Новая технология изготовления пьезокомпозитов типа 3:3 и 3:0 без использования порообразователя


Нестеров А.А., Пахомов А.С., Гончаренко И. А., Мараховский М.А.

Пьезопреобразователи, способные непосредственно трансформировать всестороннее переменное давление в электрический сигнал, находят применение при изготовлении приборов медицинской диагностики, гидрофонов, датчиков сейсмического контроля и вибрации, акустически управляемых устройств и т.д.. Одним из типов объёмно-чувствительных материалов являются пьезокомпозиты типа 3:3 и 3:0 на основе пьезофаз кислородно-октаэдрического типа. В подавляющем большинстве технологий этих материалов предусматривается формирование пористого каркаса заданного типа связности за счёт удаления из прессзаготовки порообразователя. К недостаткам таких технологий относится их трудоёмкость, проблемы утилизации продуктов разложения или возгонки порообразователей и не всегда достаточная воспроизводимость свойств и макроструктуры конечных изделий. С целью совершенствования способов формирования пористых каркасов и установления влияния размеров пор на электрофизические параметры пьезокомпозитов типа 3:3 и 3:0, нами разработана совокупность приёмов, позволяющих изготавливать пористые керамические каркасы с общей пористостью до 72 об.% без использования порообразователя. В основе этих приёмов лежат исследования поформированию фаз кислородно-октаэдрического типа методом «химической сборки», в процессе которой полимерные матрицы, представляющие собой многоядерные комплексы титана (IV), циркония(IV), олова (IV) и марганца(IV), и имеющие сходное строение с подрешёткой (В) целевого продукта, заполняются катионами, формирующими подрешётку (А) целевой фазы. Это взаимодействие реализуется за счёт самопроизвольно протекающих при с.у реакций обмена или внедрения. Продуктом низкотемпературного синтеза является аморфная гелеобразная фаза, которая по данным ДТА и ТГА разлагается при температуре от 330 до 600°К (при нагревании образца со скоростью 5°К) и содержит не более 20 масс.% целевого продукта реакции (рис.1). При нагревании исходного аморфного продукта реакции со скоростью 1оК/мин в интервале температур 310 – 400°К происходит формирование пористого ксерогеля, который представляет собой аморфный целевой продукт, изменение массы которого при дальнейшем нагревании и кристаллизации не превышает 8 масс.%. Для изготовления пористых каркасов с содержанием пьезофазы от 90 до 28 объ.% предварительно полеченный методом твёрдофазных реакций порошок легированной фазы ЦТС с размером отдельных частиц (по данным сканирующей и растровой микроскопии) менее 1,8 мкм, смешивался, в заданном соотношении, с аморфной первичной фазой того же состава, полученной методом «химической сборки». Полученная шихта формовалась при минимальном одноосном давлении и полеченные заготовки со скоростью 1°К/мин нагревались в интервале температур 310 – 400°К. 

Рисунок 1. Данные ДТА и ТГА аморфной фазы образующейся в системе при синтезе методом «химической сборки» пьезофазы состава:Pb0.975Ca0.01Ba0.01Sr0.005(Ti0.48Zr0.523 + 1,4 масс. % Bi2O3.
 
Таблица 1.- ЭФП пористой керамики, изготовленной без порообразователя, на основе  пьезофазы Pb
0.975Ca0.01Ba0.01Sr0.005(Ti0.48Zr0.523 + 1,4 масс. % Bi2O3.

пористость об. %
εТ33о-d31 пК/Нd33 пК/Н
открытая    закрытая      
18 4.5 1220 106 293
37 8.8 710 42 301
46 12.4 275 26 298
54 18.1 210 17 308
3,6 22.5 1240 122 318
7,3 40.1 1050 61 322
11,9 46.4 890 39 312
14,1 57.8 645 24 326

Не зависимо от типа связности керамического каркаса, поры в образцах представляют собой совокупность каналов различной протяжённости с поперечным сечением от нескольких единиц, до нескольких десятков нм. Обсуждены причины отличия свойств полученных материалов, от свойств пьезокомпозитов того же типа, полученных в рамках традиционных технологий.
В дальнейшем, после часовой изотермической выдержки, образцы нагревались до температуре 1300 – 1350°К, при которой происходило их спекание. Указанный режим позволяет изготовить керамический каркас, преимущественно имеющий закрытую пористость (связность типа 3:0). Для получения керамики с открытой пористостью и смешанным типом пористости используются более сложные режимы термообработки заготовок. Общая пористость образцов определялась путём сравнения экспериментальных плотностей керамик с рентгенографической плотностью пьезофазы, открытая пористость – методом влагопоглощения (ГОСТ 2409-80), закрытая пористость - как разность между общей и открытой пористостью.В таблице 1 представлены ЭФП пористой керамики на основе пьезофазы Pb
0.975Ca0.01Ba0.01Sr0.005(Ti0.48Zr0.523 + 1,4 масс. % Bi2O3.
Опубликовано 10.01.2012 11:16