Ученые Южного федерального университета нашли способ заметно усилить бессвинцовую пьезокерамику, предназначенную для работы при высоких температурах. Результаты опубликованы в международном журнале Ceramics и профильном сборнике по материаловедению.
Пьезоэлектрические материалы лежат в основе множества технологий — от ультразвуковой диагностики до систем точного управления в двигателях и энергетике. Сегодня почти все такие устройства используют свинецсодержащую керамику. Она эффективна, но токсична и теряет свойства при нагреве выше 350−400 градусов. Для авиации, энергетики и глубинного бурения этого уже недостаточно.
Одной из наиболее перспективных альтернатив PZT считается феррит висмута BiFeO₃. Он экологичен и сохраняет сегнетоэлектрические свойства при температурах выше 850 градусов. Однако на практике материал трудно получить в стабильном виде. Он склонен к примесям, обладает повышенной электропроводностью и демонстрирует слабый пьезоэлектрический отклик. Чтобы обойти эти ограничения, феррит висмута используют в составе твердых растворов, в частности с титанатом бария BaTiO₃.
Коллектив НИИ физики ЮФУ и СКБ «Пьезоприбор» ЮФУ под руководством Никиты Болдырева применил комбинированный подход. Порошок будущей керамики подвергали интенсивному механическому измельчению перед спеканием, а затем вводили точечные добавки. Небольшой избыток оксида висмута компенсировал его испарение при высокотемпературном обжиге, а добавка оксида марганца использовалась для коррекции электрофизических свойств.
Анализ структуры показал, что компоненты растворяются не полностью. Внутри керамики формируется сложная наноструктура — области с разным химическим составом и симметрией кристаллической решетки. Такая внутренняя неоднородность приводит к релаксорному поведению материала, при котором его свойства остаются стабильными в широком температурном диапазоне.
Пьезомодуль d33, ключевой параметр для датчиков и приводов, вырос почти в два раза. Для состава 0,71BiFeO₃-0,29BaTiO₃ после механической активации он достиг 120 пКл/Н против 65 пКл/Н у керамики, полученной стандартным способом. Наиболее выраженный эффект дала комбинация механической обработки и избытка висмута.
Предложенная методика позволяет целенаправленно управлять свойствами бессвинцовой пьезокерамики и приближает создание отечественных датчиков, способных стабильно работать при экстремально высоких температурах.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что физики рассчитали, как избежать плавления металла в наноэлектронике.
