ПОНИЖЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ СПЕКАНИЯ ПЬЕЗОМАТЕРИАЛОВ
ПУТЕМ ВВЕДЕНИЯ СТЕКЛОДОБАВКИ Bi
8
Cd
3
Ni
3
O
18
Пахомов А.С.
старший преподаватель кафедры общей и неорганической химии
Южного федерального университета,
Россия, г. Ростов-на-Дону
Карпенко К.И.
магистр кафедры общей и неорганической химии
Южного федерального университета,
Россия, г. Ростов-на-Дону
В работе исследуется влияние на процесс спекания пьзокерамики типа ЦТС введе-
нием в систему стеклодобавок.
Ключевые слова: пьезокерамика, перовскит, стеклодобавка, спекание, твердофаз-
ный синтез, ЦНВ-20, ЦТС-БС-3, ЦТС-83-Г, BaTiO
3
,
SrTiO
3
.
Под словом керамика обычно понимают самые различные изделия из
твердых материалов, как правило, неорганического происхождения. Это
фарфор и фаянс, строительные изделия и огнеупоры, абразивы и эмали, се-
гнетоэлектрические датчики и сверхпроводники. Керамические материалы
представляют собой конгломераты беспорядочно расположенных кристалли-
тов. Эти кристаллиты обычно называют зернами керамики. Очень важным
является то, что от размеров, формы и характера сил связывания, сцепления
этих зерен сильно зависят самые различные свойства керамики. Пожалуй,
наибольшее значение имеют свойства поверхности кристаллитов и межзе-
ренных границ. Все указанное в свою очередь является следствием способов
получения (технологии) керамических материалов.
Производство керамики до сих пор в большой степени является искус-
ством, где эмпирические правила намного важнее научно обоснованных за-
кономерностей. Это связано с большими трудностями экспериментального
исследования поверхностей твердых тел (их строения и физико-химических
процессов), учета всех процессов происходящих на этих поверхностях, а
также сложностью построения теоретических моделей, описывающих эти
специфические формы существования вещества. Однако в последнее время,
использование современных физических методов исследования позволяет
подробнее и строже описать происходящее в керамике, предложить модели и
теоретическое описание процессов, происходящих при формировании зерен
и межзеренных участков. Все сказанное в полной мере относится и к произ-
водству пьезокерамических материалов.
Самым главным шагом получения керамики является этап спекания.
Этот этап является и самым малоизученным. Однако именно на этапе обжига
можно как получить качественный материал с требуемыми свойствами, так и
«запороть» готовое изделие. Важнейшими составляющими этапа спекания
13
являются температурные режимы (скорость подъема и снижения температу-
ры, время выдержки материала при максимальной температуре и собственно
сама температура спекания), условия проведения обжига (участие газовой
фазы и ее состав, давление, способ и скорость удаления газообразных про-
дуктов, вакуумный вариант) и, наконец, различного рода добавки для дости-
жения требуемых результатов спекания.
В связи с этим, актуальной остаётся задача поиска новых путей сниже-
ния температуры спекания пьезокерамики, к которым, в частности, относится
метод введения стеклодобавок.
В качестве материала для исследования были взяты готовые материалы
ЦНВ-20, ЦТС-БС-3, ЦТС-83-Г и синтезированные нами по традиционной
технологии твердофазного синтеза BaTiO
3
и
SrTiO
3
. В качестве стеклодобав-
ки использовали Bi
8
Cd
3
Ni
3
O
18
.
Приготовление шихты стеклофазы проводилось следующим образом:
в необходимых соотношениях были взяты навески оксидов. После взвешива-
ния навески помещали в шаровую мельницу и перемалывали в присутствии
воды с целью качественной гомогенизации. Гомогенизация проводилась в
течение 30 минут. Затем смесь оставляли в сушильном шкафу. Затем были
взяты навески шихты для получения материалов с содержанием стеклофазы
– 1%, 1,5%, 2%, 2,5%, 3%, 3,5%, 4 % и 4,5% соответственно от массы матери-
ала ЦТС. После взвешивания шихта добавлялась в керамику, после чего про-
водилась гомогенизация. Далее навески материалов прессовались. После
прессования заготовки подверглись спеканию при режимах с максимальны-
ми температурами 900
о
С, 1000
о
С, 1100
о
С и 1200
о
С.
