Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

П'єзокераміка — один з перспективних матеріалів століття XXI. Причиною такого погляду є те, що чудові властивості, властиві п'єзокераміка, до сих пір не в повній мірі затребувані наукою, технікою і технологіями. П'єзоелектрична кераміка являє собою твердий, хімічно інертний матеріал, малочутливий до вологості і інших атмосферних впливів.

Серед численних технологічних факторів, що впливають на процес виробництва п'єзокерамічних матеріалів, є дисперсність шихти. Отримання матеріалів надтонкою дисперсності (що складаються з частинок розміром від кількох мікрометрів і менше) вельми важливо, тому що від ступеня подрібнення залежать багато характеристик матеріалів. Нанотехнологія розглядається стосовно отримання принципово нових або до багаторазового поліпшенню споживчих властивостей існуючих матеріалів конструкційного і функціонального призначення.

1. Актуальність теми

Вивчення розмірного ефекту в п'єзокерамічних матеріалах зі структурою перовскіту, маючи чутливість до розміру часток, впливає на технологічні параметри отримання, рівень електрофізичних властивостей матеріалів і їх відтворюваність. Отримання матеріалів надтонкою дисперсності вельми важливо, тому що від ступеня подрібнення залежать багато характеристик матеріалів, наприклад, температура синтезу. Так, для матеріалів системи ЦТС зниження температури синтезу є важливим фактором, якщо врахувати той факт, що летючість свинцю з ростом температури значно збільшується. На сьогоднішній день, в літературі питання про вплив дисперсності на технологічні параметри та властивості п'єзоматеріалів недостатньо повно висвітлені. Проведення досліджень з вивчення розмірного ефекту в п'єзокерамічних матеріалах, поряд з практичною цінністю, є надзвичайно актуальними.

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Метою дослідження є вивчення впливу дисперсного складу шихти на технологічні параметри виробництва при отриманні матеріалів цирконата — титаната свинцю за різними технологіями.

Основні завдання дослідження:

  1. Розглянути різних технологій отримання п'єзокерамічних матеріалів і проведення їх порівняльного аналізу.
  2. Визначити вплив методів отримання багатокомпонентної шихти на формування структури перовскіту.
  3. Дослідити залежності дисперсність шихти і синтезованих порошків — властивості матеріалу.
  4. Пошук шляхів інтенсіфікації отримання порошків за керамічною технологією.
  5. Узагальнити отримані результати.

3. Технології отримання п'єзокерамічних матеріалів

Принципова відмінність існуючих технологій полягає в різних способах приготування суміші вихідних компонентів: з розчинів — спільне осадження, розпилювальна сушка розчинів, кріохіміческая технологія; з розчинів і оксидів — полукераміческая технологія; з механічно приготовленої суміші оксидів і карбонатів — керамічна технологія та інші [1, 2].

3.1 Метод спільного осадження

Метод спільного осадження заснований на взаємодії лужних агентів з водними розчинами солей, що містять катіони різних металів в тому співвідношенні, яке необхідно отримати в готовому матеріалі (рисунок 1) [3]. В якості осадителей застосовують розчини лугів, соди, гідроксиду амонію і його сумішей з карбонатом амонію та ін. Умови осадження підбирають так, щоб гарантувалося кількісне виділення сполук металів з водних розчинів. Утворилися при цьому важкорозчинні сполуки відокремлюють від маточника і піддають термообробці.

