Введение к работе
Актуальность проблемы. Более 40 лет перовскитовая сегнетопьеэоэлектрическая керамика (С ПК) привлекает внимание исследователей и разработчиков в связи с необычностью физических свойств и постоянно расширяющимися возможностями ее применения. Так, с 1965 года с периодом в 4 года повторяются международные конференции, на которых неизменно большое место занимают проблемы СП К и ее использование в науке и технике. По последним данным зарубежной печати [1] объем производства изделий из перовскитовой керамики, среди которой СПК принадлежит основной объем, превысил 20 млрд. долларов в год.
Существенный вклад в развитие физики сегнетоэлектричества, технологии производства и пьезоэлектрических устройств внесли отечественные ученые: Смоленский Г.А., Желудев И.С., ФесенкоЕ.Г., Венэвцев Ю.Н, Климов В.В., ИсуповВ.А., Крамаров О.П., Бондаренко B.C., Малов В.В., Некрасов М.М., Ерофеев А.А., Рагульскис К.М. и др. Ими было показано, что СПК является весьма сложным объектом физики твердого тола и материаловедения, а создание пьеэотехнических устройств определяется эффективностью сегнетоэлектрического материала, свойства которого зависят от его атомной структуры и химического состава.
Помимо традиционного применения СПК для ультразвуковых излучателей и приемников, звукоснимателей, фильтров, датчиков вибраций и ускорений большой интерес в последнее вредея проявляется к созданию прецизионных устройств перемещения для, нанотехнологии и адаптивной оптики, высокочувствительных датчиков для УЗ"«Двф9Ктоскопии и элементов медицинской диагностики, датчиков- контроля, регистрации различных физических процессов и т.п. Требования к параметрам активных элементов каждого из таких устройств весьма специфичны, поэтому для выбора оптимального по заданным свойствам материала необходимы комплексные исследования по схеме "состав - атомная структура - надатомная структура -физические свойства - устройство", Такие исследования были проведены под руководством автора в рамках фундаментальных и прикладных НИОКР Госкомоборонпрома РФ, Российского космического агентства, Госкомвуза РФ, а также специальных научно-технических комплексных целевых программ "Пьезо-РВО-1", "Пьезо-РВО-2": "Создание, освоение и производство высокоэффективных пьезоматериалов и пьезопреобразователей для средств измерения различных физических процессов и систем диагностики изделий Минобщемаша СССР".
Состояние проблемы. К началу диссертационной работы (1970г.) в результате проведенных исследований уже были заложены основы сегнетоэлектрического материаловедения и пьезоэлектрического приборостроения. Однако, ряд научно-технических задач в системах связи, радиотехнике, приборостроении, автоматике и робототехнике невозможно было решить без новых типов материалов и новых технологий, т.к. дальнейший рост эффективности имеющихся в промышленности составов был исчерпан.
Было известно, что система ЦТС (цирконат-титанат свинца) наиболее эффективна, а электрофизические параметры составов СПК из области морфотропного перехода (ОМП) и прилегающих к ней узких областей имеют экстремальные параметры и этим надо руководствоваться при выборе химического состава в этой системе. Но области эти были недостаточно изученными; недостаточно изученными оставались свойства этих составов и их стабильность в сильных электрических и механических полях и при комплексном воздействии температур и давлений. Не были систематизированы и нуждались в доработке сведения о физических механизмах, определяющих свойства составов СПК, полученных различными технологическими методами. СПК изготавливалась обычной, перенесенной из керамического производства традиционной технологией (ТТ), в которой варьировались только два параметра: температура t(x) и время спекания т.
Цель работы заключалась в выявлении и исследовании
концонтрационных фаниц существования составов СПК, устойчивых к
комплексному воздействию внешних дестабилизирующих факторов, в
разработке методов оптимизации дефектов и минимизации остаточных
напряжений в СПК, разработке физико-технологических основ получения
высокоэффективной СПК, в разработка и производстве новых
сегнетоэлектрических материалов, в том числе композиционных; в создании
пьезопреобразователей с повышенными эксплуатационными
характеристиками и новых конструкций пьезотехнических устройств.
В соответствии с целью работы были поставлены следующие основные задачи диссертации:
-
Обосновать выбор составов стабильной к внешним воздействиям во всем интервале рабочих температур высокоэффективной СПК.
