Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка инновационных, низкотемпературных, экологически чистых технологий нано- и ультрадисперсных порошков сегнетоэлектрических фаз, а также технологий изготовления, на их основе, высокоэффективных керамических (композиционных) материалов и пьезоэлементов, характеризующихся оптимальным сочетанием и высокой эксплуатационной стабильностью электрофизических параметров, предназначенных для обеспечения элементной базой импортозамещающих приборов ультразвуковой диагностики нового поколения

Номер контракта: 14.578.21.0088

Руководитель: Панич Анатолий Евгеньевич

Должность руководителя: научный руководитель

Докладчик: Доля Владимир Константинович, зам. директора НКТБ "Пьезоприбор" ЮФУ

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
низкотемпературный синтез, нано- и ультрадисперсные порошки, сегнетофазы, низкотемпературное спекание, анизотропная пьезокерамика, пьезокомпозиты

Цель проекта:
1.1 Разработка низкотемпературных, экологически чистых технологий изготовления нано- и ультрадисперсных порошков сегнетоэлектрических фаз оптимального состава и кристаллохимического строения, являющихся исходными компонентами при получении пьезоматериалов. 1.2 Разработка технологий, позволяющих на основе нано- и ультрадисперсных порошков сегнетоэлектрических фаз изготавливать керамический и композиционный пьезоматериалы с задаваемым строением нано-, мезо- и микроуровней, т.е. с технологически управляемой совокупностью электрофизических параметров.. 1.3 Разработка технологии изготовления пьезоэлементов на основе керамического и композиционного пьезоматериалов с задаваемым строением нано-, мезо- и микроуровней, предназначенных для изготовления импортозамещающих приборов ультразвуковой диагностики нового поколения с задаваемой (в физически возможных пределах) совокупностью эксплуатационных и электрофизических характеристик. В связи с тем, что известные высокотемпературные технологии изготовления пьезоматериалов, основанные на методе твёрдофазных реакций имеют целый ряд неустранимых технологических недостатков, связанных: - с нарушением состава сегнетофаз (за счёт испарения из них легколетучих оксидов s- и р – элементов, например, PbO. Bi2O3, Sb2O3 и т.д.)), что повышает экологические риски этих технологий; - изменением состава прекурсоров в процессе их термической деструкции; - закалкой образцов от температур их спекания или отжига и т.д. - вероятностным характером формирования уровней структурирования пьезоматериалов актуальной остаётся проблема разработки новых, низкотемпературных, экологически чистых методов синтеза нано- и ультрадисперсных порошков сегнетофаз (в том числе свинец- и висмутсодержащих) оптимального кристаллохимического строения и задаваемого состава. В рамках проекта впервые предлагается изменить не только механизм формирования нано- и ультрадисперсных порошков сегнетофаз, но и решить ещё одну актуальную задачу, связанную с целенаправленным формированием различных уровней структурирования функциональных материалов (нано-, мезо- и микро-), что позволит подойти к решению актуальной фундаментальной задачи: определению влияния строения различных уровней структурирования пьезокерамики и пьезокомпозитов на их ЭФП. В рамках проекта разрабатывается комплекс экологически чистых низкотемпературных технологий, включающий синтез нано- и ультрадисперсных порошков сегнетофаз оптимального состава и кристаллохимического строения и технологии изготовления на их основе пьезокерамики (активных элементов пьезокомпозитов) с задаваемым строением нано-, мезо- и микроуровней и технологически регулируемой совокупностью ЭФП. Комплексный подход к решению указанных проблем в известной нам литературе, отсутствует, что указывает на новизну решаемой проблемы. Кроме этого изменение технологии синтеза нано- и ультрадисперсных порошков сегнетофаз, а также их использования для получения керамических и композиционных пьезоматериалов потребовали создание целого ряда новых технологических решений, включающих разработку лабораторных технологий низкотемпературного синтеза сегнетофаз низколегированного титаната свинца и фаз системы ЦТС.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Экологически чистые низкотемпературные лабораторные технологии изготовления нано- и ультрадисперсных порошков сегнетофаз типа ЦТС и легированного титаната свинца оптимального состава и кристаллохимического строения и соответствующие технологические инструкция по ГОСТ 3.1105-2011.
2. Лабораторные технологии изготовления керамического и композиционного пьезоматериалов на основе нано- и ультрадисперсных порошков сегнетоэлектрических фаз и соответствующая технологическая инструкция по ГОСТ 3.1105-2011
3. Зависимости, связывающие строение нано-, мезо- и микроуровней пьезокерамики и пьезокомпозитов с их ЭФП.
4. Лабораторные технологии изготовления пьезоэлементов из керамического и композиционного пьезоматериалов и соответствующая технологическая инструкция по ГОСТ 3.1105-2011.
5 Экспериментальные партии:
- нано - и ультрадисперсных порошков сегнетоэлектрических фаз;
- керамического и композиционного пьезоматериалов на основе нано - и ультрадисперсных порошков сегнетоэлектрических фаз;
- пьезоэлементов, изготовленных из керамического и композиционного пьезоматериалов.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Сопоставление ожидаемых результатов с аналогичными разработками мирового уровня
В области синтеза порошков сегнетофаз:
- снижение температуры синтеза активных порошков сегнетофаз по сравнению с традиционными методами в среднем на 500К [1- 4], а по сравнению с солевыми методами в среднем на 300К [5-8];
- разработка методов, позволяющих целенаправленно варьировать средний диаметр синтезируемых частиц порошков от десятков до сотен нм;
В области технологии изготовления пьезоматериалов на основе легированного титаната свинца:
- снижение температуры спекания керамических и композиционных материалов в среднем на 200К. достижение, заданных ТЗ, параметров микроструктуры керамического и композиционного материала (размер зёрен в пределах 500 -5000 нм) при пористости от 3 до 15 объ.%;
В области электрофизических свойств материалов на основе легированного титаната свинца:
- достижение заданных ТЗ параметров по диэлектрической проницаемости (120 - 190), объёмного пьезомодуля (80 – 90 пКл/Н), объёмной пьезочувствительности (50 – 75)•10-3 Вм/Н и фактора приёма (4,0 – 5,2)•10-12 м2Н, что близко к теоретически возможным электрофизическим параметрам для материалов данной группы, т.е отвечает мировому уровню или его несколько превышает [9 - 17].
1. Прилипко Ю.С. Функциональная керамика. Оптимизация технологии / Ю.С. Прилипко // Донецк : Норд-Пресс, 2007. - 492 с.
2. Нестеров А.А. Панич А.А. Современные проблемы материаловедения керамических пьезоматериалов/ Нестеров А.А. Панич А.А.. Ростов-на-Дону: Изд. ЮФУ. 2010. - 226 с.
3.Haertling. Gene H. Ferroelectric Ceramic: History and Technology // Journal of the American Ceramic Society 1999 v 82(4):p/ 797 - 818. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1999.tb01840.x .
4. Lee H. J., Zhang S. , Bar-Cohen Y. and Sherrit S. High Temperature, High Power Piezoelectric Composite Transducers// Sensors 2014.№ 14. р 14526-14552; doi:10.3390/s140814526
5. Остроушко А.А. Физико-химические основы получения сложных оксидов из полимерно-солевых композиций. Автореферат докт. дис.М.,1996.
6.. Potdar H.S., Deshpande S.B., Patil A.J., Deshpande A.S., Khollam Y.B., Date S.K. Preparation and characterization of strontium zirconate (SrZrO3) fine powders. Materials Chemistry and Physics. 2000. V.65. p. 178–185
7.. Ming-li Li , Hui Liang, Ming-xia Xu. Simple oxalate precursor route for the preparation of brain-like shaped barium–strontium titanate: Ba0.6Sr0.4TiO3. Materials Chemistry and Physics. 2008. V.112.р. 337–341.
8. Baorang Li, Xiaohui Wang, Longtu Li. Synthesis and sintering behavior of BaTiO3 prepared by different chemical methods. Materials Chemistry and Physics 2002 78 р. 292–298.
9.Lee, H.J.; Zhang, S.; Luo, J.; Li, F.; Shrout, T.R. Thickness—Dependent Properties of Relaxor-PbTiO3 Ferroelectrics for Ultrasonic Transducers. Adv. Funct. Mater. 2010. v.20,р. 3154–3162.
10. Heywang W.,. Wersing W and Lubitz K. Piezoelectricity.Evolution and Future of a Technology (Springer, Berlin, Heidelberg, 2008).
11. Pardo L. and Ricote J. Multifunctional Polycrystalline Ferroelectric Materials. Processing and Properties (Springer, Dordrecht, Heidelberg, London, New York, 2011).
12.Bandyopadhyay, A.; Panda, R.; McNulty, T.; Mohammadi, F.; Danforth, S.; Safari, A. Piezoelectric ceramics and composites via rapid prototyping techniques//. Rapid Prototyp. J. 1998, р 37–49.
13.Kreher, W.S. Modelling effective thermo-electro-mechanical properties of multiphase piezoelectric composite materials [Тext] / W.S. Kreher // Modelling and control of adaptive mechanical structures. Proc. Euromech 373 Colloq. 11–13 March 1998. – Magdeburg, 1998. – P. 21–30.
14. Shung, K.K.; Cannata, J.M.; Zhou, Q.F. Piezoelectric materials for high frequency medical imaging applications: A review. J. Electroceram. 2007, 19, 139–145.
15.Tressler, J.; Alkoy, S.; Newnham, R. Piezoelectric sensors and sensor materials. J. Electroceram.
1998, 2, 257–272.
16.Newnham R.E. Composites piezoelectric sensors [Text] / R.E. Newnham, A. Safari, I.R. Giniewicz and B.H.Fox // Ferroelectrics. 1984. Vol. 50. P. 15– 21.
17. Rittenmyer K. Piezoelectric 3 -3 composites [Text] / K. Rittenmyer, T.R. Shrout, W.A. Schulze and R.E. Newnham // Ferroelectrics. – 1982. – Vol. 41. N1/4.– P. 189– 193.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Перспективы практического использования
В связи с тем, что решаемые в проекте задачи могут представлять интерес как в комплексе, так и рассматриваться, как самостоятельные, ожидаемые результаты можно разделить на две группы:
1.1 С химико-технологической точки зрения, предлагаемые решения могут быть использованы для синтеза фаз различного типа, представляющие интерес в качестве полупродуктов для изготовления материалов различного назначения (от строительных до функциональных). Это связано не только с понятием «энергосбережение», но и, в большинстве случаев, с эффективным решением экологических проблем.
1.2. В связи с тем, что процессы формирования керамических изделий и твёрдотельных элементов архитектуры композиционных материалов, аналогичны, выявленные приёмы формирования керамических каркасов могут быть применены для оптимизации широкого спектра технологических процессов (от бытовой керамики до гетероструктур, формирующихся в рамках LTCC технологий).
1.3. Полученные в ходе реализации проекта зависимости, связывающие между собой различные уровни структурирования керамических и композиционных материалов с их ЭФП:
а) могут быть использованы для прогноза ЭФП и конструирования функциональных материалов различных типов; б) в их рамках данных исследований создаются методики получения и обработки данных, позволяющих выявлять подобные зависимости для твёрдотельных материалов других типов.
2. Создаваемый комплекс лабораторных технологий пьезоматериалов рассматриваемых типов позволяет:
а) значительно снизить энергозатраты на получение единицы продукции; б) в тысячи раз уменьшить выбросы токсичных веществ в рамках процессов, реализуемых при изготовлении целевых изделий; в) изготавливать пьезоматериалы, характеризующиеся высокой временной и эксплуатационной стабильностью, а также индивидуальным сочетанием параметров, которые являются оптимальными для конкретного типа пьезопреобразователя.
Создаваемые пьезоэлементы двойного назначения могут быть использованы для создания систем ультразвукового неразрушающего контроля (акусто-эмиссионные системы, гидроакустика, дефектоскопия, приборы медицинской диагностики и т.д.).