Малюнок 1 — Схема промислової установки для отримання матеріалів за технологією спільного осадження: 1,2,3,4 — збірники розчинів; 5,6,7,8 — автоматичні дозатори; 9 — змішувачі розчинів; 10 — насос; 11 — напірна ємність; 12 — збірник розчину-осадителя; 13 — реактор – осадитель; 14 — барабанний вакуум–фільтр; 15 — на синтез; 16 — осадитель; 17 — суміш розчинів

Переваги методу спільного осадження полягають в наступному:
• за рахунок одночасного виділення сполук з розчину досягається більша однорідність, що особливо важливо при введенні малих добавок;
• зміною умов осадження регулюється дисперсність прожарених порошків, розмір часток зменшується до 1–10 мкм, а іноді і до часток мікрона;
• відсутність помольних операцій при виготовленні вихідної шихти забезпечує високу чистоту кінцевих продуктів;
• виділені з розчинів сполуки відрізняються підвищеною реакційною здатністю і однорідністю, що гарантує освіту заданих складів при більш низьких температурах.

3.2 Полукерамічна технологія

Полукерамічний метод спрощує стадії осадження і отримання гомогенізованої пасти, властиві методу спільного осадження. Існує три способи виділення сполук з розчинів на оксиди і карбонати:
— шляхом зневоднення суспензій (упариванием або розпилювальної сушінням);
— гідролізом алкоголятов;
— шляхом взаємодії з осадителем.

Перші два способи не отримали промислового використання. В якості необхідних стадій вони включають операції упарювання, розпилювальної сушки або гідролізу алкоголятов. такі процеси мають ряд недоліків, що ускладнюють їх впровадження в промислове виробництво.

Найбільший розвиток придбав третій варіант методу — виділення сполук з розчинів на тверду фазу шляхом взаємодії з осадителем. Цей метод знайшов промислове застосування для отримання ряду матеріалів ЦТС [4].

3.3 Керамічна технологія

Технологічна схема отримання матеріалів ЦТС з механічно приготовленої суміші оксидів і карбонатів (малюнок 2) включає наступні стадії процесу: вибір і підготовку сировини; зважування вихідних компонентів і підготовку суміші до синтезу; високотемпературний синтез; дроблення отриманих у вигляді спеков з'єднань; подрібнення і сепарацію порошків від магнітних включень; усереднення і атестацію [1].

pic1

Малюнок 2 — Технологічна лінія отримання матеріалів ЦТС по керамічної технології: 1 — склад сировини; 2 — вакуумний сушильну шафу; 3 — вібросито; 4 — ваги; 5,11 — усреднители типу « п'яна бочка »; 6 — синтетичний вибромельнице; 7 — тунельна піч; 8 — молоткова дробарка; 9 — вибромельнице готового продукту; 10 — магнітний сепаратор.

При отриманні матеріалів з високими електрофізичними властивостями якість вихідної сировини, особливо титанової і цирконієвої, має вирішальне значення. Можна вважати, що вплив сировини обумовлено, в основному, його передісторією, що визначає кристалічну структуру, дисперсність, чистоту, стан поверхні, активність сировини в твердофазних процесах. Різноманітність кваліфікацій, марок, постачальників сировини створює певні складнощі при відпрацюванні технологічних параметрів, призводить до невідтворюваних властивостей [5], що пов'язано з особливостями твердофазних реакцій [6].

Підготовка обраного сировини включає його сушку, просівши, усереднення, аналіз на вміст основної речовини.

Шихта для виготовлення п'єзокерамического матеріалу складається з сировинних компонентів в співвідношенні, яке визначається перерахунком молярних в вагові відсотки з урахуванням змісту основного речовини в кожному компоненті.

У використовуваної технологічною схемою зважені кількості вихідних компонентів змішують–усредняют в усреднітель, а потім додатково змішують–подрібнюють в гумованом вібромлині. це скорочує дану операцію за рахунок відсутності сушіння шихти і додатково дозволяє зменшити розкид фракційного складу входять до складу компонентів. Крім того, в представленій схемі (малюнок 2) відсутння стадія приготування брикетів з шихти [5, 7].

Якість шихти (однорідність, дефектність, активність) може істотно впливати на технологічні параметри синтезу і, як наслідок, на якість готового матеріалу.

