Научная статья на тему 'БЕССВИНЦОВАЯ ПЬЕЗОКЕРАМИКА: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ'

БЕССВИНЦОВАЯ ПЬЕЗОКЕРАМИКА: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
163
39
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
БЕССВИНЦОВАЯ ПЬЕЗОКЕРАМИКА / LEAD-FREE PIEZOCERAMICS / НАПРАВЛЕНИЯ ПОИСКА / TRENDS IN A SEARCH / ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА / BASIC PROPERTIES / ВИСМУТСОДЕРЖАЩИЕ КЕРАМИКИ / BISMUTH-BASED CERAMICS / РЕКОМЕНДАЦИИ / SUGGESTIONS

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Гриднев Станислав Александрович, Толстых Никита Александрович

Рассмотрено современное состояние в области поиска и исследований бессвинцовых пьезокерамических материалов для различных применений. Проведен анализ основных направлений синтеза новых экологически безопасных пьезоактивных материалов, методов их получения, измерения практически важных свойств и выявления потенциальных применений.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Гриднев Станислав Александрович, Толстых Никита Александрович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

LEAD-FREE PIEZOELECTRIC CERAMICS: A MODERN STATUS AND DEVELOPMENT PROSPECTS

The modern status of search and study of lead-free piezoceramic materials available for various applications is considered. The analysis of the basic trends in a field of synthesis of new ecologically safe piezoactive materials, methods of their manufacture, study of practically important properties and revealing potential applications are carried out.

Текст научной работы на тему «БЕССВИНЦОВАЯ ПЬЕЗОКЕРАМИКА: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ»

Статья поступила в редакцию 15.07.2011. Ред. рег. № 1091

The article has entered in publishing office 15.07.11. Ed. reg. No. 1091

УДК 666.655

БЕССВИНЦОВАЯ ПЬЕЗОКЕРАМИКА: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

С.А. Гриднев, Н.А. Толстых

Воронежский государственный технический университет 394026 Воронеж, Московский пр., д. 14 Тел.: +7(473)2466647, e-mail: mad_nik@bk.ru

Заключение совета рецензентов: 05.08.11 Заключение совета экспертов: 15.08.11 Принято к публикации: 20.08.11

Рассмотрено современное состояние в области поиска и исследований бессвинцовых пьезокерамических материалов для различных применений. Проведен анализ основных направлений синтеза новых экологически безопасных пьезоак-тивных материалов, методов их получения, измерения практически важных свойств и выявления потенциальных применений.

Ключевые слова: бессвинцовая пьезокерамика, направления поиска, основные свойства, висмутсодержащие керамики, рекомендации.

LEAD-FREE PIEZOELECTRIC CERAMICS: A MODERN STATUS AND DEVELOPMENT PROSPECTS

S.A. Gridnev, N.A. Tolstykh

Voronezh State Technical University 14 Moscow ave., Voronezh, 394026, Russia Tel.: +7(473)2466647, e-mail: mad_nik@bk.ru

Referred: 05.08.11 Expertise: 15.08.11 Accepted: 20.08.11

The modern status of search and study of lead-free piezoceramic materials available for various applications is considered. The analysis of the basic trends in a field of synthesis of new ecologically safe piezoactive materials, methods of their manufacture, study of practically important properties and revealing potential applications are carried out.

Keywords: lead-free piezoceramics, trends in a search, basic properties, bismuth-based ceramics, suggestions.

Станислав Александрович Гриднев

Сведения об авторе: д-р физ.-мат. наук, проф. кафедры физики твердого тела Воронежского государственного технического университета.

Основной круг научных интересов: сегнетоэлектрики, сегнетоэластики, релаксоры, дипольные стекла, суперионики, высокотемпературные сверхпроводники, бессвинцовая керамика, магнитоэлектрические композиты.

Публикации: более 300.

Никита Александрович Толстых

Сведения об авторе: аспирант кафедры физики твердого тела Воронежского государственного технического университета.

Основной круг научных интересов: сегнетоэлектрики, релаксоры, бессвинцовая керамика, магнитоэлектрические композиты. Публикации: 5.

Введение

Одна из основных задач, стоящая перед физическим материаловедением в последнее десятилетие, заключается в разработке новых пьезокерамических материалов, не содержащих в своем составе свинца, и постепенном вытеснении из керамической про-

мышленности свинецсодержащих материалов. Это, прежде всего, относится к пьезоэлектрической керамике цирконата-титаната свинца РЪ(2г,Т1)03 (Р2Т), которая в настоящее время широко используется в самых разных устройствах пьезотехники [1-3]. Необходимость перехода на бессвинцовые материалы обусловлена тем, что свинец относится к экологиче-

ски загрязняющим химическим элементам, а экологическое законодательство многих стран мира предусматривает исключение свинца из товаров широкого потребления. Поэтому во многих научных центрах развитых стран проводятся разработки новых материалов и их исследование с целью замены Р2Т в изделиях электронной техники.

