ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темыВ настоящее время значительное внимание уделяется поиску пьезокерамических материалов, обладающих близкими к керамике ЦТС диэлектрическими характеристиками. В данной работе исследовано два типа керамических структур.

Первые созданы на основе «классического» сегнетоэлектрика - ти­таната бария. Возможность их практического применения обусловлена сильной зависимостью температуры фазового перехода и диэлектриче­ских характеристик от процентного содержания замещающего состава. В растворе титаната-станната бария Ba(Tiι_-χSnχ)O₃ (BTS), основным являет­ся состав BaTiO₃, а BaSnO₃- замещающим. Наличие слоев с разной кон­центрацией олова, позволило получить систему с градиентом физических свойств по толщине образца. Наличие в образце пьезоэлектрической ке­рамики градиента физических свойств, в частности спонтанной поляриза­ции, приводит к возникновению изгибных пьезоэлектрических колебаний. Пьезопреобразователи на основе изгибных колебаний пьезокерамических элементов являются элементами пассивных интеллектуальных конструк­ций, которые регистрируют информацию о состоянии объекта. С их по­мощью возможно осуществление устройств и систем гашения вибраций, что чрезвычайно актуально, например, для прецизионного машинострое­ния, электротехнической промышленности (мощные трансформаторы), судостроения, летательных и ракетных аппаратов и др. Устройства и сис­темы гашения вибрации могут быть диверсифицированы и использованы для подавления акустических волн в воздухе и воде.

Вторые представляют собой фазы Ауривиллиуса, что вызывает ин­терес к исследованию их диэлектрических свойств. Титанаты висмута со структурой типа слоистого перовскита, относящиеся к семейству фаз Ау- ривиллиуса, являющиеся сегнетоэлектриками с высокими температурами Кюри [1], могут оказаться перспективными для использования в радио-, акусто- и оптоэлектронике, для изготовления радиотехнических конденса­торов, пьезоэлектрических преобразователей, фильтров, гидроакустиче­ских устройств, пироэлектрических приемников инфракрасного излуче­ния.

держащие титанаты со структурой типа пирохлора пригодны и экономи­чески эффективны для практического применения, в частности, как мате­риалы для микроволновых и радиочастотных устройств.

Таким образом, исследование катионзамещенных керамик титаната висмута и слоистых керамик на основе титаната-станната бария играет важную роль при создании материалов для различных технологических приложений и является актуальным вопросом исследования, как в при­кладном, так и в теоретическом плане.

Цель настоящей работы: выявление особенностей диэлектрических свойств слоистых керамик на основе титаната-станната бария и титаната висмута. В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

1. Исследование диэлектрических спектров образцов висмутсодержа­щей керамики с атомами замещения железа, хрома, меди и слоистых структур на основе титаната-станната бария в диапазоне частот от 20 Гц до 1 МГц.

2. Провести анализ влияния концентрации и типа атомов замещения (Fe, Cr и Cu) на диэлектрические характеристики висмутсодержащей ке­рамики.

3. Провести анализ влияния градиента состава на сегнетоэлектрические и диэлектрические свойства слоистой керамики на основе BTS.

Научная новизна

Впервые на основе исследований дисперсии диэлектрической прони­цаемости проведен анализ релаксационных процессов в керамике на осно­ве титанатов висмута со структурой слоистого перовскита и слоистого пи­рохлора, а также в слоистой керамике на основе титаната-станната бария.

Показано влияние перовскитоподобных слоев и ионных радиусов леги­рующих атомов керамики на основе титанатов висмута со структурами типа слоистого перовскита на дисперсию комплексной диэлектрической проницаемости.

Выявлена зависимость профиля поляризации, диэлектрических и пиро­электрических свойств градиентной керамики на основе титаната- станната бария от числа слоев с разной концентрацией олова.

Теоретическая и практическая значимостьвыполненной работы состоит в получении для пьезоэлектрической керамики на основе титана- та-станната бария с градиентом состава новой информации (как экспери­ментальной, так и расширяющей теоретические представления) об осо­бенностях диэлектрических и пироэлектрических свойств в зависимости от числа слоев с разной концентрацией олова.