-
Разработать оптимальные технологии получения сегнетопьезоэлектрических материалов, позволяющие управлять концентрацией дефектов и остаточными напряжениями.
-
Создать специальное оборудование для экспрессного получения поисковых составов СПК и технологическое - для производства СПК в виде высокоплотных крупногабаритных блоков.
-
Разработать на основе оптимизированных по составу, дефектам и остаточным механическим напряжениям СПК новые конструкции пьезоэлектрических устройств для систем и устройств радиотехники связи и оптики.
5. Организовать опытное производство новых материалов и
пьезоэлектрических преобразователей. Передать разработки в
промышленность и НИИ.
Методы исследования, В проведенных исследованиях использовались системный анализ, методы математической статистики, регрессионный анализ, электронная и оптическая микроскопия, ронтгеноструктурный анализ, моделирование технологических процессов на экспериментальных устеновках и стендах, измерительный комплекс для определения пьезоэлектрических параметров образцов согласно ОСТ 11.044-87.
Научная новизна работы. Впервые проведен многоуровневый анализ
особенностей СПК системы ЦТС с соответствующими дефектами
и остаточными напряжениями, определяющих качество
свгнетопьезоэлектрических материалов и преобразователей:
уточнены условия выбора составов СПК для заданных применений, устойчивых к комплексному воздействию дестабилизирующих факторов;
установлено, что свойства составов СПК, стабильных к внешним воздействиям, определяются их положением на фазовой (t, х) диаграмме в ромбоэдрической (Р) и тетрагональной (Т) - фазах, принадлежащих тем областям, где фазовые переходы находятся вне интервала рабочих температур;
установлено, что метод квазиизостатического горячего прессования (ГП), развитый в работе, позволяет оптимизировать дефекты и минимизировать остаточные напряжения в керамике;
изучены особенности оптимизации технологических режимов получения высокоплотной СПК в виде крупногабаритных блоков на основе исследований кинетики спекания под давлением многокомпонентных твердых растворов.
проведена классификация новых пьезоэлектрических исполнительных устройств; выявлены конструктивные и технологические особенности
разработанных пьезоприводов на основе резонансных и нерезонансных электромеханических преобразователей;
показаны особенности принципиально нового твердотельного исполнительного устройства с запоминающей электромеханической характеристикой;
- получены многослойные конструкции чувствительных пьезоэлементов
на основе высокоплотной СПК, которые позволяют достигнуть высоких
эксплуатационных параметров преобразователей для датчиковой
аппаратуры;
- показаны возможности разработанной технологии получения
монолитного демпфера УЗ-преобразователя с управляемой плотностью
(скоростью звука) для создания нового поколения акустических
преобразователей;
- разработаны экономичные вторичные источники питания на базе новых
конструкций пьеэотрансформатороо.
Основные защищаемые положения
-
В системах на основе ЦТС комплексными исследованиями ОМП и областей непосредственно примыкающих к ней, гдо электрофизические параметры принимают экстремальные значения, установлено, что стабильные к внешним механическим и электрическим воздействиям во всем интервале рабочих температур составы СПК расположены вблизи ОМП на расстояниях от границ ОМП, определяемых наклоном ОМП к оси концентраций.
-
В исследованном и развитом в работе методе квазиизостатического горячего прессования регулируются и могут быть существенно снижены соответствующим выбором параметров t(x), р(х), х
ширина ОМП,
дефекты (типы и концентрации) и остаточные механические напряжения (типы и величины).
3. Оптимизированная по составу, дефектам .остаточным напряжениям,
физическим параметрам и механическим свойствам СПК использована при
разработке:
монолитного с высокой механической прочностью и жесткостью активного преобразователя в виде стержня крестообразного сечения с недостижимыми в других конструкциях отношением длины к толщине стенки -до 200, что определяет его исключительно высокую чувствительность -свыше 60 нм/В в исполнительных прецизионных устройствах;
- принципиально новой конструкции монолитного демпфера УЗ-
преобраэователя с монотонноубывающей плотностью (скоростью звука) так,
что акустический ситал полностью затухает в материале демпфера, что
исключает- возникновение отражающего сигнала в акустических
преобразоввателях современной ультразвуковой аппаратуры;
керамических многослойных конструкций чувствительных пьеэоэлементов с экстремально высоким уровнем эксплуатационных параметров, не уступающих лучшим зарубежным аналогам;
принципиально нового твердотельного исполнительного устройства с запоминающей электромеханической характеристикой;
функциональных элементов радиотехнических устройств на основе высокоплотной СПК.
