ПЕРСПЕКТИВЫ МЕТОДОВ ИНТЕНСИВНОГО СПЕКАНИЯ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

  • М.А. Мараховский Южный Федеральный Университет
  • В.А. Мараховский Южный Федеральный Университет
  • А. А. Панич Южный Федеральный Университет
Ключевые слова: Пьезокерамика, горячее прессование, искровое плазменное спекание, микроструктура, электрофизические параметры

Аннотация

Исследована возможность вариации свойств пьезоэлектрических керамик разного
типа назначения. Цель исследования заключалась в вариации свойств путём изменения
технологических факторов при изготовлении пьезокерамики без модифицирования их хи-
мического состава. На важнейшем технологическом этапе – спекании – задаются плот-
ность, твёрдость и прочность пьезокерамики, непосредственно влияющие на её электро-
физические параметры, т.к. пьезоэффект – это электромеханическое преобразование.
Особенный интерес представляют методы спекания объединяющие процесс консолидации
частиц с нагревом – горячее прессование и искровое плазменное спекание. Такие методы, за
счёт создаваемого одноосного давления, интенсифицируют диффузионные процессы мас-
сопереноса при спекании, способствуя получению пьезокерамики повышенной плотности
при одновременном понижении температур спекания. Однако, в отличие от горячего прес-
сования, при искровом плазменном спекании между частицами порошка возникают искро-
вые разряды, что в сочетании со сверхбыстрым нагревом (до 1000 ºС/мин), формирует
мелкозернистую монофазную структуру керамики. Такая микроструктура способствует
повышению механических и электрофизических параметров получаемой керамики. Задача
исследования состояла в апробации предлагаемых методов спекания на пьезоэлектриче-
ских материалах различных составов с целью управления их свойствами. В качестве объ-
ектов исследования использовались пьезокерамические материалы на основе системы цир-
конат-титаната-свинца и их модификации, в том числе многокомпонентные, имеющие
высокий прикладной потенциал, а также бессвинцовый сегнетоэлектричский материал
Ba0.55Sr0.45TiO3 (BST). Методом растровой электронной микроскопии установлены зависи-
мости формируемой керамической структуры от метода спекания и от температуры
процесса. Установлены закономерности «метод спекания – микроструктура – свойства».
В результате исследования подтверждена эффективность методов горячего прессования
и искрового плазменного спекания в целях вариации свойств пьезокерамики различного ти-
па назначения, что в совокупности с понижением температур спекания, а также сокра-
щением длительности процесса (в 36 раз!) актуально с точки зрения энергосбережения.

