Фазы, фазовые состояния и морфотропные области в n ­компонентных

На правах рукописи

ДЕМЧЕНКО Олеся Александровна

ФАЗЫ, ФАЗОВЫЕ СОСТОЯНИЯ И МОРФОТРОПНЫЕ ОБЛАСТИ В n­КОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМАХ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ

Специальность

01.04.07 – Физика конденсированного состояния

Автореферат

на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Ростов-на-Дону

2006

Работа выполнена в отделе активных материалов Научно-исследовательского института физики и на кафедре физики полупроводников физического факультета Ростовского государственного университета в рамках научно-исследовательских работ, выполняемых по заданию Министерства образования и науки Российской Федерации: «Исследование статических и динамических свойств нано- и мезоскопически неоднородных систем, испытывающих структурные и магнитные фазовые переходы», «Создание, исследование структуры и предельных свойств электрически активных материалов на основе соединений кислородно-октаэдрического типа и аморфнокристаллических высокомолекулярных веществ», а также при поддержке Российского Фонда Фундаментальных исследований (гранты N99-02-17575 «Особенности фазовых состояний, возникающих при последовательных структурных превращениях в пространственно – неоднородных кристаллических сегнетоактивных средах», N 02-02-17781 «Несоразмерные фазы, трансляционно модулированные структуры и динамика кристаллической решетки сегнетоактивных соединений кислородно-октаэдрического типа с упорядоченными протяженными дефектами») и грантов РФФИ №05-02-16916а; № 06-02-08035.

Научный руководитель:

Доктор физико-математических наук,

профессор Резниченко Л.А.

Научный консультант:

Доктор физико-математических наук,

профессор Сахненко В.П.

Официальные оппоненты:

Академик МАН ВШ, заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор физико-

математических наук, профессор Лунин Л.С.

Доктор физико-математических наук,

профессор Куприянов М.Ф.

Ведущая организация:

Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова

г. Москва

Защита диссертации состоится “ ” октября 2006 года в 1400 часов на заседании Диссертационного Совета Д 212.208.05 по физико-математическим наукам по специальности 01.04.07 – физика конденсированного состояния в Ростовском государственном университете по адресу: 344090, г. Ростов-на-Дону, проспект Стачки, 194, НИИ физики РГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке РГУ

по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.

Автореферат разослан « » сентября 2006 года.

Отзывы на автореферат, заверенные печатями учреждения, просим направлять по адресу: 344090, Ростов-на-Дону, проспект Стачки, 194, НИИ физики РГУ, Ученому секретарю Диссертационного Совета Д 212.208.05 к.ф.-м.н. Гегузиной Г.А.

Ученый секретарь Диссертационного Совета

Д 212.208.05 по физико-математическим наукам,

кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник Гегузина Г.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Одной из важнейших проблем в современной физике конденсированных сред и, в частности, в физике сегнетоэлектричества (СЭ) является проблема структурных фазовых переходов (ФП). Помимо научного значения, она приобрела большую практическую ценность в связи с особенностями физических свойств сегнетоэлектриков вблизи границ устойчивости фаз. Так, в окрестности морфотропных границ электрофизические параметры достигают экстремальных значений. Эта особенность лежит в основе разработок высокоэффективных СЭ материалов.