Исследования диэлектрических свойств висмутсодержащей керами­ки, являются научной основой поиска новых соединений на основе тита- 4

натов висмута, стабильных в широком температурном и концентрацион­ном интервале, разнообразных по составу, что расширяет возможности получения новых материалов, перспективных для многих критически важных приложений.

Предложенный способ получения линейного градиента поляризации по толщине образца сегнетоэлектрической керамики на основе титаната- станната бария состоящей из четырех слоев с разной концентрацией олова в результате предварительного воздействия в виде выдержки в параэлек- трической фазе (температура ~ 80 °С), может быть использован при поля­ризации данных материалов для применения в качестве пьезокерамиче­ских элементов с изгибными колебаниями.

Методология и методы исследованияОсновным методом иссле­дований являлся метод диэлектрической спектроскопии, в качестве до­полняющих методов - динамический метод измерения пирокоэффициента и определения профиля поляризации (TSW метод), метод Сойера-Тауэра по исследованию петель диэлектрического гистерезиса и температурные измерения диэлектрической проницаемости.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Характер дисперсии комплексной диэлектрической проницаемости керамики на основе титаната висмута со слоистой структурой определяет­ся ионным радиусом легирующих атомов, и в случае разной концентрации примесей зависит от числа слоев в перовскитоподобном блоке.

2. Профиль поляризации в четырехслойных образцах керамики на ос­нове титаната-станната бария не зависит от способа получения образца.

3. Диэлектрические свойства (спонтанная поляризация, диэлектриче­ская проницаемость) керамики на основе BTS с градиентом состава опре­деляются как числом слоев с разной концентрацией олова, так и видом межслойной границы - четкая или размытая.

Достоверность результатовдиссертации обеспечивается корректной постановкой исследовательских задач; применением современных методов регистрации и обработки экспериментальных результатов; апробацией на международных и всероссийских конференциях; публикациями в рецензируемых изданиях.

Апробация результатов. Lithuanian-Ukrainian-Polish Meeting on Ferroelectrics Physics: Vilnius, Lithuania, 2010; Международной конференции, Физика диэлектриков «Диэлектрики-2011» Санкт- Петербург, 2011; European Meeting on Ferroelectricity (EMF-12^th), Bordeaux, France, 2011; Школы ФГБУ «ПИЯФ» по физике конденсированного состояния (ФКС-2012), С.-Петербург, 2012; международного

симпозиума. «Бессвинцовая сегнетопьезокерамика и родственные материалы: получение, свойства, применения (ретроспектива -

современность - прогнозы). Ростов-на-Дону - п. Лоо, 2012; Joint International Symposium ISFD-11th-RCBJSF. Ural Federal University, Eketerinburg, Russia, 2012; Второго междунродного междисциплинарного молодежного симпозиума «Физика бессвинцовых пьезоактивных и родственных материалов (Анализ современного состояния и перспективы развития)» Ростов-на-Дону, 2013; Internatonal conference Functional materials and nanotechnologies, Tartu, Estonia. 2013.; VIII Всероссийской научной конференции «Керамика и композиционные материалы», Сыктывкар, 2013; XIII международной конференции «Физика диэлектриков» (ДИЭЛЕКТРИКИ - 2014), С.-Петербург 2014; XX Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков. Красноярск, 2014; Japan Symposium on Ferroelectricity and 9th International Conference Functional Materials and Nanotechnologies.

Основное содержание работыопубликовано в 5 статьях во всерос­сийских и зарубежных реферируемых печатных изданиях, рекомендован­ных ВАК, и в 2 статьях в рецензируемом издании.

Личный вклад автора.Настоящая работа выполнялась на кафедрах «Технической физики и инновационных технологий» и прикладной физи­ки Тверского государственного университета. Диссертантом совместно с научным руководителем проводились выбор темы, планирование работы, постановка задач и обсуждение полученных результатов. Автором лично выполнены все представленные в работе эксперименты, проведены расче­ты, обработаны полученные результаты. Анализ диаграмм дисперсии ди­электрической проницаемости проводился совместно с доцентом кафедры прикладной физики Барабановой Е.В.

Структура и объем работы.Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 127 страниц основного текста, 73 рисунка, 9 таблиц, список литературы из 100 наименований.