Однако, несмотря на многочисленные поиски и выполненные исследования, разработанные до настоящего времени новые бессвинцовые материалы имеют, к сожалению, более низкие пьезоэлектрические и диэлектрические свойства по сравнению со свинецсодержащей керамикой Р2Т, что ограничивает возможности их практического использования. Тем не менее, уже накоплен богатый материал по исследованию различных бессвинцовых сегнетокерамических соединений и твердых растворов. Поэтому целью настоящей работы являлся анализ основных направлений, по которым проводятся разработки пьезокерами-ческих материалов, не содержащих в своем составе свинца; методов и способов их получения; изучение особенностей диэлектрических, пьезоэлектрических, упругих и неупругих свойств; а также разработка рекомендаций по синтезу новых соединений.

Основные направления поиска новых бессвинцовых материалов

Анализ литературы последних лет [4-7] показал, что поиски бессвинцовых материалов чаще всего концентрируются не на получении новых пьезоэлектрических соединений, а на улучшении свойств уже известных композиций путем введения легирующих добавок. Здесь наиболее востребованными оказались следующие системы: (№,В1)ТЮ3 [8-12], слоистые висмутсодержащие соединения Ы4Т13012 и твердые растворы на его основе [13-16], вольфрамовые бронзы (8г,Ва)№206 [17-19], материалы на основе (К05№0,5)№03 [20-26], твердые растворы на основе №№03 [27, 28]. В ряде случаев легирование этих систем приводило к значительному усилению диэлектрических и пьезоэлектрических свойств. В частности, в однофазных керамиках (№,В1)ТЮ3 пьезоэлектрический модуль имеет величину около 100 пКл/Н, в твердом растворе (№,В1)ТЮ3 - ВаТЮ3 происходит увеличение до значений, лежащих в пределах 120-170 пКл/Н, а легирование твердого раствора ионами Ы повышает до 200 пКл/Н [5]. Более того, в случае образования в (№,В1)ТЮ3 релаксорного состояния достигает величины 538 пКл/Н [29], сравнимой с мягкой пьезокерамики Р2Т. Пьезоэлектрические свойства системы (К05№0,5)№03 характеризуются пьезомодулем = = (80-160) пКл/Н, который после легирования сложной добавкой Ы, Та, 8Ъ повышается до 300 пКл/Н [5]. Однако для конкуренции с Р2Т нужно иметь в этих системах не только высокие пьезоэлектрические свойства, близкие к свойствам системы Р2Т, но и высокие температуры, до которых материалы сохра-

няют работоспособность, не испытывая заметной деполяризации. Для наглядности на рис. 1 с целью сравнения с Р2Т изображены зависимости от температуры Кюри (ТС) для различных материалов. Нетрудно убедиться, что обычные бессвинцовые керамические материалы явно уступают материалам семейства Р2Т. Ситуация несколько улучшается в текстурированных бессвинцовых материалах с выделенным направлением зерен керамики, хотя технология получения мелко-зеренных текстур довольно сложна.

Рис. 1. Зависимости пьезомодуля d33 при комнатной температуре от температуры Кюри для обычных бессвинцовых керамик BaTiO3; (Bi,Na,K)TiO3; (K,Na)NbO3

и керамик семейства PZT: 1 - Pb(Zr0,52Tio,48)O3; 2 - Pbo,988(Zro,48Tio,52)o,976Nbo,o24O3; 3 - коммерческий состав PZT; 4 — {(Pb0,85Ba0,15)0,9925La0,005}(Zr0,52Ti0,48)O3 Fig. 1. Dependences of piezoelectric constant d33 at room temperature on Curie temperature for conventional lead-free ceramics BaTiO3; (Bi,Na,K)TiO3; (K,Na)NbO3

and PZT family ceramics: 1 - Pb(Zr052Tio.48)O3; 2 - Pbo.988(Zro.48Tio.52)o.976Nbo.o24O3; 3 - commercially available PZT; 4 - {(Pbo.85Bao.i5)o.9925Lao.oo5}(Zro.52Tio.48)O3

В последние 10-15 лет в результате проведенных исследований было выявлено несколько направлений развития, которые прогнозируют возможность увеличения пьезоэлектрических, диэлектрических и электрических свойств, а также повышение ТС как известных, так и новых бессвинцовых сегнетокера-мических материалов.

