Автореферат (Получение и электрофизические исследования новых высокотемпературных пьезоэлектрических твердых растворов и компонент с перовскитоподобными структурами), страница 2

Установлено, что пьезоэлектрические характеристики поляризованной керамики BS·xPT· xPMN возрастают при приближении ее состава к МФГ х=0,40. Для состава x=0,42: d33=410 пКл/Н, |d31|=150 пКл/Н, kp=0,43, kt=0,48, Tm(f=0,1-200 кГц)=390420 К. Этот же состав имеет весьма низкую механическую добротность QMrad=22(1),QMt=28(4), что делает его перспективным для ряда применений.5.

Определены условия синтеза методом горячего прессования высокоплотной высокотемпературной (Tc>1000 K) пьезокерамики на основе висмут-содержащих соединенийсо слоистой перовскитоподобной структурой Bi3TiNbO9, Bi2CaNb2O9 и Bi2,5Na0,5Nb2O9 сдобавками разных атомов (W, Ta, Mo, Sc, Nd, Ce, Li), получены данные о влиянии добавокна структурные, диэлектрические и пьезоэлектрические свойства этих соединений. Установлено, что образцы проявляют сегнетоэлектрические свойства с Tc, лежащей в области1060 – 1210 К, величина их пьезомодуля d33 составляет при комнатной температуре 11 - 18пКл/Н и сохраняет свое значение вплоть до 900 К.6. Определены условия и концентрационные границы образования сегнетомагнитныхтвердых растворов со структурой перовскита в системах Pb(Fe1-xMnx)2/3W1/3O3 - 0≤x≤0,8 и (1x)PbFe2/3W1/3O3·xBiFeO3 - 0≤x≤1.

Получены новые данные о структурных, диэлектрическихи магнитных характеристиках полученных твердых растворов, определены концентрационные зависимости их симметрии и размеров элементарной ячейки, электропроводности, характеристик сегнетоэлектрических-релаксорных свойств и мессбауэровских спектров.Практическая значимость работы.Разработанные в диссертационной работе технологии получения новой пьезокерамики с высокими характеристиками и сегнетомагнитных компонент для создания новых пьезоэлектрических систем имеют научную и практическую значимость, поскольку позволяют получать образцы пьезоэлектрических фаз, необходимых для обеспече-7ния фундаментальных научных исследований и разработок новых эффективных высокотемпературных пьезоматериалов.Совокупность экспериментальных данных, полученных при исследовании структуры, электрофизических и магнитных свойств синтезированных образцов, представляет интерес для раскрытия механизмов возникновения высоких пьезоэлектрических свойств,развития научных основ синтеза материалов с заданными свойствами, а также в качествесправочного материала.

Эти данные могут использоваться при разработке новых материалов электронной техники.Полученные и охарактеризованные в процессе выполнения работы образцы использовались при проведении фундаментальных научных и прикладных исследованийв ряде ведущих научных организаций страны: Физико- химическом институте им. Л.Я.Карпова, НИЦ "Курчатовский институт"; ОАО «НИИ «ЭЛПА», Южном федеральномуниверситете, Институте общей физики им.

А.М. Прохорова РАН и др. Обеспечениеэтих исследований подходящими образцами позволило получить ряд новых приоритетных научных результатов.Результаты работы используются в учебном процессе МИРЭА при чтении курсовлекций «Материалы активных диэлектриков» и «Физическая химия материалов и процессовэлектронной техники».Основные положения, выносимые на защиту:1.