Практическая ценность работы
Сформулированы критерии выбора составов СПК в системе ЦТС с оптимальными свойствами, устойчивыми к воздействию дестабилизирующих факторов.
Разработаны новые высокоэффоктивные сегнетопьезоэлектрические материалы, в том числе с высокой точкой Кюри и композиционные, а также технология их получения. Разработан метод фазопереходной усталости, дающий интегральную оценку остаточных напряжений, что позволило рекомендовать его как способ определения качества СПК.
Созданы установки ГП типа УССК-1, УССК-2 для экспрессного получения поисковых образцов; отработаны конструкции основных узлов установок для получения крупногабаритных блоков СПК: на их основе совместно с конструкторами созданы установки ГП для промышленного производства высокоплотной СПК. Установки типа УССК-1, УССК-2 функционируют в НКТБ "Пьеэоприбор", ВНИИХТ и НПО "Алмаз* Минатом; на фирме РТБ БОР (Югославия) и Институте проблем техники Силезского университета (Польша). Установками для производства крупногабаритных блоков оснащены предприятия-производители радиотехнической продукции -завод "Ион", завод "Аврора", ВНИИРТ, опытные производства НИИ Физики РГУ, НКТБ "Пьеэоприбор" и др.
Разработаны технологии, элементная база и принципы конструирования новых пьезоэлектрических исполнительных устройств для адаптивной оптики; нанотехнологои, космических технологических систем. Освоен выпуск цельнокерамических адаптивных зеркал АЗ-1, АЗ-2 и многослойных пьезодвигателей МПП-1.
Разработана технология производства пьезопреобразователей с заданной переменной плотностью, на основе которой освоен выпуск чувствительных элементов для датчиков систем диагностики энергетических установок и монолитных матричных акустических пьезопреобразоватопей для УЗ-эхотомоскопов с электронным сканированием.
Освоено мелкосерийное производство новых евтотопьезоэлектричоских материалов в виде высокоплотной СПК (ПКР-1, ПКР-37, ПКР-5, ПКР-7, ПКР-10, ПКР-3, ПКР-ЗМ, ПКР-11, ПКР-17, ПКР-36, ПКР-23, ПКР-40, ПКР-54, ТВ-3, ТНВ-1), а также композиционного материала КМБ-3. Шифр разработанных материалов - ПКР (пьезоэлектрическая керамика ростовская).
Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на:
1. Всесоюзном совещании по сегнетоэлектричеству (г.Ростов-на-Дону, 1973г.).
-
Всесоюзном совещании Научного совета АН СССР по проблеме "Ультразвук" (г. Великий Устюг, 1986 г.).
-
3-й Всесоюзной конференции "Актуальные проблемы получения и применения сегнетопьезоэлектрических материалов и их роль в ускорении научно-технического прогресса" (г. Москва, 1987 г.).
4. Совещании "Сенсор-89" (г. Ужгород, 1989 г.).
-
Школе-семинаре по акустоэлектронным устройствам (г. Москва, ВДНХ, 1989 г.).
-
Всесоюзной конференции "Акустоэлектронные устройства обработки информации на ПАВ" (г. Черкассы, 1990 г.).
-
Международной конференции по неразрушающим методам контроля (г. Варна, Болгария, 1991.).
-
7-ой Международной конференции по сегнетоэлектричеству (Франция, Дижон, 1991 г.).
-
Семинаре секции "Объемные интегральные схемы" при МПРНТОРЭС (г. Москва, 1992 г.).
-
Международной конференции по кристаллографии (Польша, 1992 г.).
11. Научно-технической конференции "Керамика в народном хозяйство"
(г. Суздаль, 1993 г.).
-
Международной конференции по сегнетоэлектричеству (США, 1993г.);
-
Третьей Международной деловой встрече."Диагностика - 93" (г.Ялта, 1993 г.).
-
Международном симпозиуме "Сегнетопьезоэлектрические материалы и их применение" (г. Москва, 1994 г.).
