Донецкий национальный технический университет

НТЦ «Реактивэлектрон»

Высокое качество пьезокерамического материала ещё не гарантирует такое же качество пьезокерамических изделий из-за специфического передела, задачей которого является обеспечение структурно-чувствительных свойств готовых изделий.

Сложные вопросы получения пьезокерамических изделий обусловлены большим числом факторов, познание и оценка роли которых требуют разностороннего экспериментального и теоретического изучения. Процессы формирования свойств пьезокерамических элементов, удовлетворяющих техническим требованиям, управляются теми внутренними и внешними факторами, которые являются ведущими на каждой стадии. Сравнительный анализ методов формования, условий спекания пьезокерамики позволяют оптимизировать режимы её технологического изготовления, повысить процент выхода качественной продукции и обеспечить высокую стабильность рабочих характеристик элементов в сочетании с их высокой чувствительностью.

Первостепенное значение в формировании структуры и свойств пьезокерамических элементов имеет метод оформления полуфабриката.

Существенное преимущество холодного полусухого прессования в пресс-формах по простоте технологического процесса, высокой производительности и возможности механизации ослабляется неоднородностью прессовок по плотности, невозможностью изготовления деталей сложной формы [1, 2].

Изостатическое (гидростатическое) прессование позволяет преодолеть недостатки одноосного прессования [3, 4], однако, в свою очередь, неточность размеров получаемых изделий, шероховатость поверхностей требует дополнительно трудоёмкой механической обработки.

Достоинства горячего прессования - совмещение процессов прессования и спекания, получение плотности образцов, близкой к теоретической, обеспечивающей повышение уровня свойств на 10-20% по данным [5, 6]. Однако в ряде работ [7, 8]. не выявлено существенного преимущества горячего прессования по электрофизическим параметрам в сравнении с керамикой, полученной обычным способом. Ряд недостатков горячего прессования, заложенных в самой технологии, отмечается в [1], при этом подчёркивается низкая производительность как данного метода, так и метода изостатического прессования.

Важным этапом получения сегнетоэлектрической пьезокерамики является процесс спекания [9], который определяется: гранулометрическим составом исходного порошка и его активностью, плотностью и однородностью заготовок, температурой, временем, атмосферой спекания, скоростью изменения температуры при нагревании и охлаждении, мерами по сохранению заданного состава.

Цель работы - экспериментальное изучение влияния предыстории получения порошка, метода формования полуфабриката и условий спекания на свойства пьезокерамических изделий из материала ЦТСС_T–3.

Пьезокерамический материал получали по керамической технологии [10]. Для повышения активности шихты её обрабатывали ультразвуком в воде, как описано в [11]. Материал смешивали с пластификатором (5%-ный водный раствор ПВС) и прессовали диски d=13 мм при давлении ~100 МПа. Часть образцов обжимали всесторонним гидростатическим давлением (ВГД) в интервале (3-18)·102 МПа.

Керамику получали спеканием на воздухе под слоем засыпки на основе PbO в камерных печах КО-14 при различных температурах и времени выдержки 2 часа. Скорость подъёма температуры составляла 200  °/ч.

Спекание в кислороде проводили в специально оборудованной печи [12]. Спечённые образцы шлифовали на доводочном станке со шлиф- порошком М-40, остатки которого из керамики удаляли промывкой в ультразвуковой ванне. Для снятия механических напряжений образцы отжигали при температуре 1000 °С в течение 2 ч, затем металлизировали путём вжигания серебросодержащей пасты при температуре 800±20 °С. Перед металлизацией определяли плотность и пористость керамики методом гидростатического взвешивания. Металлизированные образцы поляризовали в среде полиэтилсилоксановой жидкости ПЭС-5 при 130-150 °С электрическим полем напряжённостью 2,75-3 кВ/мм и измеряли их пьезоэлектрические свойства методом резонанса-антирезонанса [13].

Средние результаты по 8-10 измерениям показывают, что использование ВГД оказывает существенное влияние на электрофизические параметры пьезокерамики. Наблюдается повышение гидростатической плотности, механической добротности и радиального коэффициента электромеханической связи при некотором снижении диэлектрической проницаемости.

Наилучшее сочетание электрофизических свойств получаемых образцов является определяющим фактором при выборе условий спекания. Нахождение оптимальной температуры спекания производилось спеканием контрольных образцов в диапазоне 1200-1260 °С с шагом 20 °С. При этом изучали влияние предыстории получения порошка, температуры спекания на формирование микроструктуры керамики и её свойств при обжатии оптимальным ВГД (5·102 МПа) в сравнении с одноосноспрессованными образцами.

Сравнительный анализ свойств образцов показывает, что обжатие оптимальным гидростатическим давлением одноосно спрессованных образцов из обычного материала ЦТССт-3 (П-2) и из материала, шихта которого была подвергнута УЗ-обработке (П-2У), приводит к дополнительному (на 50-60 ед.) увеличению механической добротности. Такое повышение данного показателя связано с получением более равноплотных и менее пористых прессовок по сравнению с одноосным прессованием, что приводит к увеличению однородности структуры керамики.

Ранее нами было показано, что обжиг в среде кислорода одноосноспрессованных заготовок приводит к увеличению объёмной плотности (до 99,5-99,9 % теоретической), повышению электрофизических свойств на 12-20% [12], улучшению этих параметров при временном старении, повышению выхода годных изделий на каждой последующей технологической операции [14]. Активности летучих компонентов, температура обжига, давление, скорость охлаждения связаны с составом газовой среды и оказывают зачастую определяющее влияние на структурно-чувствительные свойства. Представляло научный интерес применить кислородный обжиг к вышеисследуемым прессовкам.

Это свидетельствует о том, что кислородный обжиг позволяет нивелировать недостатки одноосного полусухого прессования, но при использовании полуфабрикатов спрессованных гидростатическим прессованием спекание в среде кислорода является малоэффективным, что согласуется с [15]. Таким образом, в результате выполненных исследований показаны пути повышения электрофизических свойств пьезокерамики на основе материала ЦТСС_T–3. Учитывая, что сочетание одноосного прессования со спеканием в среде кислорода является гораздо более производительным по сравнению с ВГД и горячим прессованием при обеспечении практически одинаковых свойств керамики, а обработка ультразвуком технически не решена, наиболее рациональным методом интенсификации процессов получения пьезокерамических изделий является использование технологии кислородного обжига.