Условия синтеза высокоплотной пьезокерамики твердых растворов со структурой перовскита (1-2x)BiScO3·xPbTiO3·xPbMg1/3Nb2/3O3 – BS·xPT·xPMN, 0,30≤х≤0,46и (1-x)BiScO3·xPbTiO3·yMOz - BS·xPT·yMOz, M=Mn, Ni, Cr, 0,63≤x≤0,65, 0≤y<0,02;уточненные данные о положении морфотропной фазовой границы (МФГ) в системеBS·xPT·xPMN - х=0,40.2. Данные о влиянии добавок MnO2, Ni2O3, Cr2O3 на свойства пьезокерамикиBS·xPT·yMOz, устанавливающие, что 1) добавки ~0,5 масс.% Mn или Cr понижают напорядок диэлектрические потери образцов с сохранением высоких значений их пьезомодуля (d33=400 пКл/Н) и точки Кюри (Tc~700 K); 2) возникновение в некоторых составах электретного вклада в поляризацию пьезокерамики, влияющего на пьезосвойства,их временную и температурную стабильность.3. Заключение о принадлежности твердых растворов BS·xPT·xPMN с 0,30<х≤0,42 ксегнетоэлектрикам-релаксорам, что во многом определяет особенности их диэлектриче-8ских, пьезо- и пироэлектрических свойств.

Наличие в этой системе индуцированного электрическим полем перехода из релаксорного в сегнетоэлектрическое состояние (при 320 Кдля Е=2,0 кВ/см, х=0,42) и обратного перехода (при Tc=345 К для х=0,42).4. Пьезоэлектрические характеристики керамики BS·xPT·xPMN возрастают приприближении ее состава к МФГ. Для состава x=0,42: d33=410 пКл/Н, |d31|=150 пКл/Н, kp=0,43,kt=0,48, Tm(f=0,1-200 кГц)=390-420 К. Этот же состав имеет весьма низкую механическуюдобротность QMrad=22(1), QMt=28(4), что делает его перспективным для ряда применений.5. Условия синтеза методом горячего прессования высокоплотной высокотемпературной (Tc>1000 K) пьезокерамики на основе соединений со слоистой перовскитоподобнойструктурой Bi3TiNbO9, Bi2CaNb2O9 и Bi2,5Na0,5Nb2O9 с добавками разных атомов (W, Ta, Mo,Sc, Nd, Ce, Li).

Данные о влиянии добавок на свойства этих соединений, устанавливающие,что точка Кюри образцов с добавками лежит в области 1060 – 1210 К, величина их пьезомодуля d33(296 К) составляет 11-18 пКл/Н и сохраняет свое значение вплоть до 900 К.6.

Условия и концентрационные границы образования сегнетомагнитных твердыхрастворов со структурой перовскита в системах Pb(Fe1-xMnx)2/3W1/3O3 - 0≤x≤0,8 и (1-x)PbFe2/3W1/3O3·xBiFeO3 - 0≤x≤1. Результаты структурных, диэлектрических и магнитных исследований полученных твердых растворов, определяющих концентрационные зависимости ихсимметрии и размеров элементарной ячейки, электропроводности, характеристик мессбауэровских спектров и сегнетоэлектрических-релаксорных свойств.Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивалась применением комплекса современных взаимодополняющих друг друга методов исследований,дающих согласующиеся между собой результаты. Достоверность полученных результатовподтверждается многократными измерениями экспериментальных образцов и повторяемостью результатов измерений на нескольких образцах.

Полученные экспериментальные результаты согласуются с теоретическими расчётами и данными, известными из литературы.Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на научныхконференциях, симпозиумах и совещаниях, в том числе: Межд. научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (INTERMATIC- 2010). Москва.

МИРЭА, 23– 27 ноября 2010 г.; Межд. научно-технической конференции«Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения (INTERMATIC –2012)». Москва. МГТУ МИРЭА – ИРЭ РАН, 3 – 7 декабря 2012 г.; 62-й научно-техническойконференции ФГБОУ ВПО «Московского государственного технического университета ра-9диотехники, электроники и автоматики. Москва. МГТУ МИРЭА, 13 - 27 мая 2013 года;Межд.