Среди последних особое место занимают материалы на основе твердых растворов (ТР) бинарной системы (1-х) PbZrO3x PbTiO3 (ЦТС), которым свойственны широкий изоморфизм, высокие температуры Кюри и пьезоэлектрические свойства . Будучи достаточно глубоко исследованной с материаловедческой точки зрения, система ЦТС до настоящего времени является недостаточно изученной как объект физического рассмотрения. И только в последнее время (с 1998 г.) она «испытала» «фазовый переход» по числу публикаций, посвященных исследованию ее кристаллической структуры. Такой «ренессанс», несомненно, был обеспечен развитием техники рентгенографического эксперимента, позволившего идентифицировать предсказанную задолго до этих событий промежуточную (моноклинную) фазу в области ромбоэдрически (Рэ) – тетрагонального (Т) перехода, представляющую собой некий «мост» между этими симметриями . «Вал» статей, однако, коснулся лишь избранных концентраций компонентов этой и родственных ей (по морфологии области морфотропного Рэ-Т фазового перехода) систем ((1-х) PbNb2/3Mg1/3O3x PbTiO3 (PMN-PT), (1-x) PbNb2/3Zn1/3O3x PbTiO3 (PZN-PT). Систематическое детальное (с малым исследовательским концентрационным шагом) изучение подобных ТР в широком интервале вариаций содержания компонентов, внешних воздействий, а также при усложнении химических композиций путем конструирования n-компонентных (n > 2) систем ТР не проводилось. К тому же, анализ полученных экспериментальных данных производился без учета кристаллохимических особенностей компонентов и известной пространственной неоднородности керамик, порождающей сложное распределение упругих и электрических сил, в поле которых и происходят ФП.

Принимая во внимание, что система ЦТС остается и по сей день уникальной и практически значимой, а многокомпонентные системы с ее участием составляют основу практически всех известных сегнетопьезоэлектрических материалов, актуальным представляется проведение исследований, направленных на установление закономерностей формирования кристаллической структуры, диэлектрических, пьезоэлектрических и упругих свойств керамик ТР базовых систем ЦТС, PMN-PT и n-компонентных (n = 3÷4) композиций с их участием на основе детальных комплексных (эксперимент, теория) исследований, проводимых в широком интервале концентраций компонентов и внешних воздействий, с учетом кристаллохимических особенностей объектов и того «термодинамического пути», по которому происходит достижение заданных значений параметров состояния. Это и стало целью настоящей диссертационной работы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

выбрать на основе библиографических данных перспективные для последующего исследования системы твердых растворов;

определить в рамках феноменологической теории фазовых переходов условия стабильности ромбоэдрической (Рэ) и тетрагональной (Т) фаз в твердых растворах типа ЦТС, показать возможность и термодинамические пути появления сегнетоэлектрических фаз более низкой симметрии в области Рэ-Т перехода;

изготовить образцы твердых растворов, произведя постадийную оптимизацию регламентов их синтеза и спекания;

произвести рентгенографические исследования, выявить локализацию фаз, фазовых состояний и морфотропных областей;

построить х-Т-диаграммы систем;

провести измерения диэлектрических, пьезоэлектрических, упругих и механических характеристик образцов в широком интервале температур;

установить корреляционные связи состав – структура – свойства;

выбрать на основе полученных экспериментальных данных группы твердых растворов с практически полезным сочетанием электрофизических свойств.

Объекты исследования

— Бинарные системы твердых растворов:

ТР1: (1-x)PbZrO3xPbTiO3. (0.37 ≤ x ≤ 0.57) (ЦТС, PZT).

В интервалах 0.37 x ≤ 0.42 и 0.52 x ≤ 0.57 исследовательский концентрационный шаг Δx = 0.01; в интервале 0.42 < x < 0.52 исследовательский концентрационный шаг Δx = 0.005;

ТР2: (1-x)PbNb2/3Mg1/3O3xPbTiO3. (0 ≤ x ≤ 1.0) (PMN-PT).

В интервале концентраций 0 ≤ x ≤ 0.45 — Δx = 0.01, в интервале концентраций 0.45 < x ≤ 0.95 — Δx = 0.05.

— Тройные системы твердых растворов:

ТР3: 0.98Pb(TixZr1-x)O3 – 0.02Ba(W1/3Bi2/3)O3 (0.45 x ≤ 0.49).

ТР4: 0.98Pb(TixZr1-x)O3 – 0.02“SrW1/3Bi2/3O3” (0.45 x ≤ 0.49).