Одно из таких направлений заключается в разработке релаксорных сегнетоэлектрических соединений и твердых растворов со сложной гетерофазной структурой. Поиск альтернатив Р2Т-составам, расположенным вблизи морфотропной фазовой границы, привел к исследованиям сложных сегнетоэлек-трических перовскитов с общей формулой А(В1, В2)03, где в позиции А свинец замещен каким-либо другим элементом, а в позициях В1 и В2 располагаются 2п, Mg, 8с, N1... и №, Та,... соответственно. В ряде случаев эти материалы, в которых ниже температуры Бернса возникают наноразмерные полярные

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 9 (101) 2011

© Scientific Technical Centre «TATA», 2011

области, полярные кластеры размером до 10 нм, вытянутые вдоль <111>, а также нано- и микродомены, распределенные в неполярной матрице, демонстрируют пьезоэлектрические и диэлектрические свойства, сравнимые с Р2Т-составами [26, 29]. При этом было установлено, что наилучшие электромеханические свойства релаксорные материалы проявляют лишь в том случае, когда они находятся в виде монокристаллов [29].

Другой подход, активно развиваемый японскими учеными, предполагает создание хорошо развитых полярных текстур в мелкозернистых бессвинцовых керамиках (№1/2В11/2)ТЮ3 - (К^Ыу^ТЮз, (№1/2В11/2)ТЮ3 - ВаТЮ3, (№1/2Ку2)№03, составы которых лежат вблизи морфотропной фазовой границы. Для этого используется направленный рост зерен в выбранном направлении с помощью новых методик [6, 30-32]. В текстурированных материалах существенно улучшаются диэлектрические и пьезоэлектрические свойства (рис. 2). Это позволяет рассматривать такой подход как один из перспективных методов получения эффективных бессвинцовых материалов. Хотя и в этом случае, как видно из рисунка, свинецсо-держащие керамики имеют явные преимущества.

Рис. 2. Зависимости пьезокоэффициента d33 от температуры Кюри для различных семейств бессвинцовой и свинецсодержащей пьезоэлектрической керамики [5] Fig. 2. Piezoelectric coefficient d33 over Curie temperature for various families of lead-free and lead-based piezoelectric ceramics [5]

В качестве следующего направления, в котором проводятся поиски улучшения свойств бессвинцовых пьезоматериалов, можно рассматривать использование промежуточных моноклинных фаз, возникающих в керамических твердых растворах вблизи морфотропной фазовой границы. Впервые такие фазы были обнаружены в Великобритании в керамике ЦТС [33], а затем и в других материалах [34], показана их роль в увеличении пьезоэлектрических и диэлектрических свойств. В моноклинной кристаллической решетке векторы спонтанной поляризации лежат в одной плоскости и поэтому сравнительно легко могут быть ориентированы в направлении

приложенного электрического поля, что приводит к резкому повышению электромеханических свойств. Хотя найти такие фазы в бессвинцовых твердых растворах вблизи морфотропной фазовой границы и использовать их для улучшения пьезоэлектрических свойств - это задача не ближайшего будущего.

Существует также подход, где при разработках пьезоэлектриков, не содержащих в своем составе свинца, предлагается использовать не гомогенные однофазные материалы, а гетерогенные пьезокомпо-зиционные материалы с разной связностью (1-3, 0-3 и 2-2) [35], которые при определенных условиях могут обладать более высокими параметрами, чем высокоплотные и структурно более совершенные образцы [36]. Однако из-за высокой стоимости изготовления композитов, связанной с использованием дорогостоящего и малопроизводительного оборудования, рынок композитных материалов пока, к сожалению, весьма ограничен.

Наконец, безусловно, продолжаются и будут продолжаться впредь классические поисковые работы по созданию бессвинцовых пьезоэлектрических соединений с новой химической формулой. Очевидно, что этот путь наиболее трудный из всех перечисленных выше и менее других гарантирует быстрый успех.

Следует отметить, что процедуры поиска, которые основаны на измерении только пьезоэлектрических коэффициентов и кристаллической структуры материалов при нулевом электрическом поле, могут быть ограничивающим фактором для получения новых материалов, поскольку при этом пренебрегается возможностью использования индуцированных полем фазовых переходов.