Для проведения электрофизических испытаний каждый спеченный об-
разец распиливался на таблетки. После подготовки поверхности на противо-
положные стороны дисков были нанесены серебряные электроды методом
высокотемпературного вжигания.
Далее образцы подвергались поляризации в разных условиях:
- в CCl
4
при комнатной температуре и напряжении 3000 В в течении
30 сек,
- в силиконовом масле при температуре 110
о
С и напряжении 3000 В в
течении 30 мин.
Параллельно с измерениями электро-физических характеристик прово-
дился микроскопический анализ структуры материала после спекания.
Введение стеклофазы приводит к очень важной модификации системы.
Поскольку в процессе спекания основным фактором скорости является диф-
фузия ионов, то введение заведомо неупорядоченной (дефектной) фазы спо-
собствует взаимной диффузии ионов между соседними зернами. Если стек-
лянная компонента системы хорошо смачивает поверхность зерен керамики,
то, как показывает практика, скорости спекания могут быть увеличены в не-
сколько раз.
Такой эффект достигается даже при небольших (единицы процента)
добавках стекол. Однако вместе с явно положительными факторами, введе-
14
ние стекла, как и любой другой посторонней фазы, может привести и к нега-
тивным последствиям.
Прежде всего, нельзя допускать заметного химического взаимодей-
ствия стекла с основной фазой керамики. Это, безусловно, может привести к
значительной или даже полной потере полезных (в нашем случае сегнето-
электрических) свойств.
Количество добавляемого в керамику стекла варьировалось в пределах
1-5 вес %. Во всех проведенных опытах, даже при температурах более 1000
о
С
не наблюдалась протечка стеклофазы из керамических образцов в процессе
спекания. Это может служить, хоть и косвенным доказательством смачива-
ния стеклом основной сегнетофазы.
Как видно из фотографий спеченной керамики, стеклофаза распреде-
лятся по границам зерен. Отсутствие заметного взаимодействия стеклофазы с
керамикой подтверждается совпадением рентгенограмм исходных материа-
лов с рентгенограммами материалов, модифицированных стеклом.
Рис. 1. ЦНВ-20 со стеклофазой Bi
8
Cd
3
Ni
3
O
18
2%, температура спекания 1000
о
С.
Рис. 2. ЦНВ-20 со стеклофазой Bi
8
Cd
3
Ni
3
O
18
2,5%, температура спекания 1000
о
С.
15
Рис. 3. ЦНВ-20 со стеклофазой Bi
8
Cd
3
Ni
3
O
18
3%, температура спекания 900
о
С.
Рис. 4. ЦТС-БС-3 со стеклофазой Bi
8
Cd
3
Ni
3
O
18
2,5%, температура спекания 1200
о
С.
Рис. 5. ЦТС-БС-3 со стеклофазой, Bi
8
Cd
3
Ni
3
O
18
5%, температура спекания 1180
о
С
16
Рис. 6. ЦНВ-20 с 3% Bi
8
Cd
3
Ni
3
O
18
Рис. 7. ЦНВ-20 с 3,5% Bi
8
Cd
3
Ni
3
O
18
Рис. 8. ЦНВ-20 без стекла
17
Рис. 9. ЦТС-БС-3 с 3% Bi
8
Cd
3
Ni
3
O
18
Рис. 10. ЦТС-БС-3 с 3,5% Bi
8
Cd
3
Ni
3
O
18
Рис.11. ЦТС-БС-3 без стекла
При введении даже небольших (менее 1%) добавок стекла в материал
ЦТС-83-Г наряду с улучшением спекаемости наблюдалось резкое уменьше-
18
ние всех электро-физических параметров. Это можно объяснить тем фактом,
что материал ЦТС-83-Г уже модифицирован стеклодобавкой GeO
2
.
Прошедшие поляризацию элементы были исследованы на предмет се-
гнетоэлектрических характеристик. Полученные результаты приведены ниже
в таблице.
Таблица
Достарыңызбен бөлісу: |