ТР5: 0.98Pb(TixZr1-x)O3 – 0.02”Pb(Nb1/2Bi1/2)O3” (0.45 x ≤ 0.485).

ТР6: 0.98(Pb0,9727Sr0,0273)(TixZr1-x)O3-0.02”Pb(Nb1/2Bi1/2)O3”+1вес%PbO (0.45 ≤ x ≤ 0.485).

ТР7: 0.98(Pb0,9727Sr0,0273)(TixZr1-x)O3-0.02”Pb(Nb1/2Bi1/2)O3”+2вес%PbGeO3 (0.45 ≤ x ≤ 0.485). Во всех исследуемых концентрационных интервалах ТР3-ТР7 Δx = 0.005.

— Четырехкомпонентная система 0.98(xPbTiO3 yPbZrO3zPbNb2/3Mg1/3O3) – 0.02PbGeO3

ТР8 (I разрез системы): 0.37 ≤ x ≤ 0.57, y = 1-xz, z = 0.05.

В интервалах концентраций 0.37 ≤ x ≤ 0.425, 0.515 < x < 0.57 - Δx = 0.01, в интервале концентраций 0.425 x ≤ 0.515 — Δx = 0.005;

ТР9 (III разрез системы): 0.11 ≤ x ≤ 0.50, y = 0.05, z = 1-x-0.05.

ТР10 (V разрез системы): 0.23 ≤ x ≤ 0.52, y = z = (1-x)/2.

Во всех исследуемых концентрационных интервалах ТР9 и ТР10 Δx = 0.01

Твердотельные состояния:

Керамики, дисперсно — кристаллического вещества (шихты, синтезированные порошки, измельченные поликристаллы).

Научная новизна

В ходе выполнения предлагаемой диссертационной работы впервые:

проведено систематическое, комплексное (включающее разнообразные экспериментальные методы и феноменологические подходы) детальное исследование большого количества систем твердых растворов с морфотропными границами, подобными реализуемым в системе ЦТС;

построены фазовые х-Т-диаграммы систем, содержащие в однофазных областях изосимметрийные состояния, характеризующиеся различным поведением структурных и электрофизических параметров, а также участки их сосуществования с постоянством объемов элементарных ячеек. Дано научное истолкование появлению таких состояний в рамках реальной (дефектной) структуры твердых растворов;

в бинарных системах ЦТС и PMN-PT в области ромбоэдрически (Рэ)-тетрагонального (Т) перехода обнаружены две промежуточные сегнетоэлектрические фазы более низкой симметрии, одна из которых (моноклинная – в системе PMN-PT) – неустойчива и разрушается при измельчении образцов;

в рамках феноменологической теории фазовых переходов показано и экспериментально подтверждено, что на фазовой х-Т-диаграмме системы ЦТС существуют особые линии, обусловливающие появление двух критических точек Кюри, а также существенное увеличение скорости падения диэлектрической проницаемости с понижением температуры;

установлено, что в n-компонентных (n = 3÷4) системах твердых растворов на основе ЦТС с подобной морфотропной областью фазовая картина упрощается за счет уменьшения фазовых состояний и промежуточных фаз, а Рэ – Т переход сдвигается в сторону меньшего содержания PbTiO3, что связывается с уменьшением дефектности твердых растворов;

в системе ЦТС выявлены три интервала температур (25 °С ≤ Т < 270 °С, 270 °С ≤ Т < 360 °С, 360 °С ≤ Т ≤ 500 °С) зависимостей обратной диэлектрической проницаемости, существование которых объясняется в рамках термодинамической теории, а экспериментально они проявляются в виде лежащей вблизи переходов в кубическую фазу "области нечеткой симметрии", положение и протяженность (по температуре) которой зависят от состава твердых растворов, а также области аномального поведения диэлектрической проницаемости и немонотонного изменения параметров ячейки твердых растворов с х ≥ 0,49.