научно- технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронногоприборостроения» (INTERMATIC - 2014). Москва. МГТУ МИРЭА, 1 - 5 декабря 2014 г.; Int.Workshop “Phase Transitions and Ingomogeneous States in Oxides”. Kazan, Russia, 22 - 25 June2015; II-й Межд. молодежной научной конференции "Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения", г. Ростов-на-Дону. 6 – 10 сентября 2015 г.Публикации.

Основные результаты диссертации опубликованы в 12 печатных работах, включающих 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 8 прочих публикаций.Список основных публикаций приведен в конце автореферата.Личный вклад автора. Определение направлений и задач исследований, проведение основных экспериментов по разработке технологий синтеза и получению керамических пьезоэлектрических образцов, их рентгенографическим, термогравиметрическим, диэлектрическим, пьезоэлектрическим и пироэлектрическим исследованиям,по анализу и обобщению полученных результатов выполнены лично автором. Частьработ по получению пьезокерамики была выполнена в ОАО «НИИ «ЭЛПА» под руководством А.Г. Сегалла.

Исследования мессбауэровских спектров выполнены под руководством В.М. Черепанова в НИЦ «Курчатовский институт».Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов,раздела, в котором изложены основные результаты и выводы, а также списка цитированной литературы в количестве 130 наименований. Общий объем диссертации составляет145 страниц, включающих 74 рисунка и 6 таблиц.Основное содержание работыВо введении обосновывается актуальность темы и объектов исследований, сформулированы основные цели и задачи работы, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, положения, выносимые на защиту, приведены сведения о личномвкладе автора, его публикациях по теме работы, ее апробации.В первом разделе дан обзор литературы по теме исследований, в котором приводятся сведения об особенностях структуры, свойств и применений пьезоэлектрических веществ,при этом особое внимание уделено веществам со структурой перовскита и слоистого перовскита, поскольку к ним относятся изучаемые в работе фазы; приводятся данные о методах ирезультатах получения пьезокерамики наиболее перспективных пьезоэлектрических систем10– ЦТС, PMN-PT, BS-PT, Bi2O2An-1BnO3n-1, сегнетомагнитных фаз типа BiFeO3, PbFe2/3W1/3O3,анализируются особенности структуры и свойств сегнетоэлектриков-релаксоров.Во втором разделе дано описание основных экспериментальных методик и оборудования, используемых при исследованиях в диссертационной работе.Синтез образцов проводили методом обычной керамической технологии, а также методом горячего прессования.

При этом использовали электропечь СНОЛ 12/16 смикропроцессорным регулятором температуры и установку горячего прессованияУГП-2, соответственно.Рентгеновский фазовый анализ (РФА) образцов и определение кристаллографических характеристик фаз проводили на автоматизированном дифрактометре ДРОН -4с использованием CuK- или CoK-излучения.Термогравиметрический анализ (ТГА) образцов выполняли на автоматизированном дериватографе Q 1500 D системы Паулик-Эрдеи.Изучение мессбауэровких спектров (МС) проводили в области температур 78–296 Кв геометрии поглощения с помощью стандартного спектрометра MS-1104Em (разработкаНИИ Физики ЮФУ, г.

Ростов-на-Дону), работающего в режиме постоянного ускорениядвижения источника 57Co(Rh) активностью около 5 мКи. Изомерный сдвиг (IS) спектровопределяли относительно центра спектра α-Fe. Обработку спектров проводили по методунаименьших квадратов для лоренцевской формы линии с применением программыDISTRI, позволяющей восстанавливать функцию распределения по параметру спектра, ипрограммы модельной обработки SPECTR из пакета программ MSTools.Измерения температурных зависимостей диэлектрической проницаемости (T) итангенса угла диэлектрических потерь tgδ(T) образцов проведены в области T=100−900 K спомощью автоматизированного LCR-измерителя МТ-4090 фирмы Motech на частотах 0,1, 1,10, 100 и 200 кГц и измерителя иммитанса Е7-20 на частотах 25 – 106 Гц при амплитуде измерительного напряжения 0,2-1 В.