Висмутсодержащ ие пьезоэлектрические керамики

Вполне естественно поиск новых бессвинцовых соединений проводить прежде всего среди оксидов со структурой перовскита АВ03, так как они обладают высокой податливостью структуры к внешним воздействиям и позволяют изменять свойства материалов в широких пределах путем замещения в кристаллической решетке атомов А или В на другие атомы [37]. Одной из возможностей изменять свойства перовскитов является замена катиона В в структуре АВО3 на два различных катиона В' и В". При определенных соотношениях между ионными радиусами и зарядами может происходить катионное упорядочение, приводящее к реализации структуры упорядоченного перовскита АВ'В"03. Степень упорядочения катионов В' и В" существенно влияет как на физические свойства соединения, так и на природу происходящих в нем структурных превращений. Поэтому новую бессвинцовую керамику можно, например, попытаться получить заменой ионов РЪ2+ в перовскитовых сложных оксидах АВ'В"03 на ионы В13+, так как электронная конфигурация (6б)3 иона В13+ почти такая же, как (6б)2 у иона РЪ2+. При этом

можно ожидать, что сегнетоэлектрические или анти-сегнетоэлектрические состояния будут индуцированы в Вьсодержащих соединениях в результате гибридизации (6б)3 и 2р-орбиталей кислорода, как и в свинецсодержащих соединениях. Отметим, что несколько Вьсодержащих соединений со структурой сложного перовскита, таких как Bi(Mg05Ti05)O3 [38], В1(№0,5Т10,5)03 [39], В1Ь10,58Ъ0,50э ' [40, 41], ВiLio,6Wo,40з [42] и В1Ме2/38Ъ1/30э (где Ме = N1, гп, Со, Mg) [43], было недавно получено и исследовано в различных научных центрах.

В семействе В!Ме2/38Ь1/303, где в качестве катиона В' используется один из металлов Ме = №, гп, Со, Mg, исследования диэлектрических и упругих свойств керамических образцов [43] выявили наличие высокотемпературных фазовых переходов. Для примера на рис. 3 приведены зависимости диэлектрической проницаемости е' от температуры на частоте 1 МГц для двух соединений В1№2/^Ь1/303 и BiMg2/3Sbl/303. Видно, что при температуре ~ 765 К для первого соединения и при ~ 768 К для второго соединения наблюдаются ярко выраженные пики е'. Аналогичные высокотемпературные аномалии диэлектрической проницаемости были обнаружены и для других соединений семейства.

800

Temperature Т, К

100 500 800 700 800

Temperature Т, К b

Рис. 3. Зависимости диэлектрической проницаемости £' от температуры для BiNi2/3Sb1/3O3 (а) и BiMg2/3Sb1/3O3 (b) на частоте 1 МГц [43] Fig. 3. Dielectric permittivity £' vs. temperature for BiNi2/3Sb1/3O3 (a) and BiMg2/3Sb1/3O3 (b) at a frequency 1 MHz [43]

Измерения низкочастотного внутреннего трения 0>л и модуля сдвига О в керамических материалах В1№2/^Ь1/303 и BiMg2/3Sb1/303 (рис. 4) выявили пики 2"1 и характерные для фазовых переходов изменения О вблизи тех же температур, что и пики е'. Отметим, что аналогичные аномалии е' и механических свойств (2_1 и О) наблюдались у всей группы изучаемых составов. Таким образом, измерения диэлектрических, упругих и неупругих свойств подтвердили идею о возможных структурных фазовых переходах в синтезированных соединениях, что согласуется также с результатами тепловых и дилатометрических исследований.

0,03

0.02

0.01

■ff,

£ \ ^ '

300 400 600 600 700 800 900 Temperature Т,к

0,06

7 0,05 О с

.£ 0,04

w о.оз я

fe 0,02

0,01 0,00

т=4зо к

19

(в 5 с

з

17 -д

я 16 2

— 15

900

300 400 SOO 600 700 800

Temperature Т,К b

Рис. 4. Зависимости внутреннего трения Q"1 и модуля сдвига

G для BiNi2/3Sb1/3O3 (а) и BiMg_2oSb1/3O3 (b) Fig. 4. Dependences of internal friction Q"1 and shear modulus G for BiNi2/3Sb1/3O3 (a) and BiMg2/3Sb1/3O3 (b)

Из анализа экспериментальных данных установлено, что температура фазового перехода ТС в изученных соединениях типа АВ'В"О3 подчиняется определенному эмпирическому правилу. Оно устанавливает зависимость между ионным радиусом катиона в позиции В' и температурой ТС. Если расположить катионы В' в последовательный ряд по мере увеличения ионного радиуса, т.е. Со (0,64 А) ^ № (0,70 А) ^ Mg (0,74 А) ^ гп (0,83 А), то видно, что в такой же последовательности увеличивается ТС синтезированных соединений: 748 ^ 765 ^ 768 ^ 780 К.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 9 (101) 2011

© Scientific Technical Centre «TATA», 2011

a

a

Другим примером новой висмутсодержащей керамики может служить ВЮ0,58Ь0,5О3 [40, 41], для которой типичные зависимости диэлектрической проницаемости е', а также модуля упругости О и внутреннего трения представлены на рис. 5. Обнаруженные аномалии на кривых е' (Т) наблюдаются при тех же температурах 50, 220 и 440 °С, что и на зависимостях 0>Л(Т) и О(Т). С ростом частоты измерительного поля их температурное положение не меняется. Такое поведение характерно для свойств в области фазовых переходов, поэтому можно полагать, что пики е', и О соответствуют температурам фазовых переходов. Эти результаты нашли подтверждение при проведении дифференциального сканирующего калориметрического и дилатометрического анализов.