Практическая значимость работы

Выделена группа твердых растворов состава 0.98(Pb0,9727Sr0,0273)(Ti0,455Zr0,545)O3 − 0.02”Pb(Nb1/2Bi1/2)O3 + 2 вес.% PbGeO с высокими температурами Кюри Тс (350 ÷ 360 °С), достаточно высокими относительной диэлектрической проницаемостью ε33Т0 (≥ 1500), пьезоэлектрическими параметрами Kp (0.57 ÷ 0.58), |d31| (≥ 100 пКл/Н) при низких диэлектрических (tgδ < 0.02) потерях, предназначенных для устройств, работающих в силовых режимах (пьезодвигателях, ультразвуковых излучателях и пр.).

Выявлена область твердых растворов состава 0,98Pb(Ti0,465Zr0,535)O3 – 0,02Ba(W1/3Bi2/3)O3 с высокими температурами Кюри Тс (≥ 360 °С), пьезоэлектрическими параметрами Kp (~ 0.55), |d31| (100 пКл/Н) при средних значениях относительной диэлектрической проницаемости (ε33Т0 ≤ 1300), низких диэлектрических (tgδ < 0.02) потерях, которые возможно использовать в качестве основы высокотемпературных преобразователей с широкой полосой пропускания, эксплуатируемых в среднечастотном диапазоне.

Получены твердые растворы состава 0.98(0,41PbTiO3— 0,295PbZrO3– 0,295PbNb2/3Mg1/3O3) – 0.02PbGeO3, характеризующиеся достаточно высокими значениями температуры Кюри Тс ≥ 300 °С, относительной диэлектрической проницаемости ε33Т0 =2100, пьезомодулей |d31| = 150 пКл/Н, d33= 345 пКл/Н, пьезочувствительности |g31| = |d31|/ε33T= 8.1 мВ/Н и удельной чувствительности EMBED Equation.3 = 8 пКл/Н, учитывающей внутреннее сопротивление приемника ультразвука, перспективные при работе как на нагрузку, так и в режиме холостого хода преобразователей, эксплуатируемых в среднечастотном диапазоне.

Предложены в качестве основ функциональных материалов твердые растворы состава 0.98(0,11PbTiO3-0,05 PbZrO3 – 0,84PbNb2/3Mg1/3O3) – 0.02PbGeO3, которые характеризуются высокой пьезодеформацией ζ33max~2.0 мкм при Е = 10.0 кВ/см, что делает их незаменимыми в устройствах, где требуются большие, управляемые электрическим полем, микроперемещения (порядка нескольких или десятков микрометров).

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. В рамках феноменологической теории фазовых переходов показано, что на фазовой х-Т-диаграмме системы ЦТС существуют особые линии, обусловливающие появление двух критических точек Кюри, а также существенное увеличение скорости падения диэлектрической проницаемости с понижением температуры, подтверждаемое совокупностью экспериментальных данных.

2. Вблизи фазового перехода в неполярную кубическую фазу в системе ЦТС обнаружена «область нечеткой симметрии», характеризующаяся слабыми искажениями и температурно-временной нестабильностью кристаллической структуры. По мере обогащения системы титанатом свинца названная область сужается и сдвигается в сторону более высоких температур.

3. Внутри областей существования ромбоэдрической и тетрагональной фаз в изученных системах твердых растворов обнаружена сложная последовательность фазовых состояний, обусловливающая «изрезанность» х-Т-диаграмм систем и концентрационных зависимостей электрофизических характеристик. Возникновение фазовых состояний и сопутствующих им изменений свойств кристаллических сред при сохранении симметрии можно описать в рамках реальной (дефектной) структуры объектов, связанной, в том числе, и с их кристаллохимическими особенностями.

4. Между ромбоэдрической и тетрагональной фазами на х-Т-диаграммах существуют одна или две промежуточные сегнетоэлектрические фазы более низкой симметрии.

