Введение к работе
Актуальность проблемы. Исследование концентрационных и температурных фазовых переходов в сегнетоэлектрических твердых растворах, связь структуры и свойств материалов является одной из проблем, которые представляют интерес как для физики твердого тела, так и для физической химии.
Широкое применение сегнетокерамики в различных устройствах и датчиках, обусловливает разнообразие требований к значениям электрофизических параметров и их сочетанию в используемом материале. Естественно, что удовлетворить все требования в одном сегнетокерамическом материале невозможно. Количество используемых сегнетокерамических материалов насчитывает несколько сотен и продолжает увеличиваться ежегодно. Наиболее распространенными являются сегнетокерамические материалы на основе твердых растворов цирконата-титаната свинца (ЦТС). Твердым растворам ЦТС присуще наличие границ раздела между разными сегнетоэлекгри-ческими фазами. Такие границы занимают некоторую концентрационную область и называются морфотропными областями (МФО). В МФО значения многих физических параметров являются экстремальными и именно поэтому используются сегнетокерамические материалы из этих областей твердых растворов.
Частичное замещение ионов свинца ионами других элементов, введение в твердые растворы добавок позволяют подойти к решению задачи получения материала с заданными свойствами, значениями параметров и их соотношением более простым путем.
Значительную научную информацию, в том числе и о размытии фазовых переходов вследствие нарушения периодичности структуры, несет исследование температурных фазовых переходов в ряду твердых растворов и температурное поведение концентрационных фазовых переходов.
Важным вопросом с точки зрения использования сегнетомате-риалов данной группы в конкретных устройствах является выяснение особенностей поляризации и температурного поведения характеристик поляризованных и деполяризованных образцов сегнетокерамики.
Поэтому исследование свойств и фазовых переходов в ряду твердых растворов на основе цирконата-титаната свинца является актуальным как в научном, так и в практическом плане.
і
Цель и задачи исследования. Целью работы являлось исследование электрофизических, пьезоэлектрических, пироэлектрических свойств в трёх рядах твердых растворов Pby Bai-y(Zrx Ті і-х)Оз (где у имеет значения 1; 0,82; 0,95; а х - от 0,45 до 0,62) включая области концентрационных и температурных фазовых переходов.
В соответствии с этой целью были поставлены основные задачи:
создание комплекса установок и методик измерения температурных зависимостей электрофизических параметров сегнетокерами-ческих материалов (СКМ);
разработка и создание установок и методик поляризации СКМ;
исследование влияния замещения ионов свинца ионами бария на электрофизические характеристики в морфотропной области твердых растворов на основе ЦТС в широком температурном интервале, включающем области фазовых переходов;
- исследование температурного поведения концентрационного
фазового перехода в сегнетоэлектрических твердых растворах
РЬУ Bai.y(Zrx Тіі.х)Оз ;
- разработка устройств и установок на основе ряда сегнетокерами-
ческих материалов из состава исследованной группы твердых
растворов;
Объекты исследования. В качестве объектов исследования использовались поляризованные и деполяризованные поликристаллические образцы твердых растворов Pby Bai-y (Zr х Ті і-х)Оз (где у имеет значения 1; 0,82; 0,95; а х - от 0,45 до 0,62) со сложными марганец-содержащими добавками, синтезированными Пономаревым Ю.А. в НИИ "ФОНОН" (Московская область, г.Зеленоград). Серебряные электроды на сегнетокерамические образцы наносились вжиганием в муфеле (стандартная методика) и методом вжигания в высокочастотном поле. Поляризация образцов проводилась по разработанной методике определения оптимального времени, поля и температуры поляризации. При отработке методики поляризации сегнетоэлектрических материалов были использованы образцы триглицинсульфата, выращенные в Институте кристаллографии РАН. Научная новизна. Впервые проведено комплексное исследование электрофизических свойств в морфотропных областях трёх рядов твердых растворов Pby Bai-y (Zr х Ті і-х)Оз (где у имеет значения 1; 0,82; 0,95; а х - от 0,45 до 0,62) в широком температурном интервале, включающем фазовые переходы, установлено размытие концентрационных и температурных фазовых переходов, определена мера размытия температурных фазовых переходов. Новые явления и закономерности, выявленные в результате экспериментальных исследований, обобщены в следующих основных положениях, выносимых на защиту.