,t¡ ю

>

g iJ

id Cl

0,1 ,

100 200 300 400 500 ООО 700 800

Temperature T, К

a

0 100 200 300 400 500 600 700 800 Temperature Т, К b

Рис. 5. Температурные зависимости диэлектрической проницаемости £' (а), внутреннего трения Q"1 и модуля сдвига G (b) для керамики BiLio,5Sbo,5O3 Fig. 5. Temperature dependences of the dielectric permittivity £' (a), internal friction Q"1 and shear modulus G (b) for BiLi05Sb05O3 ceramics

Наблюдаемые петли диэлектрического гистерезиса Р(Е) для керамики В1Ы0,58Ъ0503 продемонстрировали ярко выраженную нелинейность, что позволило сделать вывод о том, что синтезированное соединение является сегнетоэлектриком.

В соединении В1Ы0,^0,403 кроме структурного фазового перехода при 350 °С, выявленного на основе измерений диэлектрических и механических свойств [42], обнаружен ярко выраженный процесс диэлектрической релаксации дебаевского типа (рис. 6).

Рис. 6. Температурные зависимости тангенса угла диэлектрических потерь для BiLi06W04O3 при разных частотах f, Гц: 1 - 25; 2 - 100; 3 - 200; 4 '- 2000; 5 - 10000 Fig. 6. Temperature dependences of the dielectric loss tangent for BiLi06W04O3 at various frequency f, Hz: 1 - 25; 2 - 100; 3 - 200; 4 - 2000; 5 - 10000

Оцененные по экспериментальным данным значения энергии активации релаксационного процесса и предэкспоненциального множителя т0 составили 0,68 эВ и 1,54-10-13 с соответственно. Аналогичный релаксационный процесс наблюдался ранее в пе-ровскитовых керамиках Р2Т [44] и РЪТЮ3 [45] при изучении внутреннего трения, где объяснялся на основе модели взаимодействия доменных границ с точечными дефектами [46]. Исходя из величины энергии активации и температурного положения релаксационного пика, а также результатов отжига образцов в восстановительной среде, был сделан вывод, что диэлектрическая релаксация в ВЮ0,^0,403 обусловлена взаимодействием сегне-тоэлектрических доменных границ с вакансиями по кислороду, возникающими в керамике в результате высокотемпературной обработки в процессе ее получения [47].

Таким образом, исследования новых керамических материалов, в которых вместо РЪ2+ используется В13+, свидетельствуют о перспективности этого направления для получения высокотемпературных бессвинцовых материалов. По-видимому, такие материалы могут служить основой для получения твердых растворов с морфотропной фазовой границей, вблизи которой следует проводить поиск эффективных пье-зокерамических составов. Однако получение промышленных образцов висмутсодержащей керамики требует серьезной технологической проработки.

Заключение

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

В заключение следует отметить, что за последние 5-10 лет были сделаны большие успехи в разработке новых составов пьезокерамик, не содержащих свинца, для возможной замены керамики Р2Т в устройствах электронной техники. Стимулом к поиску и исследованиям новых бессвинцовых пьезоэлектрических керамик являются, во-первых, экологические запреты по использованию Р2Т в ряде стран, так как получение Р2Т связано с обработкой свинецсодер-жащих соединений, что наносит значительный ущерб окружающей среде и здоровью человека. Во-вторых, устройства и приборы, использующие пье-зокерамические материалы, находят высокий спрос на рынке современных изделий. В частности, общий рынок только для пьезоэлектрически управляемых приводов и пьезодвигателей в 2009 г. составлял 6,6 миллиарда долларов и, согласно оценкам, к 2014 г. достигнет 12,3 миллиарда долларов. Японский рынок пьезокерамических компонентов существенно превышает 500 млн долл. в год. Мировой рынок гидроакустических устройств составляет в настоящее время 650 млн долл. в год. Отсюда видна востребованность и важность пьезоэлектрических материалов для использования в устройствах электронной техники.

Открытые к настоящему времени новые однофазные химические соединения пока еще не могут дать оптимистических прогнозов для быстрого и эффективного применения в различных приборах и устройствах. Они, безусловно, нуждаются в достаточно долгой и тщательной отработке элементов технологии получения материала и поляризации образцов с целью их упрощения и удешевления. Скорее всего, свойства этих соединений будут улучшаться путем легирования, создания твердых растворов с морфо-тропной фазовой границей на их основе и др.