Надежность и достоверность полученных в работе результатов

Надежность и достоверность полученных в работе результатов основана на фактах одновременного использования комплекса взаимодополняющих экспериментальных методов и теоретических расчетов, согласия теоретических и экспериментальных результатов, применения апробированных методов экспериментальных исследований и метрологически аттестованной измерительной аппаратуры, в том числе, выпуска 2004÷2005 гг., проведения исследований на большом числе образцов каждого состава.

Кроме этого, беспримесность изготовленных керамик всех групп ТР, близость параметров их кристаллической структуры к известным библиографическим данным, высокие относительные плотности образцов, однородность их поверхностей и сколов, равномернозернистость, экстремальность электрофизических характеристик при выбранных режимах изготовления керамик, воспроизводимость структурных, диэлектрических, пьезоэлектрических и упругих параметров от образца к образцу внутри одного состава ТР, соответствие физических свойств ТР логике их изменения в каждой конкретной системе позволяют считать полученные результаты достоверными и надежными, а сформулированные положения и выводы – обоснованными.

Апробация результатов работы

Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях и симпозиумах:

1. Международных:

— научно-технических школах-конференциях “Молодые ученые – науке, технологиям и профессиональному образованию”(под эгидой ЮНЕСКО). Москва. МИРЭА. 2002, 2003, 2004, 2005, 2006 г.г.;

— X, XIII научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых («Ломоносов»). Москва. МГУ. 2003, 2006 гг.;

— NATO — Advanced Research Workshop on the Disordered Ferroelectrics. Kiev. 2003;

— научно-практических конференциях «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» («INTERMATIC») (под эгидой ЮНЕСКО), проводимых в рамках третьей и четвертой Московских Международных промышленных ярмарок «MIIF -2003, 2004». Москва. МИРЭА. 2003, 2004 гг.;

— 4th, 5th International Seminar on Ferroelastics Physics. Voronezh. Russia.2003, 2006;

— 10th European Meeting on Ferroelectricity. (”EMF-2003”). Helpdesk. Cambridge. 2003;

— meetings “Phase transitions in solid solutions and alloys” (“OMA”). Rostov-on-Don-Big Sochi. Russia. 2002, 2003, 2004, 2005, 2006;

— meetings “Order, disorder and properties of oxides” (“ODPO”). Rostov-on-Don-Big Sochi. Russia. 2002, 2003, 2004, 2005, 2006;

— конференции «Современные проблемы физики и высокие технологии». Томск. 2003 г.;

— научной конференции «Актуальные проблемы физики твердого тела» («ФТТ-2003»). Минск. Белоруссия. 2003 г.;

— научно-технических конференциях «Межфазная релаксация в полиматериалах». Москва. МИРЭА. 2003, 2005 гг.;

— научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы функционального материаловедения, пьезоэлектрического приборостроения и нанотехнологий» («Пьезотехника-2005»). Ростов-на-Дону — Азов. 2005 г.;

— 2nd International Conference “Physics of Electronic materials”. Kaluga. Russia. 2005;

2. Всероссийских:

— девятой научной конференции студентов-физиков и молодых ученых («ВКНСФ-9»). Красноярск. 2003 г.;

— научно-практической конференции «Керамические материалы: производство и применение». Москва. 2003 г.;

— XVII конференции по физике сегнетоэлектриков («ВКС-XVII»). Пенза. 2005.

3. Межрегиональных:

— II, III-й научно- практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь XXI века — будущее российской науки». Ростов-на-Дону. Ростовский государственный университет. 2004, 2005 гг.;

— научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Высокие информационные технологии в науке и производстве» («ВИТНП-2005»). Ростов-на-Дону. 2005;

— первой ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного Научного Центра Российской Академии Наук. Ростов-на-Дону. 2005.