Призначення високотемпературного синтезу полягає у видаленні діоксиду вуглецю з карбонатів і будь–яких летючих домішок; проведенні термохимической реакції між компонентами одержуваного продукту — оксидами, що веде до утворення бажаного твердого розчину; підвищенні однорідності і поліпшенні пресованості порошку; зменшенні усадки виготовлених виробів при подальшому спіканні. Одним з важливих умов перебігу реакцій в твердих речовинах є оптимальна температура. В ідеальному випадку температуру синтезу вибирають досить високою, щоб реакція отримання піровскіта пройшла повністю, але і досить низькою, щоб запобігти втрати летючого компонента (PbO) і не ускладнювалося подальшого подрібнення. У масовому виробництві синтез ефективніше здійснювати в тунельних печах через їх високу продуктивність. Для забезпечення повноти синтезу дуже важливо, щоб справжня температура в печі точно відповідала заданій, що досягається за рахунок вимірювань та коригування температури за допомогою «плаваючою» термопари по всій довжині печі перед початком синтезу.

Перед вібропомолом синтезований матеріал у вигляді помірно твердих спеков піддається дробленню за допомогою щековой або молоткової дробарки, бігунів. У щековой дробарці матеріал роздавлюється рухомою і нерухомою сталевими плитами, а в високошвидкісний роторної дробарці подрібнення здійснюється ударами обертових бив (молотків) за матеріалом, що знаходиться на відбиває плиті. Подрібнений матеріал направляють на тонкий вібропомол. Основною метою подрібнення є створення поверхні, необхідної для повного проходження процесу спікання і досить високу активність, щоб підвищити швидкість гетерогенних процесів.

У зв'язку з намолом заліза у вібромлині матеріал після подрібнення піддається магнітної сепарації на електромагнітному сепараторі.

Розроблена керамічна технологія впроваджена в промислове виробництво пьезокерамических матеріалів. В даний час цей метод є єдино прийнятним способом отримання складних оксидів різних структурних типів і їх твердих розчинів і незамінним у дослідницькій роботі при пошуку нових сегнетоелектричних матеріалів.

4. Порівняльний аналіз методів отримання п'єзокерамічних матеріалів

Огляд літературних даних дозволив встановити, що методи розчинної хімії дозволяють синтезувати порошки цільового продукту з дисперсністю часток нанорозмірів (20 — 60 нм), що не забезпечується керамічною технологією (100 нм), при звичайних умовах, так як механічно приготована суміш є найбільш трудносінтезіруемой. Однак, при використанні методів розчинної хімії спостерігається ряд непереборних труднощів, які можуть бути пов'язані з багатьма обставинами, такими як: громіздкість технологічних схем і велика тривалість технологічного циклу; необхідність використання нестандартного обладнання; складність отримання стійких розчинів деяких компонентів, особливо при їх сумісній присутності (титан, цирконій, ніобій, вольфрам); відсутність принципового виграшу в електрофізичних властивостях матеріалів [8]. В такому випадку керамічна технологія є найбільш прийнятною технологією.

Значне збільшення реакційної здатності порошків досягається за рахунок застосування апаратів вихрового шару, віброзмішування, віброподрібнення в гумованих вібромлинах, проте сухий помол не дозволяє отримувати частинки розміром менше 10 мкм [9]. Значне підвищення активності шихти досягається за рахунок її УЗ–обробки в воді [10], що дозволяє збільшити вміст частинок дрібної фракції і знизити температуру початку отримання твердого розчину зі структурою піровскіту (на ≈ 100 oC)

Зміна дисперсності також може привести до зменшення розкиду параметрів готового матеріалу (ЦТССт–3) приблизно в 2,5 рази, що може бути пов'язано з високим ступенем гомогенності шихти, обробленої ультразвуком, і її високою реакційною здатністю. В роботі планується більш докладне вивчення залежності технологічних параметрів і електрофізичних властивостей п'єзокерамічних матеріалів при збільшенні тривалості УЗ–обробки.

