Влияние атмосферы спекания на структуру и свойства пьезокерамики

Важность процесса спекания привлекла большое внимание исследователей к изучению его влияния на формирование свойств пьезокерамики.

Действенным способом активирования спекания оксидных керамических материалов и управления их свойствами является использование искусственных газовых сред с различным парциальным давлением кислорода [1]. Большое влияние на свойства образцов оказывает величина парциального давления кислорода (при его повышении пьезоэлектрические свойства ухудшаются).

Уже более 40 лет известен факт существенного повышения плотности пъезокерамики на основе ЦТС при спекании в среде кислорода, а не на воздухе. Установлено, что плотность керамики ЦТС, спеченной в кислороде, может достигать 99,5% теоретической.

По данным [2] величина парциального давления кислорода в газовой среде при спекании оказывает существенное влияние практически на все свойства пьезокерамики. Спекаемость всех исследованных материалов значительно улучшается с повышением парциального давления кислорода в газовой среде. Если в кислородной среде плотность керамики достигает максимального значения при практически нулевой открытой пористости, то спекание в газовых средах с низким парциальным давлением кислорода приводит по сравнению с воздушной средой к снижению плотности и возростанию окрытой пористости. Снижение парциального давления при спекании вызывает увеличение кристаллитов, а спекание в кислородной среде приводит к повышению прочности всех исследованных марок пьезокерамики.

Для внедрения кислородного спекания в промышленности наиболее подробно изучались преимущества кислородной среды при спекании керамики для УЗ-линий задержки цветного телевидения и микросхем [3]. При сопостовимых величинах объемной плотности керамики по мере увеличения парциального давления в газовой среде при спекании возростают диэлектрическая проницаемость, пъезомодуль, тангенс диэлектрических потерь и коэффициэнт электромеханической связи. такой характер изменения электрофизических параметров соответствует росту «сегнетомягкости» пьезокерамики, что связано с изменением дефектности структуры в объеме зерен в зависимости от величины парциального давления кислорода.

Сопоставление результатов испытаний пьезокерамики, спеченной в промышленных условиях в кислороде и на воздухе показывает, что повышение качества приводит к значительному увеличению выхода изделий, особенно на операциях поляризации и измерений, что повышает экономические показатели.

Влияние парциального давления кислорода при спекании на электрофизические параметры керамики ЦТС проявляется в разной степени для немодифицированных и модифицированных легирующими добавками материалов. Можно выделить следующие основные факторы, определяющие характер влияния парциального давления на свойства керамики:

1. Кислород способен в значительных количествах растворяться в твердой фазе, заполняя структурные вакансии, а инертные газы не обладают такой способностью, поэтому повышение величины парциального давления или спекания в чистом кислороде способствуют быстрому и эффективному залечивания остаточной пористости;

2. Увеличение парциального давления кислорода приводит к смещения концентрации собственных дефектов;

3. Уменьшение концентрации кислородных вакансий снижает скорость массопереноса при температурах вторичного спекания. Это приводит к уменьшению скорости вторичной рекристаллизации и размера зерен в керамики;

4. Использование кислородного спекания позволяет нивелировать недостатки одноосного прессования и значительно увеличить производительность получения изделий. Правильность выбора и соблюдения режима спекания изделий оценивают контролем качества керамики после спекания.

С учетом развитых физико-химических представлений нами разработана технология спекания пьезокерамики ЦТС в среде кислорода [4]. На ОЗ НТЦ «Реактивэлектрон» НАН Украины организован выпуск промышленных печей для спекания керамики в искусственно создаваемых средах как постоянного, так и переменного составов. Производительность установки составляет 50-60 кг керамики в сутки в зависимости от размеров изделий.

Повышение основных электрофизических свойств исследованных пьезокерамических материалов улучшает характеристики пьезоэлементов и аппаратуры с их использованием. Возрастание объемной плотности и резкое снижение пористости изделий в УЗ-линиях задержки и микросхемах позволяет резко уменьшать потери за счет электрического пробоя при поляризации и в измерительном импульсе по сечению, ослабленному остаточными порами. Технология кислородного спекания высокоплотной керамики ЦТС может с успехом заменить малопроизводительную технологию горячего прессования. Это открывает широкие перспективы для промышленного использования технологии кислородного спекания пьезокерамики ЦТС, что подтверждено успешными опытно-промышленными испытаниями на Волгоградском заводе «Аврора».