4. Студенческих

— 53, 55-й научных конференциях физического факультета Ростовского государственного университета. Ростов-на-Дону. 2001, 2003. гг.

Публикации

Основные результаты диссертации отражены в печатных работах, представленных в журналах и сборниках трудов конференций, совещаний и симпозиумов. Всего по теме диссертации опубликовано 40 работ, в том числе, 4 статьи в центральной и зарубежной печати.

Личный вклад автора в разработку проблемы

Автором лично сформулированы цель и задачи исследования; собраны и обобщены в виде аналитического обзора библиографические сведения по теме диссертации; выбраны на основе литературных данных перспективные для последующего исследования системы твердых растворов; дано феноменологическое описание фазовой картины в системах типа ЦТС, показана возможность и термодинамические пути появления СЭ низкосимметрийных фаз в области Рэ-Т перехода; построены фазовые х-Т диаграммы; проведены измерения всего комплекса электрофизических параметров ТР в широком интервале температур; дано научное истолкование полученным экспериментальным результатам; разработаны компьютерные программы и сопутствующие процедуры подготовки данных для обработки результатов измерения характеристик ТР; сформулированы выводы по работе и основные научные положения, выносимые на защиту; выбраны группы ТР с практически полезными свойствами; произведено компьютерное оформление всего графического и текстового материала диссертации.

Демченко О.А. приняла участие в обсуждении результатов рентгенографического исследования, получении образцов колумбитным методом. Совместно с научным руководителем и научным консультантом Демченко О.А. проведен анализ и обобщение всего массива полученных в работе результатов.

Сотрудниками НИИ физики РГУ, в коллективе которых автор работает с 2001 года по настоящее время, осуществлены следующие работы: получен основной массив керамических образцов (к.х.н. Разумовская О.Н., технологи Тельнова Л.С., Сорокун Т.Н.), проведены рентгеноструктурные исследования (с.н.с. Шилкина Л.А.), даны консультации по вопросам измерения пьезоэлектрических характеристик (с.н.с Дудкина С.И.). Совместно с сотрудником отдела теоретической физики к.ф-м.н, с.н.с. Ивлиевым М.П. решена часть задач теоретического плана.

Объем и структура работы

Работа состоит из введения, шести глав, заключения, изложенных на 208 страницах, а также приложений на 31 странице. В диссертации — 87 рисунков, 12 таблиц, список цитируемой литературы из 227 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулированы ее цель и задачи, показана связь темы с планом научных работ, определены объекты исследования, показаны научная новизна и практическая значимость проведенных исследований, представлены основные научные положения, выносимые на защиту, показаны надежность, достоверность и обоснованность полученных результатов, описаны личный вклад автора в разработку проблемы и апробация результатов работы, приведены основные публикации автора по теме диссертации, изложена структура работы, дана краткая характеристика каждой главы.

Первая глава, носящая обзорный характер, посвящена рассмотрению особенностей морфотропного фазового перехода в системах твердых растворов. Основное внимание уделено описанию фазовой картины в базовых системах (1-х) PbZrO3x PbTiO3 (ЦТС), (1-х) PbNb2/3Mg1/3x PbTiO3 (PMN-PT), (1-х) PbNb2/3Zn1/3O3x PbTiO3 (PZN-PT): приводятся установившиеся и новые данные о морфологии области морфотропного фазового перехода в них, доменной структуре, электрических характеристиках объектов исследования. Рассматриваются преимущества n-компонентных (n = 3÷6) систем на основе ЦТС, зависимости между структурными и электрофизическими параметрами в таких системах в окрестности области морфотропного фазового перехода (ОМФП), анализируется связь экстремальных характеристик с положением морфотропной области. Описывается теория фазового перехода типа собственного распада бинарных твердых растворов. Ромбоэдрически-тетрагональный переход в системах типа ЦТС рассмотрен в рамках феноменологической теории фазовых переходов. В заключение главы на основе анализа библиографических данных сформулированы цель и задачи работы.

