Роль технологических факторов в формировании свойств материалов ЦТС

Автор: Утяченко Е. К., Прилипко Ю. С.
Источник: Хімічні проблеми сьогодення: тези доповідей Восьмої Всеукраїнської наукової конференції студентів, аспірантів і молодих учених з міжнародною участю / Донецький національний університет. — Донецьк, 2014. — С. 122.

Обладая набором ценных электрофизических свойств, чувствительных к внешним воздействиям (тепловым, электрическим, магнитным, механическим, радиоактивным и другим), материалы на основе цирконата-титаната свинца (ЦТС) нашли широкое применение в различных отраслях промышленности. Расширение профиля их использования предопределило как создание новых составов, так и ужесточение, требований к технологиям изготовления существующих материалов.

При создании силовых устройств, работающих в динамических условиях, наиболее затребованными являются пьезокерамические материалы многокомпонентных составов различной сегнетожесткости ЦТССт-3, ЦТСтБС-2 и ЦТСтБС-1. Для получения таких составов оптимальной является керамическая технология, в основе которой лежит метод твердофазного взаимодействия механически приготовленной смеси оксидов и карбонатов.

Для материалов системы ЦТС снижение температуры синтеза является немаловажным обстоятельством, поскольку с ростом температуры значительно увеличивается вероятность потери оксида свинца из-за его летучести и, как следствие, нарушение стехиометрии составов. Приведены результаты по влиянию физико-химического состояния исходных компонентов (предыстории получения, примесей, дисперсности, структурных особенностей) на технологические условия получения и свойства пьезокерамических материалов.

Установлена корреляция между типом модифицирующих добавок в составе материала ЦТС и температурой его синтеза. Для сегнетожестких материалов она составляет (860 ± 10) °С, для материалов средней жесткости — (880 ± 10) °С, для сегнетомягких —  (930 ± 10) °С при продолжительности синтеза 4 часа и высоте слоя порошка на подложке 50–60 мм.

Рассмотрено активирующее влияние ультразвуковой (УЗ) обработки шихты в воде (~0,3 часа), приводящее к снижению температуры синтеза на ~100 °С и повышению свойств материалов при уменьшении их разброса приблизительно в 2,5 раза. Дальнейшее УЗ-диспергирование (1 час, 3 часа) приводит к уменьшению размера частиц до ~50 нм, дополнительному снижению температуры синтеза на ~50 °С, но уровень свойств при этом также резко снижается, что связано со сдвигом состава в тетрагональную область морфотропного фазового перехода.

Выяснена роль атмосферы при синтезе твердых растворов, что важно при выборе аппаратурного оформления данной стадии. Показана возможность улучшения электрофизических параметров на 5–15% только за счет использования более окислительной среды.

Показано, что выполнение требований к качеству синтезированных порошков по дисперсности возможно при использовании во время диспергирования в качестве ПАВ воды (0,3–0,5% масс.) при соблюдении параметров виброизмельчения (соотношение Ш:М, частота и амплитуда колебаний, время) фактор масштабирования практически не изменяет качество материала при Sуд ≤ 0,4 м²/г.

Учет и преодоление негативных факторов керамической технологии позволяет преодолеть преимущества методов растворной химии и производить материалы с высокими и воспроизводимыми свойствами.