Литература

1. Kupriyanov M.F., Konstantinov G.M., Panich A.E. Segnetoelektricheskie morfotropnye perekhody
[Ferroelectric morphotropic transitions]. Rostov-on-Don: Izd-vo Rostov. un-ta, 1991.
2. Fesenko E.G., Dantsiger A.Ya., Razumovskaya O.N. Novye p'ezokeramicheskie materialy
[New piezoceramic materials]. Rostov-on-Don: Izd-vo Rostov. un-ta, 1983.
3. Topolov V.Yu., Panich A.E. Elektromekhanicheskie svoystva segnetop'ezokeramik na osnove
oksidov semeystva perovskita [Electromechanical properties segnetoelectric on the basis of oxides
of the perovskite family], Issledovano v Rossii [Studied in Russia], 2008, Reg. N 002, pp. 8-26.
4. Keramik/Hrsq. H. Schaumburq. Stuttqart: B.G. Tenbner, 1994.
5. Panich A.A., Marakhovskiy M.A., Motin D.V. Kristallicheskie i keramicheskie p'ezoelektriki [Crystal
and ceramic piezoelectrics], Inzhenernyy vestnik Dona [Engineering Bulletin of the Don], 2011,
No. 1. Available at: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n1y2011/325 (access is free).
6. Poplavko Yu.M. [i dr.]. Fizika aktivnykh dielektrikov [Physics of active dielectrics]. Rostovon-
Don: Izd. YuFU, 2009, 480 p.
7. Marder R., Caim R., Estournès C., Chevallier G. Plasma in spark plasma sintering of ceramic
particle compacts, Scripta materialia, 2014, Vol. 82, pp. 57-60.
8. Munir Z.A., Anselmi-Tamburini U., Ohyanagi M. The effect of electric field and pressure on
the synthesis and consolidation of materials: A review of the spark plasma sintering method,
Journal of Materials Science, 2006, Vol. 41, pp. 763-777.
9. Ilyina A.M., Aleksandrova E.V., Grigoryev E.G., Olevsky E.A. Influence of the electric
current on the spark-plasma sintering processing, Journal of Vector Scince, 2013, No. 3
(25), pp. 185-187.
10. Annenkov Yu.M., Akarachkin S.A., Ivashutenko A.S. Mekhanizm iskrovogo plazmennogo
spekaniya keramiki [Mechanism of spark plasma sintering of ceramics], Butlerovskie
soobshcheniya [Butlerovskie messages], 2012, Vol. 30 (4), pp. 74-78.
11. Tokita M. Tendentsii v razvitii sistem iskrovogo plazmennogo spekaniya i tekhnologii [Trends
in the development of spark plasma sintering systems and technologies], Zhurnal obshchestva
spetsialistov poroshkovykh tekhnologiy [Journal of the society of powder technology specialists],
1993, No. 30 (11), pp. 790-804.
12. Vendik O.G., Dedyk A.I., Dmitrieva R.V. i dr. Gisterezis dielektricheskoy pronitsaemosti titanata
strontsiya pri 4,2 K [Hysteresis of the dielectric constant of strontium titanate at 4.2 K], FTT [Solid
State Physics], 1984, Vol. 26, Issue 3, pp. 684-689;
13. Marakhovskiy M.A., Panich A.A., Marakhovskiy V.A. Issledovanie kharakteristik
segnetokeramiki titanata bariya-strontsiya, poluchennoy metodom iskrovogo plazmennogo
spekaniya [Investigation of the characteristics of barium-strontium titanate ferroceramics obtained
by spark plasma sintering], INTERMATIC-2018. Part 2. Moscow, 2018, 430 p.
14. Nenasheva E.A., Kanareykin A.D., Dedyk A.I., Pavlova Yu.V. Elektricheski upravlyaemye
komponenty na osnove keramiki BST – Mg dlya primeneniya v uskoritel'noy tekhnike [Electrically
controlled components based on BST – Mg ceramics for use in accelerator technology],
FTT [Solid State Physics], 2009, Vol. 51, Issue. 8, pp. 1468-1472.
15. Yamada H. Pressureless sintering of PMN-PT ceramics, Journal of the european ceramic society,
1999, Vol. 19 (6-7), pp. 1053-1056.
16. Lente M.H., Zanin A.L., Assis S.B., Santos I.A., Garcia D., Eiras J.A. Ferroelectric domain
dynamics in PMN-PT ceramics, Ferroelectrics. Gordon and Breach Science Publishers, 2003,
Vol. 296, pp. 149-155.
17. Liou Y.C. Stoichiometric perovskite PMN-PT ceramics produced by reaction-sintering process,
Materials science and engineering: B, 2003, Vol. 103 (3), pp. 281-284.
18. Marakhovskiy M.A., Panich A.A. Poluchenie p'ezokeramiki sistemy PMN-PT metodom
iskrovogo spekaniya [Obtaining piezoceramics of PMN-PT system by spark sintering],
Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2017, No. 6
(191), pp. 242-249.
19. Sharapov V.M., Minaev V.G., Sotula Zh.V., Kunitskaya L.G. Elektroakusticheskie
preobrazovateli [Electroacoustic converters]. Moscow: Tekhnosfera, 2013, 296 p.
20. Marakhovskiy M.A., Panich, A.E., Marakhoaskiy V.A. Vliyanie tekhnologii spekaniya na
svoystva segnetozhestkoy keramiki sistemy TSTS. Tekhnologii i materialy dlya ekstremal'nykh
usloviy [nfluence of sintering technology on the properties of Ferroalloy ceramics of the CTS
system. Technologies and materials for extreme conditions]. Agoy, 2019, 343 p.
21. Marakhovskiy M.A., Marakhovskiy V.A., Miryushchenko E.A., Panich E.A. Issledovanie
vozmozhnosti sozdaniya novykh polifaznykh p'ezomaterialov dlya gidroakusticheskikh
preobrazovateley. GA-2018 [Investigation of the possibility of creating new polyphase
piezomaterials for hydroacoustic transducers. GA-2018]. Saint Petersburg, 2018, 616 p.
Опубликован
2020-10-11
Выпуск
Раздел
РАЗДЕЛ V. ЭЛЕКТРОНИКА И НАНОТЕХНОЛОГИИ