Во второй главе описаны объекты исследования, методы получения и исследования образцов.

Состав изучаемых твердых растворов отвечает формулам, приведенным выше (в разделе реферата «Объекты исследования»).

ТР1, ТР3 – ТР8 получены по обычной керамической технологии: твердофазный двухстадийный синтез с промежуточным помолом и гранулированием порошков, последующее спекание в воздушной атмосфере без приложения давления.

В качестве исходных реагентов использовалось сырье (монооксиды и карбонаты металлов) высокой степени чистоты: PbO – «осч», TiO2 – «осч», ZrO2 – «ч», WO3 – «хч», Bi2O3 – «хч», SrCO3 – «чда», BaCO3 – «чда», Nb2O5 – «Нбо-Пт» (для пьезотехники).

В табл. 1 приведены оптимальные технологические регламенты получения ТР1, ТР3 – ТР8.

Таблица 1

Оптимальные технологические регламенты получения ТР1, ТР3 – ТР8

Режимы синтеза и спекания

ТР

Режимы синтеза

Режимы спекания

Т1, °С

τ1, час.

Т2, °С

τ2, час.

Тсп, °С

τсп, час.

ТР1

870

7

870

7

1220÷1240

(в зависимости от состава)

3

ТР3 – ТР7

800

4

800

4

1160÷1180

(в зависимости от состава)

3

ТР8

870

5

870

5

1200÷1220

(в зависимости от состава)

3

ТР2, ТР9, ТР10 приготовлены колумбитным методом, заключающимся в применении в качестве исходных компонентов предварительно синтезированного ниобата магния и оксидов свинца и титана. Соединение MgNb2O6 синтезировано в две стадии при температурах Т1 = 1000 °С; Т2 = 1050 °С и временах изотермических выдержек при указанных температурах τ1 = τ2 = 4 час. Для синтеза ТР применяли PbO и TiO2 квалификации «осч», MgO – «чда». Синтез ТР2, ТР9, ТР10 производился в одну стадию при Т1 = 1000 °С; τ1 = 8 час, режимы спекания для ТР2 – Тсп = 1200÷1240 °С, ТР9 – Тсп = 1200÷1220 °С; ТР10 – Тсп = 1220÷1240 °С (в зависимости от состава), τсп = 3 час. для всех указанных ТР.

Изготовление измерительных образцов включает две технологические операции: механическую обработку и нанесение электродов.

Поисковые измерительные образцы изготавливали в виде дисков ( 10х1 мм или 10х0,5 мм.). Обработку поверхностей производили алмазным инструментом по 6 классу точности.

Электроды наносили двукратным вжиганием серебросодержащей пасты при температуре 800 оС в течение 0.5 час. Для микроструктурных и рентгенографических исследований специально готовили один образец из серии образцов каждого состава, плоская поверхность которого полировалась до 13 класса.

Формирование поляризованного состояния осуществляли методом «горячей» поляризации, в процессе которой электрическое поле к образцам прикладывали при высокой температуре. При этом образцы загружали в камеру с полиэтиленсилоксановой жидкостью ПЭС-5 при ~ 25 оС, в течение 0.5 час. осуществляли плавный подъем температуры до 140 оС, сопровождающийся увеличением создаваемого поля от 0 до 5÷7 кВ/мм. В этих условиях образцы выдерживали 20÷25 мин. и затем охлаждали под полем до ~25 оС (комнатная температура).

Рентгенографические исследования проводились в отделе активных материалов НИИ физики РГУ старшим научным сотрудникам Шилкиной Л. А. методом порошковой дифракции с использованием дифрактометров ДРОН-3 и АДП (FeКαизлучение; Mn-фильтр; FeKβ-излучение; схема фокусировки по Брэггу — Брентано). Исследовались объемные образцы и измельченные керамические объекты, что позволяло исключить влияние поверхностных эффектов, напряжений и текстур, возникающих в процессе получения керамик. Расчет структурных параметров производился по стандартным методикам. Погрешности измерений структурных параметров имеют следующие величины: линейных Δa = Δb = Δc =±(0.002 ÷ 0.004) Å; угловых Δα = 3′; объема ΔV = ± 0.05Å3V/V*100% = 0.07%).

