Исследователи Южного федерального университета создали метод улучшения экологичной пьезокерамики для замены традиционных свинецсодержащих материалов в высокотемпературных датчиках. Новая технология включает механическое измельчение и введение химической добавки, что позволяет контролировать неоднородность материала и удвоить его пьезоэлектрический отклик.
Пьезоэлектрики важны в современной технике, преобразуя электричество в движение и обратно. Применяются в ультразвуковых аппаратах, топливных форсунках и системах позиционирования. Основной материал – свинец (PZT) – токсичен и имеет ограниченный температурный диапазон (до 350-400 °C), теряя свойства при нагреве. С ростом спроса на устройства для высоких температур (авиация, энергетика, бурение) требуются новые решения.
BiFeO₃ – перспективный «бессвинцовый» материал для замены PZT. Он экологичен и имеет высокую температуру Кюри (свыше 850 °C), но сложен в производстве из-за примесей, высокой электропроводности и слабых пьезоэлектрических свойств. Для улучшения характеристик создают твердые растворы на основе BaTiO₃, что стабилизирует структуру и улучшает электрофизические свойства.
Ученые НИИ физики ЮФУ и СКБ «Пьезоприбор» под руководством Никиты Болдырева улучшили характеристики материала с помощью физико-механического и химического подходов. Механическая активация измельчала порошок в шаровой мельнице перед спеканием для однородности и вторичной рекристаллизации. Вводились сверхстехиометрические добавки: Bi₂O₃ для компенсации испарения висмута и Mn₂O₃ для улучшения электрофизических свойств.
Рентгеноструктурный анализ показал, что компоненты в материале не растворились полностью, а образовали сложную наноструктуру с областями, обогащенными висмутом или барием, и разной симметрией кристаллической решетки. Модифицированная керамика оказалась релаксором с размытым сегнетоэлектрическим переходом, что обеспечивает стабильную работу датчика при нагреве.
Практическим результатом стало увеличение пьезомодуля d₃₃, который является ключевым показателем, отражающим соотношение деформации и электрического поля, приложенного в определенном направлении (в случае обратного пьезоэффекта), или индуцированного заряда и механического напряжения (в случае прямого пьезоэффекта). Для образца состава 0,71BiFeO₃-0,29BaTiO₃ с добавлением Bi₂O₃, прошедшего механическую активацию, этот коэффициент достиг значения 120 пКл/Н, что более чем в два раза превышает показатель аналогичной керамики, полученной традиционным методом (65 пКл/Н).
Никита Болдырев отметил, что марганец также улучшил свойства материала, однако его добавление привело к снижению электропроводности не столь значительно, как ожидалось, что помешало достижению насыщенных петель сегнетоэлектрического гистерезиса. В итоге сочетание механической активации и избытка висмута оказалось наиболее эффективным подходом.
Результаты важны для создания нового поколения функциональных материалов. Разработана методика, позволяющая влиять на свойства высокотемпературной пьезокерамики, что открывает путь к отечественному производству экологичных материалов для датчиков в экстремальных условиях. Исследования поддержаны Российским научным фондом (проект № 24-22-00415) и Министерством науки и высшего образования РФ.
Источник: scientificrussia.ru
распечатать статью