Поэтому исследования в настоящее время концентрируются на ограниченном числе известных материалов. В частности, разработка бессвинцовых керамик на основе (Ка,К)№03 и (№,П)№03 является предметом ряда европейских проектов. Исследования по бессвинцовым пьезоэлектрикам, выполненные в университетах США и Японии, позволили выявить полезные пьезоэлектрические композиции в системе (Ма^Вг^ТЮ^ Другими кандидатами среди бессвинцовых систем являются перовскиты разного состава, слоистые висмутсодержащие соединения В14Т13О:2, 8гВ12№209 и вольфрамовые бронзы (8г,Ва)№206. Некоторые из этих материалов уже стали доступными для узких сегментов рынка, но они могут потребовать следующего шага оптимизации, например, улучшения механических свойств, температурной стабильности пьезоэлектрических свойств и общей надежности.

Хотя понимание проблемы поиска не содержащей свинца пьезокерамики со стороны фундаментальной науки было улучшено за последние годы,

тем не менее, текущие исследования должны быть направлены на лучшее выявление различных механизмов получения высоких деформаций, вызванных электрическим напряжением. При этом наряду с собственным пьезоэлектрическим эффектом и вкладом в пьезоэлектрический отклик движения доменных стенок необходимо рассматривать индуцированные полем фазовые переходы и вращение поляризации. Кроме того, влияние легирующих добавок на новые, не содержащие свинца пьезокерамики пока еще изучено незначительно, и такие исследования практически только начинаются.

Поэтому могут быть рекомендованы следующие предложения для развития и научного понимания новых пьезоэлектрических материалов:

1. Исследовать более широкую гамму материалов, чем в настоящее время.

2. Использовать замену свинца висмутом, что позволяет получать системы с высокими температурами Кюри в однофазных материалах, с морфотроп-ными фазовыми границами в твердых растворах, с диэлектрическими и пьезоэлектрическими свойствами, слабо зависящими от температуры.

3. Обратить особое внимание на температурную зависимость пьезоэлектрических свойств.

4. Исследовать природу сегнетоэлектрических и антисегнетоэлектрических фазовых переходов, а также индуцированных электрическим полем фазовых переходов.

5. Разрабатывать пьезоэлектрические композиционные материалы с разным типом связности, разной формой включений и разным материалом матриц.

6. Использовать компьютерное моделирование на атомном уровне для последующего синтеза не содержащей свинца пьезокерамики с наперед заданными характеристиками.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант № 09-02-97500-р_центр_а.

Список литературы

1. Setter N., Waser R. Electroceramic materials // Acta mater. 2000. Vol. 48. P. 151-178.

2. Moulson A.J., Herbert J.M. Electroceramics: Materials, Properties and Applications. New York, John Wiley & Sons Ltd., 2003.

3. Setter N. Piezoelectric Materials and Devices. Ceramics Laboratory, EPFL Swiss Federal Institute of Technology, Lausanne, 2005.

4. Aksel E., Jones J.L. Advances in Lead-Free Piezoelectric Materials for Sensors and Actuators // Sensors. 2010. Vol. 10. P. 1935-1954.

5. Rodel J., Jo W., Seifert K.T.P., Anton E-M., Granzow T, Damjanovic D. Perspective on the Development of Lead-free Piezoceramics // J. Am. Ceram. Soc. 2009. Vol. 92, No. 6. P. 1153-1177.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 9 (101) 2011

© Scientific Technical Centre «TATA», 2011

6. Wada S., Takeda K., Muraishi T., Kakemoto H., Tsurumi T., Kimura T. Domain Wall Engineering in Lead-Free Piezoelectric Grain-Oriented Ceramics // Ferroelectrics. 2008. Vol. 371. P. 11-21.

7. Leontsev S.O., Eitel R.E. Progress in engineering high strain lead-free piezoelectric ceramics // Sci. Technol. Adv. Mater. 2010. Vol. 11. P. 044302 (13 pp).

8. Jones G.O., Thomas P.A. Investigation of the structure and phase transitions in the novel A-site substituted distorted perovskite compound Nao.5Bia5TiO3. // Acta Crystallogr. B-Struct. Sci. 2002. Vol. 58. P. 168-178.

9. Hiruma Y., Nagata H., Takenaka T. Thermal depoling process and piezoelectric properties of bismuth sodium titanate ceramics.// J. Appl. Phys. 2009. Vol. 105. P. 084112.

10. Aparna M., Rachavender M., Prasad G., Kumar G.S. Electromechanical characterization of lanthanum-doped sodium bismuth titanate ceramics // Mod. Phys. Lett. B. 2006. Vol. 20. P. 475-480.