Висновки

Таким чином, на підставі проведених досліджень встановлено, що дисперсність, як шихти, так і готового матеріалу впливає на технологічні параметри та електрофізичні властивості виробів. Показано, що збільшення дисперсності суміші вихідних компонентів підвищує її активність, яка виражається в зниженні температури синтезу твердих розчинів ЦТС.

Описані технологічні процеси отримання матеріалів по способам їх виділення з розчинів. Детально викладена керамічна технологія матеріалів ЦТС. Охарактеризовані і повністю вивчені стадії технологічного процесу і показано, що цей метод є єдино прийнятним способом отримання складних оксидів різних структурних типів і їх твердих розчинів і незамінним при пошуку нових матеріалів.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена і знаходиться в стадії розробки. Планується докладне вивчення фракційного складу шихт і встановлення впливу дисперсності шихти. Для більш детального вивчення цього питання планується провести ряд досліджень, спрямованих на роз'яснення впливу дисперсності готового матеріалу на технологічні параметри формування структури та електрофізичні властивості п'єзокерамічних матеріалів. Остаточне завершення: червень 2021 року. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Перелік посилань

    1. Прилипко, Ю.С., Функциональная керамика. Оптимизация технологии / Ю.С. Прилипко — Донецк: Норд–Пресс, 2007. — 492 с.
    2. Приседский, В.В., Нестехиометрические сегнетоэлектрики АIIВ1vО3: монография / В.В. Приседский. — Донецк: Изд–во «Ноулидж» (донецкое отделение), 2011. — 267 с.
    3. Прилипко, Ю.С., Оптимизация технологии получения пьезокерамических материалов ЦТС / Ю.С. Прилипко / В сб. Физика и техника высоких давлений. — Донецк: ФТИ, 2002. — 12 с.
    4. Афанасенко, Л.Д., Исследование условий получения материалов системы ЦТС полукерамическим методом / Л.Д. Афанасенко, А.М. Гареев, А.П. Калашников // В сб. Ферритовые, сегнето–, пьезоэлектрические и конденсаторные материалы и сырье для них. — Харьков: ВНИИмонокристаллов, 1977. — С. 82–87.
    5. Звоник, В.А., Влияние сырья на условия получения и свойства новой пьезокерамики / В.А. Звоник, О.С. Дидковская, Н.И. Селикова и др. // Сб.: Материалы для электронной техники. — М.: НИИТЭХИМ, 1983. — С. 3–10.
    6. Алесковский, В.Б., Химия твердых веществ / В.Б. Алесковский — М.: Высшая школа, 1978. — 256 с.
    7. Вербицкая, Т.Н., Влияние исходного сырья и условий синтеза на свойства материала ВК–4 / Т.Н. Вербицкая, Т.П. Майдукова, Л.А. Гришаева // Сб.: Ферритовые, сегнето-, пьезоэлектр. и конденс. материалы и сырье для них. – Харьков: ВНИИмонокристаллов, 1977. — С. 107–112.
    8. Прилипко, Ю.С., Изучение влияния некоторых физических воздействий на технологические параметры получения пьезоматериалов и электрофизические свойства пьезокерамики / Ю.С. Прилипко, В.С. Салей, Н.П. Пилипенко // Наукові праці ДонНТУ. Серія: Хімія і хімічна технологія. — 2002. — Вип.44. — С.110–119.
    9. Лимарь, Т.Ф., Образование PbZrO3, PbTiO3 и их твердых растворов из продуктов распылительной сушки / Т.Ф. Лимарь, В.В. Приседский // В сб. Химия и технология материалов для новой техники. М.: НИИТЭХИМ, 1980. — С. 33–41.
    10. Салей, В.С., Влияние обработки ЦТС–порошков ультразвуком, СВЧ–излучением и высоким гидростатическим давлением на свойства пьезокерамики / В сб. Физика и техника высоких давлений. — Донецк: ФТИ, 2002. — Т. 12. — № 2. —– С. 46–51.