Исследование влияния температуры и давления на электрофизические параметры пьезокерамики

ВВЕДЕНИЕ 6
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ТЕМПЕРАТУРНОМУ И МЕХАНИЧЕСКОМУ СТАРЕНИЮ ПЬЕЗОКЕРАМИКИ 9
1.1 Классификация и свойства пьезокерамических материалов 9
1.1.1 Общая характеристика 9
1.1.2 Структурные особенности. Изоморфизм. Морфотропная область 11
1.2 Старение пьезокерамики системы ЦТС 12
1.2.1 Естественное старение. 12
1.2.2 Действие механического напряжения 14
1.2.3 Температурное старение 16
1.2.4 Влияние состава и микроструктуры на свойства и старение пьезокерамики 17
1.3 Механизмы старения пьезокерамики. Модели старения 22
1.3.1 Доменный механизм старения 22
1.3.2 Модель Окадзаки поляризации и старения сегнетокерамики 27
1.3.3 Механизм фазовых превращений 31
Вывод к разделу 1 34
Глава 2. МОДЕЛЬНЫЕ ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКИ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ 36
2.1 Технология изготовления пьезокерамических материалов 36
2.1.1 Синтез пьезокерамического материала 37
2.1.2 Оформление полуфабриката 38
2.1.3 Спекание (обжиг) 40
2.1.4 Механическая обработка 42
2.1.5 Нанесение электродов 44
2.1.6 Поляризация 45
2.2 Оборудование и методы измерения параметров 47
2.2.1 Измерения электрофизических параметров пьезокерамических материалов 47
2.2.2 Необратимые температурные изменения электрофизических параметров пьезокерамических элементов 51
2.2.3 Обратимые температурные изменения электрофизических параметров пьезокерамических элементов 52
2.2.4 Необратимые механические изменения электрофизических параметров пьезокерамических элементов 53
Глава 3. Экспериментальная часть 54
3.1 Обработка экспериментальных данных 54
3.1.1 Искусственная стабилизация ЭФП 57
3.1.2 Необратимые температурные изменения ЭФП пьезокерамики 61
3.1.3 Обратимые температурные изменения ЭФП кьезокерамики 62
Вывод к разделу 3 64
Заключение 66
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 67
ПРИЛОЖЕНИЕ А 69
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 70

Весь текст будет доступен после покупки

В настоящее время практически невозможно перечислить области науки и техники, где бы ни применялись преобразователи и устройства на основе пьезокерамики (ПК).
С момента открытия пьезосвойств у наполяризованной сегнетокерамики титаната бария (BaTiO3), исследователи в основном занимались разработкой других составов, обладающих более высокими показателями качеств. Сегодня очень популярны высокоэффективные пьезокерамические материалы, которые представляют собой твердые растворы цирконата и титаната свинца с добавками различных модификаторов (система ЦТС).
Расширение областей применения и ужесточение эксплуатационных режимов пьезокерамики требует, наряду с повышением уровня ее свойств, знаний о ее устойчивости к действию различных внешних факторов: температурных, влажностных, механических, электрических, радиационных и т.д. Воздействие ряда факторов можно если не исключить полностью, то по крайней мере застабилизировать; избежать же механических деформаций пьезокерамики нельзя в принципе, так как они лежат в природе пьезоэффекта (прямого и обратного), а также нельзя избежать температурных воздействий.
Процесс изменения во времени основных электрофизических параметров ПК при длительном воздействии на нее внешних факторов (или же после снятия таких воздействий) принято называть общим термином - старение.