11. Adachi H., Tanaka Y., Harigai T., Ueda M., Fujii E. Large Transverse Piezoelectricity in Strained (Na,Bi)TiO3-BaTiO3 Epitaxial Thin Films on MgO(110) // Applied Physics Express. 2011. Vol. 4. P. 051501.

12. А. с. 1500985 А1 СССР МПК С 04 В 35/46. Пьезоэлектрический керамический материал / Гриднев С.А., Павлова Н.Г. // Открытия. Изобретения. 1989. № 30.

13. А. с. 1100271 А СССР МПК С 04 В 35/46. Пьезоэлектрический керамический материал / Грид-нев С.А., Павлова Н.Г., Попов В.М., Логинова З.С. // Открытия. Изобретения. 1983 № 11.

14. Остапенко С.П., Рогова С.П., Дронов И.А., Гриднев С.А. Влияние добавки вольфрама на электрофизические свойства керамики титаната висмута / В кн.: Сегнетоэлектрики и пьезоэлектрики. Калинин, 1980. С. 163-168.

15. Гриднев С.А., Попов В.М., Логинова З.С. Исследование стабильности пьезоэлектрических материалов при гелиевых температурах / В кн.: Сегнето-электрики и пьезоэлектрики. Калинин, 1984. С. 16-22.

16. Gridnev S.A., Pavlova N.G., Gorbatenko V.V., Shuvalov L.A. Newly developed multicomponent piezoceramic system for alternating pressure sensors // Ferroelectrics. 1992. Vol. 134, No. 1-4. P. 53-57.

17. Burkhanov A.I., Shilnikov A.V., Startseva O.N. et al. The slow processes of polarization relaxation in the SBN and doped SBN single crystals with tungsten bronze structure // Ferroelectrics. 2004. Vol. 299. P. 191196.

18. Андреев И. А., Шапкин В.В. Электромеханические свойства монокристаллов BaxSri-xNb2O6 // ФТТ. 1979. Т. 21, № 5. С. 1576-1578.

19. Казанцев С.Г., Макриденко Л.А., Овчаренко Т. Н. Термостабильные пьезоэлектрики с умеренной и сильной электромеханической связью для акусто-электронных устройств радиочастотных трактов и систем контроля параметров космических аппаратов // Вопросы электромеханики. 2010. Т. 117. C. 17-32.

20. Gao D., Kwok K.W., Lin D. and Chan H.L.W. Microstructure and electrical properties of La-modified K0.5Na0.5NbO3 lead-free piezoelectric ceramics // J. Phys. D: Appl. Phys. 2009. Vol. 42. P. 035411 (6 pp).

21. Birol H., Damjanovic D., Setter N. Preparation and characterization of (K0.5Na0.5)NbO3 ceramics // J. Eur. Ceram. Soc. 2006. Vol. 26, No. 6. P. 861-866.

22. Wang Y., Damjanovic D., Klein N., Hollenstein E., and Setter N. Compositional inhomogeneity in Li-and Ta-modified (K,Na)NbO3 ceramics // J. Am. Ceram. Soc. 2007. Vol. 90, No. 11. P. 3485-3489.

23. Wang Y., Damjanovic D., Klein N., Setter N. High-temperature instability of Li- and Ta-modified (K,Na)NbO3 piezoceramics // J. Am. Ceram. Soc. 2008. Vol. 91. P. 1962-70.

24. Wu L., Zhang J.L., Wang C.L., Li J.C. Influence of compositional ratio K/Na on physical properties in (KxNa:-x)NbO3 ceramics // J. Appl. Phys. 2008. Vol. 103, No. 8. P. 084116 (2008).

25. Du J., Wang J-F., Zheng L-M., Wang C-M, Qi P., Zang G-h. KNN based lead-free piezoceramics with improved thermal stability // Chin. Phys. Lett. 2009. Vol. 26, No. 2. P. 027701.

26. Wang K., Li J.-F., Zhou J.-J. High normalized strain obtained in Li-modified (K,Na)NbO3 lead-free piezoceramics // Applied Physics Express. 2011. Vol. 4. P. 061501 (3 pp).

27. Korotkov L.N., Gridnev S.A., Belousov M.A., Raevsky I.P. Study of phase transitions in the NaNbO3-PbSnO3-BaSnO3 solid solutions // Ferroelectrics. 2004. Vol. 299. P. 109-114.

28. Резниченко Л.А., Данцигер А.Я., Разумовская О.Н. и др. Закономерности изменений сегнетоэлек-трических свойств твердых растворов трехкомпо-нентных систем (Na, Li, A'0,5)NbO3 - основ сегне-топьезоэлектрических материалов // Труды международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения» (Пьезотехника - 99). Т. I. Ростов-на-Дону: РГУ, 1999. С. 89-97.