Определение измеренной (ρизм..) плотности образцов осуществляли методом гидростатического взвешивания, где в качестве жидкой среды использовали октан. Плотность рассчитывали по формуле ρизм.. =(ρокт *m1)/(m2 — m3 + m4), где ρокт – плотность октана, m1 – масса сухой заготовки, m2 – масса заготовки, насыщенной октаном, m3 – масса насыщенной заготовки, взвешенной в октане с подвесом, m4 – масса подвеса для заготовки. Расчет рентгеновской плотности (ρрентг.) производили по формуле: ρрентг.=1.66*M/V, где М ‑ вес формульной единицы в граммах, V – объем перовскитной ячейки в Å. Относительную плотность (ρотн.) рассчитывали по формуле (ρизм./ ρрентг.)*100%.

Для аттестации электрофизических свойств исследуемых ТР проведены измерения их диэлектрических, пьезоэлектрических и упругих параметров при комнатной температуре в соответствии с ОСТ 11 0444-87. При этом, определяли: относительные диэлектрические проницаемости поляризованных (ε33т/ε0) и неполяризованных (ε/ε0) образцов, диэлектрические потери в слабом поле (тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ)), удельное электрическое сопротивление (ρv) при 100 оС, пьезомодули: — d31, d33, коэффициент электромеханической связи планарной моды колебаний (Kp), механическую добротность (Qм), модуль Юнга (YE11), скорость звука (VE1). Расчет параметров производили с помощью разработанной автором диссертации программы (среда программирования Delphi 5). Полученные значения параметров всех измеренных образцов каждого состава усредняли. Построение зависимостей диэлектрических, пьезоэлектрических и упругих характеристик при комнатной температуре от состава (x) осуществлено с использованием этих усредненных значений. В работе приведены оценки погрешностей измерений всех анализируемых электрофизических характеристик.

Высокотемпературные измерения относительной диэлектрической проницаемости (ε/ε0) и тангенса угла диэлектрических потерь (tgδ) производили при помощи моста переменного тока Е-8-2 на частоте 1 кГц в интервале температур 25 ÷ 650 oC, отдельные составы измеряли на приборе «Измеритель иммитанса Е-7-20» (выпуска 2004 г.).

В главе дано обоснование необходимости и возможности исследования систем ТР с малым концентрационным шагом, Δх < 1 мол.% (0,25÷0,5 мол.%); описан метод поиска морфотропной области в n-компонентных системах ТР.

В третьей главе представлено феноменологическое описание твердых растворов системы ЦТС в области морфотропного фазового перехода.

Вид экспериментально установленной фазовой хТ диаграммы системы ЦТС позволяет при последующем полуколичественном анализе фазовых превращений и особенностей физических свойств этой системы считать, что коэффициент α1 зависит только от температуры (Т), тогда как коэффициент β1 является функцией только концентрации (х) компонент ТР:

α1= α1Т(ТТ*) => Т = α1/ α1Т+ Т*; (1)

β1 = β1х (хх*) => х = β1 / β1х+х*; (2),

где Т*— температура ФП, х*— концентрация, соответствующая ФП.

В свою очередь, наличие критической точки на линии фазовых переходов из кубической в ромбоэдрическую фазу свидетельствует о том, что константа α2 меняет знак в области положительных значений β1. Для удобства последующего анализа запишем α2 как функцию от α1, β1:

α2 = kαα1+ kββ1+ α20,



Страницы: Первая | 1 | 2 | 3 | Вперед → | Последняя | Весь текст