15. Научно-технической конференции "Керамика в неродном хозяйстве"
(г. Ярославль, 1994 г.).
16. Международной конференции "Пьезотехника 95" -. Ростсв+аДн/, 1995г.)
Публикации. Содержание исследований раскрыто в научных трудах, в том числе в 3 монографиях, в 23 статьях, в 70 изобретениях и в 12 отчетах о НИОКР.
Личный вклад автора. Результаты диссертации получены в ходе многолетней (1970-1995л-) самостоятельной работы автора, а также совместно с сотрудниками физического факультета, НИИ Физики и НКТБ "Пьезоприбор" Ростовского госунивереитета, где в разное время автор работал старшим научным сотрудником, руководил лабораторией ГП, опытио-тохнолстческой лабораторией и опытным производством.
Вклад азтора в разработку проблемы состоит в следующем.
Все положения, выносимые на защиту разработаны лично азтором. Автору принадлежат обобщенные в схеме 1 принципы анализа структурных особенностей, прочности, остаточных напряжений СПК и пьезокерамических изделий. Непосредственно исследования дофектоз и остаточных напряжений на каждом из уровней формирования СПК и пьезоэлектрических преобразователей проводились автором совместно с сотрудниками лаборатории рснтгсноструктурнсго анализа, руководимой профессором М.Ф. Куприяновым. Научные результаты оформлялись в виде статей с соавторами исследований. Все исследования прочностных характеристик СПК проводились в НИИМ и ПМ РГУ в лаборатории В.П. Зацаринного.
Автор впервые в стране провел лично исследования кинетики уплотнения СПК при ГП, что позволило в дальнейшем разработать способы получения крупногабаритных блоков СПК, защищенные изобретениями. Автор является соавтором изобретений на пьезокерамические материалы, разработка которых велась большим коллективом под руководством лауреата государственной премии СССР, профессора Е.Г. Фесенко. Вклад автора в эти работы состоял в изготовлении поисковых образцов и оптимизации получения качественной СПК в виде высокоплотной керамики на макетных образцах установок ГП. Реализация всех новых технологических решений в части получения крупногабаритных блоков СПК осуществлялась на специально созданном автором опытно-экспериментальном участке, оснащенном макетными образцами новых установок ГП для поисковых исследований и мелкосерийного производства. Далее макеты совместно с группой конструкторов модернизировались и использовались при создании
установок ГП нескольких поколений, в том числе и последних - УССК-1, УССК-2 . Установки ГП типа УССК, разработанные под руководством автора конструкторами НКТБ "Пьезоприбор", были изготовлены в НКТБ "Пьезоприбор" и поставлены предприятиям РФ и зарубежным фирмам.
Исследования физических свойств СПК проводились в лабораториях электрофизических измерений НИИФизики и НКТБ "Пьезоприбор". Микроструктурный анализ проводился совместно с группой В.А. Алешина. Все работы в области создания акустоэлектронных радиокомпонентов на базе ПАВ-материалов проводились совместно с лабораторией ОНИЛ ПАВ РГУ, руководимой профессором Туриком А. В.
Непосредственное участие принимал автор в разработке и составлении заявок на изобретения конструкций пьезоэлектрических устройств, представленных в диссертации, в том числе исполнительных механизмов для адаптивной оптики, УЗ-преобразователей с переменной плотностью и вторичных источников питания на базе пьеэотрансформаторов.
Обобщение результатов исследований, выполненных автором на протяжении 25 лет и представленных в кратком виде в настоящей диссертационной работе более полно отражены в монографиях:
1. "Физика и технология сегнетокерамики", где автором написаны вторая,
третья, четвертая и пятая главы.
2. "Сегнетоэлектрические морфотропные переходы", где автором
написаны третья, четвертая и пятая главы.
3. "Тонкие сегнетоэлектрические пленки", где автором написаны первая,
вторая, и последняя главы.
Общая постановка и обоснование задачи исследований, непосредственное научное руководство всем циклом обобщенных в диссертации работ, а также представленные на защиту положения и выводы диссертации принадлежат автору.
Структура и объем. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, литературы и приложения.
Общий объем диссертации составляет 250 с, из них непосредственно текст изложен на 150 с, рисунков 61, таблиц 26, приложение 14с, библиография содержит 78 названий.
