Фазовые переходы и процессы релаксации в бессвинцовых керамических материалах Bi(B'B")O3, где B'=Li, Co, Ni, Mg, Zn; B"=Sb, W

• Автор: Толстых, Никита Александрович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 100 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ БЕССВИНЦОВОЙ ПЬЕЗОКЕРАМИКИ ( обзор)

1.1. Причины поиска новых бессвинцовых материалов

1.2. Направления поиска бессвинцовых высокоэффективных составов

1.3. Вистмутсодержащие пьезоэлектрические керамики

1.4. Рекомендации по разработке новых бессвинцовых керамик

ГЛАВА 2. ПОЛУЧЕНИЕ ОБРАЗЦОВ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

2.1. Получение образцов

2.2. Установка для исследования диэлектрических параметров

2.3. Установка для измерения упругих и неупругих свойств
2.4. Установка для изучения электрического сопротивления 48 ГЛАВА 3. ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ В НОВЫХ
КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ В1(В'В")03,
где В'=Ы, Со, №, М&, гп, В"=БЬ, XV
3.1. Диэлектрические исследования в широком интервале
частот и температур
3.2. Упругие и неупругие свойства 57 ГЛАВА 4. ПРОЦЕССЫ РЕЛАКСАЦИИ В НОВЫХ БЕССВИНЦОВЫХ
МАТЕРИАЛАХ
4.1. Механическая релаксация в В1Ме2/з8Ь1/30з (Ме = Со, №, Mg, Хп)
4.2. Диэлектрическая релаксация в BiLio.6Wo.4O3
4.3. Поляризационный 1/Й шум в № и Хп-составах
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
БЛАГОДАРНОСТЬ
ЛИТЕРАТУРА
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Важнейшей задачей, стоящей перед физическим материаловедением в последнее время, является разработка новых диэлектрических и пьезокерамических материалов, не содержащих в своем составе свинца, и постепенное вытеснение из керамической промышленности свинецсодержащих материалов. В первую очередь это относится к пьезоэлектрической керамике цирконата-титаната свинца РЬ(2г/П)Оз (PZ), которая в настоящее время широко используется в самых разных устройствах пьезотехники. Необходимость перехода на бессвинцовые материалы обусловлена тем, что свинец относится к экологически 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 исследования с целью замены PZ в изделиях электронной техники. Уже накоплен богатый материал по исследованию различных бессвинцовых сегнетокерамических соединений и твердых растворов.
Однако, несмотря на многочисленные поиски и выполненные исследования, разработанные до настоящего времени новые бессвинцовые керамические материалы имеют, к сожалению, более низкие пьезоэлектрические и диэлектрические свойства по сравнению со свинецсодержащей керамикой PZT, что ограничивает возможности их практического использования. Поэтому дальнейший поиск и исследование новых сегнетокерамических материалов со структурой сложного перовскита и высокой точкой Кюри является актуальной физической проблемой.
Тематика данной диссертации соответствует “Перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований”, утвержденных Президиумом РАН (раздел 1.2 - “Физика конденсированного состояния вещества”). Диссертационная работа является частью комплексных исследований, проводи-
мых на кафедре физики твердого тела Воронежского государственного технического университета по плану госбюджетной темы НИР № ГБ 04.23 “Синтез, структура и свойства перспективных материалов электронной техники”, а также по гранту РФФИ №09-02-97500-р_центр_а и целевой программе Минобрнауки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы».
Цель работы. Целью настоящей работы являлся синтез новых бес-свинцовых керамических материалов с общей формулой ВфВ'В")03, где В'=1л, Со, N1, М§, 2п; В"=БЬ, ¥ и установление основных закономерностей влияния реальной структуры и внешних воздействий на диэлектрические и механические свойствах полученных керамик.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие основные задачи:
1. Отработать технологические режимы получения висмутсодержащих материалов по керамической технологии и изготовить образцы для проведения исследований.
2. Исследовать поведение диэлектрических свойств на разных частотах, а также упругих и неупругих свойств в широком интервале температур для выявления возможных фазовых переходов.
3. Провести сравнительный анализ температурных зависимостей внутреннего трения и модуля сдвига, а также диэлектрического отклика при разных значениях частоты измерительного поля в интервале 25 Гц- 1 МГц, для выявления особенностей, связанных с релаксационными процессами и фазовыми переходами.
4. Изучить влияние частоты измерительного поля (0,5-1000 кГц) на диэлектрическую проницаемость и диэлектрические потери в керамике BiLio.6Wo.4O3 в интервале температур от 300 до 800 К для установления физического механизма, ответственного за диэлектрические потери в условиях проведённых экспериментов.

1.3. Вистмутсодержащие пьезоэлектрические керамики
Вполне естественно поиск новых бессвинцовых соединений проводить прежде всего среди оксидов со структурой перовскита АВОз, 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 [91]. Одной из возможностей изменять свойства перовскитов является замена катиона В в структуре АВОз 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"Оз. 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 РЬ2+ в перовски-товых сложных оксидах АВ'В"Оз на ионы В13+, так как электронная конфигурация (6э)3 иона В13+ почти такая же, как (бэ)2 у иона РЬ2+. При этом можно ожидать, что сегнетоэлектрические или антисегнетоэлектрические состояния будут индуцированы в Внсодержащих соединениях в результате гибридизации (бэ)3 и 2р-орбиталей кислорода, как и в свинецсодержащих соединениях. Из проведённых исследований в области токсичности элементов (рис. 1.2) видно, почему материалы на основе висмутсодержащих материалов являются самой лучшей альтернативой Р2Т [16-18]. Интересно отметить, что висмут -нетоксичный тяжелый металл. В самом деле, несколько исследований продемонстрировали, что висмут фактически не оказывает никакого вредного влияния на живые организмы [92-94]. Отметим, что несколько Вн содержащих соединений со структурой сложного перовскита, таких как В1(МЕо,5Т10.5)Оз [95], В1(И10.5Т1о.з)Оз [96], BiLio.5Sbo.5O3 [97, 98], В1Ьф.6\ф