ВВЕДЕНИЕ

Актуальность

В 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(Tih_xSn_x)O₃ (BTS), основным является состав BaTiO₃, a 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. C 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 Ауривиллиуса,

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.

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.

Целью данной работы являлось 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 Си) 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 титаната-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 титанатов 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 параэлектрической фазе (температура ~ 80°С), может быть использован при поляризации данных материалов для применения в качестве пьезокерамических элементов с изгибными колебаниями.

Методология и методы исследования

Основным методом исследований являлся метод диэлектрической спектроскопии, в качестве дополняющих методов - динамический метод измерения пирокоэффициента и определения профиля поляризации (TSW метод), метод Cofiepa-Tayepa по исследованию петель диэлектрического гистерезиса, и температурные измерения диэлектрической проницаемости.

Положения, выносимые на защиту

• 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.

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

• 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-Polisch 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 сегнетопьезокерамикакерамика и родственные материалы: получение, свойства, применения (ретроспектива - современность - прогнозы). Ростов-на-Дону - п.Лоо, 2012r.; Joint International Symposium ISFD-Ilth-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; Intematonal conference Functional materials and nanotechnologies, Tartu, Estonia. 2013.; VIII Всероссийской научной конференции «Керамика и композиционные материалы», Сыктывкар, 2013r; 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 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 измерения 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.