Керамика цирконата-титаната свинца

Широко используемым представителем функциональных материалов является пьезоэлектрическая керамика [Abraham2008, Панич 1989, Jaffel971]. На настоящий момент основным материалом для изготовления пьезокерамических элементов является цирконат-титаната свинца (ЦТС).

настоящий момент являются основными пьезоэлектрическими керамическими материалами [Яффе1974, Окадзаки1976, Фесенко1983, Смоленский 1985, Панич1989, Резниченко2009, Свирская2009, Головнин2013, Uchino2010, Connolly 1970].

Пьезоэлектрические материалы считаются "интеллектуальными"("smart") материалами из-за пьезоэлектрического эффекта, т.е. способности создавать небольшой, но измеряемый электрический заряд при деформации [Choi2010, Schwartz2008]. "Интеллектуальные" материалы - это материалы, которые могут менять свои механические, термические и электрические свойства под воздействием изменений во внешней среде. Свойства, которые могут быть изменены, в свою очередь влияют на способы применения "интеллектуальных" материалов.

На сегодняшний день существует большое разнообразие областей применения пьезокерамики [Гавриляченко1999, Малов 1999, Данов2003, Jordan2001]. Одними из важнейших примеров использования данных материалов являются компоненты устройств для стабилизации и фильтрации рабочей частоты электрических цепей (пьезокерамические преобразователи), датчики в глубоководной гидроакустике и акустические преобразователи [Vetelino2010, Александров2007], а также области техники, где требуются высокие точности (единицы нанометров) при малых перемещениях (пьезоэлектрические актюаторы), позволяющих производить высокую точность дискретной или непрерывной настройки [innoresearch.net, frost.com, Borboni2008, Silva2007].

Таким образом, пьезоэлектрическая керамика составов цирконата титаната свинца (ЦТС) за счет выгодных пьезоэлектрических свойств и коэффициента электромеханической связи является основным

функциональным материалом при создании устройств в микро-

электромеханических системах (MEMS) [Jha2008, VisvanatharHOl 1-1, Visvanathan2011-2, Jalili2010]. Микросистемы, которые основаны на способности пьезокерамики преобразоывать электрическую энергию в 9

механические колебания, и наоборот используются в сканирующих зеркальных устройствах [Asai2003], микро-оптических устройствах [Valettel995, Linl994, Motamedi 1994], микро-смесителях [Yang2000], акселерометрах [Yu2001], микрохирургическом оборудовании [Виноградов2011, Мунина2012, Umehara2006, Ezhilvalavan2006, Togawal997], сканирующей зондовой микроскопии [Visvanathan2011-l, Васин2013, Cunninghaml 994].

Тонкие пьезоэлектрические слои, используемые для создания многослойных пьезоэлектрических актюаторов (МПА), позволяют осуществлять большие деформации при относительно низких рабочих напряжениях [Pritchard2004, Ballas2007, Kingl990]. Активно развивается также применение МПА для фотолитографии, в устройствах волоконной оптики, в зеркалах адаптивной оптики, для впрыска топлива и в других устройствах [Головнин2013, frost.com]. Низкие напряжения управляющего сигнала, большие значения деформации (смещения) МПА позволяют использовать их в различных областях, таких как производство полупроводников, системах топливных инжекторов, головках струйных принтеров, автофокусировках камер и устройствах затвора. [Pritchard2004]. В пьезокерамических системах микро-позиционирования сведены к минимуму такие нежелательные факторы, как гистерезис, дрейф и зависимости от давления [Головнин2013; Васин2013]. Кроме того, пьезокерамические актюаторы успешно применяются в автомобильной промышленности в качестве элементов управления инжекторными клапанами впрыска топлива благодаря быстроте их отклика, высокой эффективности, точности, низкому энергопотреблению и отличной воспроизводимости [Senousy2009].

Исследуемая в настоящей работе пьезокерамика цирконата титаната свинца Pb₀ 95 Sr₀ 05(Zr053Ti0.47)O3+Nb₂O₅ 1% (ЦТС-19) относится к

сегнетомягким материалам. Основная фаза поликристаллического твердого тела на основе цирконата-титана свинца состоит из кристаллитов твердых растворов со структурой типа перовскита [Паничі989, Резниченко2009, Свирская2009, Головнин2013]. Температура фазового перехода лежит в интервале 290 - 320 ⁰C [Отраслевой стандарт].

Температурные зависимости диэлектрической проницаемости (рис. 1.1) и петель диэлектрического гистерезиса керамики ЦТС-19 были исследованы авторами [Малышкина2016]. Исследование петель диэлектрического гистерезиса, описанное в работе, было проведено на деполяризованных образцах. Деполяризация осуществлялась с помощью нагрева образцов до температуры перехода в параэлектрическую фазу в процессе измерения температурных зависимостей диэлектрической проницаемости [Малышкина2016]. По полученным фотографиям петель авторами был произведен расчет переключаемой поляризации и коэрцитивного поля (рис. 1.2).

Рис. 1.1 Температурная зависимость диэлектрической проницаемости пьезокерамики ЦТС-19 [Малышкина2016]

Рис. 2.2 Температурные зависимости коэрцитивного поля (а) и остаточной поляризации (б) для образца ЦТС-19 [Малышкина2016]

Как видно из представленных графиков, коэрцитивное поле резко уменьшается с ростом температуры. Переключаемая поляризация до температуры порядка 200^oC имеет стабильное значение, затем уменьшается до нуля.

1.2