Редакция сайта ТАСС
МОСКВА, 16 декабря. /ТАСС/. Ученые Южного федерального университета разработали технологию, значительно улучшающую свойства экологичной пьезокерамики - феррита висмута. Как рассказали в вузе, новая технология открывает путь к отечественному производству экологичных материалов для датчиков, работающих в экстремальных условиях.
Современная техника немыслима без пьезоэлектриков (PZT) - материалов, преобразующих электричество в механическое движение и наоборот. От медицинских УЗИ-аппаратов и топливных форсунок в автомобилях до систем точного позиционирования - везде работают пьезокерамические элементы на основе свинца. Однако у них есть два существенных недостатка: токсичность, опасная при производстве и утилизации, и ограниченный температурный диапазон работы. При нагреве выше 350-400 градусов такие датчики теряют свои свойства
Одним из перспективных бессвинцовых кандидатов на замену PZT считается феррит висмута, который и был взят за основу в экспериментах ростовских ученых. Этот материал экологичен и не теряет своих пьезоэлектрических свойств вплоть до 850 градусов Цельсия. Однако, как рассказали в ЮФУ, в чистом виде феррит висмута сильно уступает свинцовым аналогам. Поэтому его разбавляют вторым компонентом, что позволяет стабилизировать структуру и улучшить электрофизические характеристики. В экспериментах, которые проводили ученые, вторым компонентом раствора стал сегнетоэлектрик титанат бария.
Результаты рентгеноструктурного анализа полученного раствора были неожиданными. Оказалось, что в материале произошло неполное растворение компонентов, и внутри керамики сформировалась сложная наноструктура - своеобразная "мозаика" из областей, обогащенных то висмутом, то барием, с разной симметрией кристаллической решетки. Выяснилось, что модифицированная керамика ведет себя как релаксор - материал, чьи свойства слабо меняются в широком диапазоне температур. А это именно то, что нужно для стабильной работы датчика при нагреве. Главным же практическим результатом стал рост пьезомодуля - ключевой характеристики, показывающей силу связи между механическим воздействием (давлением, силой) и возникающим электрическим зарядом или наоборот, связь между электрическим полем и деформацией материала. Выяснилось, что у опытного образца этот показатель почти в два раза выше, чем у аналогичной керамики, полученной по обычной технологии.
Полученные результаты - важный шаг к созданию нового поколения функциональных материалов. Разработанная методика позволяет целенаправленно влиять на свойства высокотемпературной пьезокерамики, что открывает путь к отечественному производству экологичных материалов для датчиков, работающих в экстремальных условиях, считают в Южном федеральном университете.
Об исследовании
Исследования выполнены при поддержке Российского научного фонда (проект №24-22-00415) и Министерства науки и высшего образования РФ.
Комментарии