29. Yasuda N., Hashimoto S., Ohwa H., Sakurada O., Fujita K., Yamashita Y., Iwata M., Ishibashi Y. Electrical properties of lead-free relaxor ferroelectric solid solution single crystal (Na1/2Bi1/2)TiO3-BaTiO3 grown by Bridgman method // Japanese Journal of Applied Physics. 2009. Vol. 48. P. 09KC06.

30. Tani T. Crystalline-oriented bulk ceramics with a perovskite-type structure // J. Korean. Phys. Soc. 1998. Vol. 32. P. S1217-S1220.

31. Takeuchi T., Tani T., Saito Y. Piezoelectric properties of bismuth layer-structured ferroelectric ceramics with a preferred orientation processed by the reactive template grain growth method // Jpn. J. Appl. Phys., 1999. Vol. 38. P. 5553-5556.

32. Sugawara T., Shimizu M., Kimura T., Takatori K., Tani T. Fabrication of grain oriented barium titanate // Ceram. Trans. 2003. Vol. 136. P. 389-406.

33. Noheda B., Cox D.E., Shirane G., Gonzalo J.A., Cross L.E., Park S.E. A monoclinic ferroelectric phase in

the Pb(Zri.xTix)O3 solid solution // Appl. Phys. Lett. 1999. Vol. 74, No. 14. P. 2059-2061.

34. Noheda B., Cox D. E., Shirane G., Park S. E., Cross L. E., Zhong Z. Polarization rotation via a monoclinic phase in the piezoelectric 92% PbZni/3Nb2/3O3-8% PbTiO3 // Phys. Rev. Lett. 2001. Vol. 86, No. 17. P. 3891-3894.

35. Topolov V.Y., Bowen C.R. Electromechanical properties in composites based on ferroelectrics. Springer-Verlag London Limited, 2009.

36. Радченко Г.С., Турик А.В. Гигантский пьезоэлектрический эффект в слоистых композитах сегне-тоэлектрик - полимер // ФТТ. 2003. Т. 45, № 9. С. 1676-1679.

37. Александров К.С., Безносиков Б.В. Перовски-ты. Настоящее и будущее. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2004.

38. Олехнович Н.М., Салак А.Н., Пушкарев А.В., Радюш Ю.В., Вышатко Н.П., Халявин Д.Д., Ferreira V.M. Диэлектрические свойства перовскитной керамики Bi(Mgi/2Ti1/2)O3 по данным импеданс-спектроскопии // ФТТ. 2009. Т. 51, № 3. С. 543-553.

39. Inaguma Y., Katsumata T. High Pressure Synthesis, Lattice Distortion, and Dielectric Properties of a Perovskite Bi(Ni1/2Tiy2)O3 // Ferroelectrics. 2003. Vol. 286. P. 111-117.

40. Gridnev S.A., Kalgin A.V., Lisitsky D.A. Dielectric properties of new BiLi0,5Sb0,5O3 ceramics // Integrated Ferroelectrics, 2009. Vol. 109. P. 61-69.

41. Gridnev S.A., Kalgin A.V., Lisitskiy D.A. Phase transitions in new lead-free BiLi0,5Sb0,5O3 ceramics // Ferroelectrics. 2010. Vol. 399. P. 89-94. '

42. Гриднев С.А., Толстых Н.А., Володин Н.В. Диэлектрические и акустические свойства новой бессвинцовой керамики BiLi06W04O3 // Изв. РАН, сер. физ. 2010. Т. 74, № 9. С. 1315-1318.

43. Gridnev S.A., Chumakov A.P., and Kalgin A.V. Internal friction and shear modulus behavior in new lead-free BiMe2/3Sb1/3O3 (Me = Co, Mg, Ni, Zn) ceramics // Ferroelectrics. 2010. Vol. 397. P. 177-184.

44. Гриднев С.А., Даринский Б.М., Постников В.С. Внутреннее трение в сегнетокерамиках со структурой перовскита // Изв. АН СССР, Сер. Физ. 1969. Т. 33, № 7. С. 1187-1194.

45. Гриднев С.А., Массарский И.И. Новый релаксационный максимум внутреннего трения в поликристаллическом PbTiO3 // Изв. АН СССР, Сер. Неорганические материалы. 1974. № 8. С. 1510-1514.

46. Gridnev S.A. The investigation of low-frequency acoustic properties of ferroelectrics and ferroelastics by torsion pendulum technique // Ferroelectrics. 1990. Vol. 112. P. 107-127.

47. Gridnev S.A. Dielectric relaxation in disordered polar dielectrics // Ferroelectrics. 2002. Vol. 266. P. 171209.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 9 (101) 2011

© Scientific Technical Centre «TATA», 2011

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.