Весь текст будет доступен после покупки

1.1.1 Общая характеристика
Пьезоэлектроника за сравнительно короткий срок (60 лет) прошла большой путь от опытных образцов простейших преобразовательных элементов (датчиков) и резонаторов на основе сегнетовой соли до массового производства прецизионных и термокомпенсированных резонаторов, термокомпенсированных микрогенераторов, устройств частотной селекции на поверхностных акустических волнах (ПАВ), сложных акустических антенн, навигационных и медицинских диагностических комплексов. В настоящее время почти нет ни одного радиотехнического комплекса и информационной системы, где не нашли бы применения пьезо- и акустоэлектронные устройства на основе пьезокерамики. История создания сегнетопьезокерамики насчитывает около 60 лет. Наиболее эффективная и широко распространенная пьезокерамика на основе твердых растворов PbZrO3-PbTiO3 является многокомпонентной системой ЦТС [1]. Широкий изоморфизм системы ЦТС позволяет получать в значительных пределах твердые растворы различных оксидов со структурой перовскита и создавать на этой основе разнообразные высокоэффективные пьезокерамические материалы. Наличие в этой системе морфотропной области (МФО) - области структурного фазового перехода - сопровождается экстремумом электрофизических свойств. Составы на основе ЦТС доминируют в общем объеме выпуска ПК, что обусловлено их функциональными возможностями: высоким значением коэффициента преобразования электрической энергии в механическую и обратно (K_p^2?0,5), широким интервалом рабочих температур (от гелиевых до +350 °С), стойкостью к дестабилизирующим факторам и т.д.
Основная фаза пьезокерамики ЦТС состоит из кристаллитов твердых растворов сегнетоэлектриков со структурой типа перовскита (рисунок 1) и с общей формулой (A1...Am) (B1...Bh)O3, где в А- подрешетке обязательно присутствуют атомы свинца, а в В- подрешетке — атомы Zr и Ti. Она относится к фазам переменного состава с сильно выраженной зависимостью собственных параметров от состава.

Рисунок 1 – Расположение ионов в соединениях АВО3 со структурой перовскита.

Рисунок 2 – Кристаллическая структура титаната бария.
Подрешетка титана (a) и кислорода (b)
В кристаллитах керамики ЦТС место иона бария (Ва2+) в решетке титаната бария (рисунок 2) занимает ион свинца (Рв2+) , а часть ионов Ti4+ изовалентно замешена на ионы Zr4+ .
На основе системы ЦТС в 60-е годы XX в. получены пьезокерамические материалы различного назначения (марки ЦТС - Россия, типа PZT - фирма "Vemitron", США); некоторые из них не утратили своей эффективности и до настоящего времени.
В конце 60-х – начале 70-х годов XX в. японскими исследователями произведен переход от системы ЦТС к трехкомпонентным системам на ее основе, например PbTiO3-PbZrO3-PbNb2/3Mg1/3O3. Это позволило повысить параметры сегнетоэлектрических твердых растворов и улучшить их спекаемость. Модифицирование твердых растворов трехкомпонентных систем на основе ЦТС различными оксидами существенно повысило их характеристики, были созданы новые типы промышленных материалов (марка ПКД – Россия, типа РСМ - фирма "Matsushita Electric", Япония). Качественный скачок в начале 70-х годов XX в. по созданию высокоэффективных сегнетопьезоматериалов связан с работами ученых Ростовского университета по переходу к многокомпонентным (4- и 5-компонентным) системам на основе ЦТС (марки ПКР – Россия). Марки широко используемых отечественных составов пьезокерамики системы ЦТС, а также типа ПКР (3-х и многокомпонентные системы на основе ЦТС) и некоторых зарубежных аналогов.

Весь текст будет доступен после покупки

1. Яффе Б., Кук У., Яффе Г. Пьезокерамическая керамика. Пер. с англ. М.: Мир, 1974.– 280 с.
2. Краморова Л.П., Тарасова Г.Б., Телеснин А.Б. Исследование диэлектрических параметров ПК третьего состава при воздействии одномерного статического сжатия. "Прикладная акустика"- П., Таганрог, 1969.
3. Ланин В.А. Старение пьезокерамики системы ЦТС под действием электрических и механических напряжений: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук: 01.04.07. – Томск, 2005. – 144 с.
4. Окадзаки К. Технология керамических диэлектриков. – М.: Энергия, 1976, 336 с.
5. Дорошенко В.А. Эффект изменения направления остаточной поляризации ПК под действием механического сжатия. / В сб. Пьезокерамические материалы и преобразователи. РГУ, 1969, с.75-88.
6. Исупов В. А. Особенности сосуществования тетрагональной и ромбоэдрической фаз в пьезокерамике на основе PbTiO3 и PbZrO3 // ФТТ.-1976, т.18,N5.- с. 921-926.
7. Земляков В.Л., Ключников С.Н. Исследование влияния температуры на свойства пьезоматериалов. – Ростов-на-Дону, 2016. – 10 с.
8. Драганчук М.В., Нагаенко А.В., Турлюн А.С. Влияние режимов стабилизации на электрофизические свойства пьезокерамики из материала ПКП-12/ Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону, 2021. – 51 с.

Весь текст будет доступен после покупки