зовых состояний системы (1−х)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3—хPbTiO3 (PMN—PT). Твердые растворы были получены из оксидов и карбонатов металлов компонентов твердого раствора. Как видно, в синтезированных ма- териалах нет пирохлорной составляющей. Аналогичные попытки синтеза твердых растворов PMN—PT (следует подчеркнуть, что при игнорировании возможных фазовых переходов в указанной системе) велись более 50 лет, однако их нужно признать неуспешными. Как показал более точный полнопрофильный анализ (метод Ритвельда), если пирохлорная фаза и присутствует в наших образцах, то ее коли- чество не превышает 0,2%. Полученная в процессе синтеза шихта имела гранулярный состав от 1,0 до 2,5 мкм, она легко прессуется. Кривая усадки шихты в процессе спекания представлена на рис. 2. Как видно, спекание керамических образцов начинается при 650°С. Такое спекание является достаточно низкотемператур- ным. Мы выполняли окончательное спекание керамических эле- ментов при температурах 1000—1050°С, относительная плотность спеченной керамики была на уровне 98% от теоретической и выше. Керамические образцы толщиной 1 мм на вид были желтоватого оттенка и почти прозрачными. 462 В. М. ИЩУК, Н. А. СПИРИДОНОВ, Е. А. ВОВК и др. 4. СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ PMN—PT В данной работе были синтезированы и исследованы твердые раство- ры с содержанием титаната свинца от 24 до 36 моль%. Этот интервал концентраций полностью перекрывает морфотропную область диа- граммы фазовых состояний системы твердых растворов PMN—PT. Фрагмент фазовой диаграммы системы PMN—PT в районе морфо- тропной области по данным [11] показан на вставке к рис. 3. Допол- нительно к этим твердым растворам были синтезированы и исследо- ваны твердые растворы того же состава по основным компонентам, но дополнительно содержащие 0,005 вес.% оксида марганца (MnO2). Диэлектрические измерения показали, что температурные зави- симости диэлектрической проницаемости (действительной и мни- мой составляющих) твердых растворов с различным содержанием титаната свинца близки к тем, которые приводятся в литературе для твердых растворов того же состава. Положения точек Кюри совпадают с теми, что приведены на типичной диаграмме фазовых состояний системы PMN—PT на рис. 3. Введение марганца не при- водит к смещению точек Кюри, однако диэлектрическая проницае- мость керамических элементов повышается. При выполнении поляризационных измерений установлено сле- дующее. Как величина коэрцитивной силы, так и остаточной поля- ризации монотонно увеличиваются при увеличении содержания титаната свинца в твердом растворе во время прохождения через морфотропную область. Такое поведение является отличным от то- го, которое наблюдается в классических твердых растворах на ос- нове цирконата—титаната свинца из морфотропной области. Типичные зависимости физических параметров для твердых рас- творов на основе ЦТС приведены на рис. 4 [12]. Как видно, все они Рис. 2. Дилатометрическая кривая спекания твердого раствора 0,7Pb(Mg1/3Nb2/3)O3—0,3PbTiO3. Скорость нагрева– 10 град/мин. РОЛЬ ПРЕВРАЩЕНИЙ И НАНОСТРУКТУР ПРИ ПОЛУЧЕНИИ КЕРАМИКИ 463 имеют экстремальный характер в морфотропной области. Рис. 3. Концентрационные зависимости коэрцитивной силы Ес (1, 2) и остаточной поляризации Pr (1′, 2′) в твердых растворах без марганца (1, 1′) и с марганцем (2, 2′). На вставке – фрагмент диаграммы состояний твер- дых растворов PMN—PT в районе морфотропной области по [11]. Рис. 4. Зависимости параметров твердых растворов ЦТС (в районе мор- фотропой области) от содержания титана [12]. 464 В. М. ИЩУК, Н. А. СПИРИДОНОВ, Е. А. ВОВК и др. Введение марганца в твердые растворы приводит к возрастанию остаточной поляризации и снижению коэрцитивной силы. Следует также отметить большую степень прямоугольности петель гистере- зиса в твердых растворах, содержащих марганец (рис. 5). Как из- вестно из литературы, в твердых растворах на основе ЦТС картина имеет противоположный вид – марганец приводит к повышению степени жесткости керамики. Но следует отметить, что в ЦТС дан- ные приводятся для несколько большего содержания марганца. Для определения режимов поляризации керамических элемен- тов выполнены измерения температурных зависимостей поляриза- ционных параметров керамики. Типичная картина приведена на рис. 6. При возрастании температуры остаточная поляризация и Рис. 5. Петли диэлектрического гистерезиса твердого раствора PMN—PT 73/27 без марганца (слева) и с марганцем (справа). Рис. 6. Петли диэлектрического гистерезиса твердого раствора PMN—PT 67/33 при температурах Т = 22°С и Т = 86°С. РОЛЬ ПРЕВРАЩЕНИЙ И НАНОСТРУКТУР ПРИ ПОЛУЧЕНИИ КЕРАМИКИ 465 коэрцитивная сила понижаются. Эти данные, а также знание осо- бенностей фазовых переходов в системе твердых растворов PMN— PT [13, 14], позволили выбрать оптимальные режимы поляриза- ции. В результате были получены пьезоэлектрические элементы со следующими значениями основных параметров: пьезоэлектриче- ский модуль d33 порядка 1300 pC/N и выше, коэффициент электро- механической связи kr = 0,64—0,66 для образцов без марганца и d33 порядка 1600 pC/N для образцов с марганцем. Параметры получен- ных элементов приведены в табл. 2. 5. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ При получении пьезоэлектрической керамики на основе твердых растворов PMN—PT исследователи и разработчики столкнулись с двумя проблемами: трудности в получении однофазного продукта на этапе синтеза материала и трудности придания материалу высо- ких пьезоэлектрических свойств на этапе получения керамических рабочих элементов. Попытки разрешить эти проблемы традицион- ными методами к успеху не привели (см. табл. 1). Мы подошли к решению указанных вопросов с точки зрения фи- зики фазовых превращений. На первом этапе использовали особен- ности фазовых превращений «перовскит—пирохлор», а именно, слабую стабильность кристаллической структуры в момент струк- турного фазового превращения. Мы совместили температурный ин- тервал структурного фазового превращения с температурным ин- тервалом твердофазного синтеза. Получили однофазный продукт в результате очень простого синтеза. Решение второй проблемы – придания керамическим элементам высоких пьезоэлектрических свойств – с практической точки зре- ния оказалось более простой проблемой. Но оказалось очень слож- ной проблемой с точки зрения донесения полученного решения до умов исследователей, занимающихся исследованиями физических свойств твердых растворов PMN—PT. В литературе укоренилась точка зрения на эти твердые растворы ТАБЛИЦА 2. Параметры пьезоэлектрических керамических элементов (h = 1,0 мм, d = 8,5 мм), полученных в данной работе. PMN—PT 70/30 Номер партии C, пФ tgδ d33, pC/N kr 1 2 3 4(+MnO2) 1385 1407 1520 1500 0,0114 0,0145 0,0132 0,012 1200 1330 1260 1600—1650 0,645 0,645 0,643 0,62 466 В. М. ИЩУК, Н. А. СПИРИДОНОВ, Е. А. ВОВК и др. как на «релаксорные сегнетоэлектрики». Исходя из этих представ- лений, и получают керамику с теми параметрами, которые приве- дены в табл. 1. Мы придерживаемся другой точки зрения – счита- ем, что PMN является неоднородным антисегнетоэлектриком, в ко- тором одновременно с доменами АСЭ-фазы сосуществуют домены СЭ-фазы [13—14]. Сосуществование доменов указанных фаз приво- дит к ряду особенностей физических свойств твердых растворов на основе PMN. В нашем случае это долговременный процесс локаль- ного распада твердого раствора вблизи границ раздела фаз [15, 16]. Вследствие длительности процесса, составляющей несколько часов, им легко управлять за счет внешних воздействий. В частности, об- разующуюся структуру сегрегатов нанометрового масштаба можно упорядочивать электрическим полем. При подборе оптимальных режимов процесса мы получили пьезоэлектрическую керамику на основе PMN—PT с пьезоэлектрическим модулем d33 более 1600 pC/N. ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. J. Kuwata, K. Uchino, and J. Nomura, Jap. J. Appl. Phys., 21, No. 9: 1298 (1982). 2. R. Shang, B. Jiang, and W. Cao, Appl. Phys. Lett., 82, No. 21: 3737 (2003). 3. S. E. Park and T. R. Shrout, J. Appl. Phys., 82: 1804 (1997). 4. G. Sebald, L. Lebrun, B. Guiffard, and D. Guyomar, J. Europ. Cer. Soc., 25: 2509 (2005). 5. S. L. Swart and T. R. Shrout, Mat. Res. Bull., 17: 1245 (1982). 6. M. Alguero and C. Alemany, J. Europ. Cer. Soc., 24: 937 (2004). 7. E. M. Sabolsky, A. R. James, S. Kwon et al., Appl. Phys. Lett., 78, No. 17: 2551 (2001). 8. E. M. Sabolsky, S. Trolier-McKinstry, and G. L. Messing, J. Appl. Phys., 93, No. 7: 4072 (2003). 9. Y. C. Zhou, J. Liu, and J. Y. Li, Appl. Phys. Lett., 86, No. 26: 262909 (3) (2005). 10. IEEE Standard on Piezoelectricity, IEEE Standard 176—1978. 11. G. Xu, D. Viland, J. F. Li, and G. Shirane, Phys. Rev., 68: 212410 (4) (2003). 12. V. M. Ishchuk, V. N. Baumer, and T. S. Teplitskaya, Ferroelectrics, 298: 129 (2004). 13. V. M. Ishchuk, Ferroelectrics, 256: 75 (2001). 14. V. M. Ishchuk, Ferroelectrics, 289: 33 (2003). 15. V. M. Ishchuk, Z. A. Samoylenko, and V. L. Sobolev, J. Phys.: Condens. Matter, 18: 11371 (2006). 16. V. M. Ishchuk, Z. A. Samoylenko, and V. L. Sobolev, Ferroelectrics, 377: 36 (2008).

Схожі ресурси