Текущие результаты проекта:
В рамках выполнения проекта в 2015 году
- осуществлена разработка и оптимизация лабораторных технологий изготовления нано- и ультрадисперсных порошков сегнетоэлектрических фаз на базе титаната свинца и системы ЦТС оптимального состава и кристаллохимического строения, по результатам исследования экспериментальных образцов ультрадисперсных порошков сегнетоэлектрических фаз на основе легированного титаната свинца;
- разработан способ изготовления пьезокерамических материалов из ультрадисперсной шихты, позволяющий достигать плотности изделий, достигающей 97% от теоретически возможной;
- разработаны технологические инструкции по изготовлению в лабораторных условиях нано- и ультрадисперсных порошков сегнетоэлектрических фаз;
- сделан выбор и обоснованы пути получения пьезокерамических материалов с использованием нано- и ультрадисперсных порошков сегнетофаз;
- разработаны Программа и методики испытаний экспериментальных образцов нано- и ультрадисперсных порошков сегнетоэлектрических фаз.
- изготовлены экспериментальные образцы нано- и ультрадисперсных порошков сегнетоэлектрических фаз и проведено их испытание в соответствии с Программой и методиками;
- осуществлён выбор метода контроля объемной пьезочувствительности;
- исследовано влияния размеров частиц пьезоэлектрических фаз легированного титаната свинца и степени их совершенства на тип и степень структурирования мезо- и микроуровней пьезоматериала;
- определено влияние степени структурирования мезо- и микроуровней пьезоматериала на его электрофизические параметры (ЭФП), что позволило найти оптимальное сочетание кристаллографических характеристик целевых сегнетофаз с элементами мезо- и микроструктуры пьезокерамики для достижения и достичь значений ЭФП керамических и композиционных материалов на основе легированного титаната свинца, определённых ТЗ;
- показано, что введение в системы лиофильных стеклофаз висмутсодержащих систем способствует снижению величин коэрцитивных полей, что позволяет снизить величину напряжённости поляризующего поля, а, следовательно, снизить процент брака технологического процесса в целом
- проведена отработка и оптимизация составов керамического и композиционного материалов;
- разработаны лабораторные технологии изготовления керамического и композиционного материалов на основе нано- и ультрадисперсных порошков сегнетоэлектрических фаз;
разработаны технологические инструкций по изготовлению в лабораторных условиях керамического и композиционного материалов на основе нано- и ультрадисперсных порошков сегнетоэлектрических фаз;
- изготовлены экспериментальные образцы керамического и композиционного материалов на основе нано- и ультрадисперсных порошков сегнетоэлектрических фаз;
- разработаны Программа и методики испытания экспериментальных образцов керамического и композиционного материалов на основе нано- и ультрадисперсных порошков сегнетоэлектрических фаз и проведены запланированные испытания .
- изготовлены экспериментальные образцы содержащие лиофильные и лиофобные стеклофазы боратных и висмутсодержащих систем.