-
Измерения температурных зависимостей диэлектрической проницаемости и пироэлектрического тока позволяют исследовать размытие концентрационных и температурных фазовых переходов в сегнетоэлектрических твердых растворах и предложить способ оценки размытия температурного фазового перехода. Данный метод успешно применен для исследования фазовых переходов в морфотропных областях трёх рядов твердых растворов Pby Bai-y (Zr * Ті |.х)Оз (где у принимал значения 1; 0,82; 0,95; а х - от 0,45 до 0,62).
-
Частичное замещение ионов свинца на ионы бария в вышеуказанных рядах твердых растворов приводит не только к изменению значений электрофизических параметров, но и существенно меняет температурное и концентрационное поведение этих параметров.
-
Зависимость диэлектрической проницаемости в твердых растворах типа ЦТС от температуры и концентрации компонент может быть объяснена в рамках модели ангармонического осциллятора для сегнетоэлектрических твердых растворов.
-
Исследования процессов поляризации в сегнетоэлектрических твердых растворах, проведенные на созданной установке по разработанной методике, позволяют определять параметры перестройки структуры СТР и выбирать режим поляризации сегнетокерамических материалов с учетом полей активации и времен перестройки структуры.
Практическая ценность. Результаты представляемой работы могут быть широко использованы при выборе материалов для различных устройств и приборов, использующих сегнетокерамику.
Предложенные методики определения температуры поляризации и полей активации сегнетокерамики, защищенные авторским свидетельством об изобретении, позволяют оптимизировать процесс поляризации сегнетокерамических материалов.
На основе составов из исследованных рядов сегнетоэлектрических твердых растворов разработаны следующие устройства и установки:
- датчик контроля в производстве электронных плат;
-датчик температуры для пожарных извещателей (защищен свидетельством об изобретении);
электростатические фильтры на основе пьезопреобразователей двойного действия;
портативные ионаторы-озонаторы воздуха на основе пьезокера-мики;
- ультразвуковые установки для обработки термопластичных
материалов.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертации докладывались на: 11 Всесоюзной конференции по физико-химическим основам технологии сегнетоэлектрических и родственных материалов (г.Звенигород, 1983г.); The International conference
^
"Ceramics for electronics" (Hradec Kralove, CSSR, 1988); 111 Всесоюзной конференции по физико-химическим основам технологии сег-нетоэлектрических и родственных материалов (г.Звенигород, 1988г.); IX научно-технической конференции по современным магнитным, электромагнитным и акустическим методам и приборам неразрушающего контроля (г.Свердловск, 1988г.); XII Всесоюзной конференции по физике сегнетоэлектриков (г.Ростов-на-Дону, 1989г.); The International conference "Electronic ceramics production and properties" (Riga, 1990); 1Y Научно-технической конференции "Сенсор-91" (г.Ленинград, 1991г.); 1 Всесоюзной конференции "Физика и конверсия" (г.Калининград, 1991г.); XI И конференции по физике сегнетоэлектриков (г.Тверь, 1992г.); международной конференции "Пьезотехника 95" (г.Ростов-на-Дону, 1995г.); международной конференции "Математические модели нелинейных возбуждений, переноса, динамики, управления в конденсированных и других средах" (г.Тверь, 1996г.).
Публикации и вклад автора. Основные результаты исследований опубликованы в 26 работах, написанных в соавторстве, в которых автором получены все основные экспериментальные данные, выполнены расчеты параметров, проведена интерпретация экспериментальных результатов.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и библиографии. Диссертация изложена на 124 страницах машинописного текста и содержит 62 рисунка. Библиография включает 112 наименований.