Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование доменной структуры и фазового состава легированных бессвинцовых пьезокерамик на основе BiFeO3 и (K,Na)NbO3

Номер контракта: 14.587.21.0022

Руководитель: Шур Владимир Яковлевич

Должность: профессор

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
сегнетоэлектрическая доменная структура, бессвинцовая пьезокерамика, силовая микроскопия пьезоотклика, сканирующая зондовая микроскопия

Цель проекта:
Основной целью проекта является изучение возможности улучшения пьезоэлектрических и электромеханических свойств бессвинцовой пьезокерамики за счет оптимизации параметров сегнетоэлектрической доменной структуры и фазового состава. Для достижения цели совместных исследований будут решаться следующие конкретные задачи: 1. Изготовление образцов легированных бессвинцовых пьезокерамик: BiFeO3, с различной концентрацией Sm, и (K,Na)NbO3 с различной концентрацией Sr. 2. Разработка методики подготовки керамических образцов для проведения исследований методами сканирующей зондовой микроскопии. 3. Разработка методик измерения и анализа параметров исходной доменной структуры и локального переключения поляризации. 4. Разработка методики определения фазового состава и ориентации зерен в керамике по результатам измерения локальных пьезоэлектрических свойств. 5. Исследование влияния исходной доменной структуры, а также фазового состава и пространственного распределения фаз на пьезоэлектрические и электромеханические свойства пьезокерамики различных составов. 6. Разработка рекомендаций по использованию зондов СЗМ с оптимальными значениями резонансных частот, жесткости и покрытиями рабочей поверхности для исследования доменной структуры и локального переключения поляризации. 7. Разработка рекомендаций по использованию полученных результатов для оптимизации состава и параметров синтеза бессвинцовых керамических материалов для улучшения пьезоэлектрических и электромеханических характеристик пьезокерамики.

Основные планируемые результаты проекта:
Российский партнер:
1. Должна быть разработана методика подготовки образцов легированных бессвинцовых пьезокерамик на основе BiFeO3 и (K,Na)NbO3 для проведения исследований методами сканирующей зондовой микроскопии.
2. Должна быть разработана методика измерения и анализа параметров исходной доменной структуры и локального переключения поляризации в легированных бессвинцовых пьезокерамиках на основе BiFeO3 и (K,Na)NbO3.
3. Должна быть разработана методика разделения полярной и неполярной/антиполярной фаз в легированных бессвинцовых пьезокерамиках на основе BiFeO3 по результатам измерения локальных пьезоэлектрических свойств.
4. Должны быть проведены исследования влияния исходной доменной структуры, а также фазового состава и пространственного распределения фаз на пьезоэлектрические и электромеханические свойства пьезокерамики различных составов, полученной при различных условиях синтеза.
5. Должны быть разработаны рекомендации по использованию зондов СЗМ с оптимальными значениями резонансных частот, жесткости и покрытиями рабочей поверхности для исследования доменной структуры и локального переключения поляризации в легированных бессвинцовых пьезокерамиках на основе BiFeO3 и (K,Na)NbO3.
Иностранный партнер:
1. Должны быть изготовлены образцы легированных бессвинцовых пьезокерамик на основе BiFeO3 и (K,Na)NbO3 с различной концентрацией легирующих примесей.
2. Должны быть измерены пьезоэлектрические и электромеханические свойства изготовленных образцов.
3. Должны быть разработаны рекомендации по применению полученных результатов для оптимизации состава и параметров синтеза пьезокерамических материалов для улучшения их пьезоэлектрических и электромеханических свойств.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Основными результатами выполнения проекта будет являться рекомендации по оптимизации состава и параметров синтеза бессвинцовых керамических материалов для улучшения пьезоэлектрических и электромеханических характеристик пьезокерамики, а также методика применения различных мод сканирующей зондовой микроскопии для выявления влияния доменной структуры зерен и пространственного распределения фаз в керамике, определяемых по их локальным пьезоэлектрическим свойствам.
2. Разработанные оригинальные методики и выявленные закономерности влияния доменной структуры и фазового состава пьезокерамики на пьезоэлектрические и электромеханические свойства будут использоваться для оптимизации состава и способов синтеза пьезокерамики.
Материалы с улучшенными пьезоэлектрическими, электромеханическими и диэлектрическими свойствами могут использоваться в микроэлектромеханических системах, актюаторах и ультразвуковых устройствах широкого применения.
3. Пьезоэлектрические материалы широко используются в современной технике. Существуют пьезоэлектрические детонаторы, источники звука большой мощности, миниатюрные трансформаторы, кварцевые резонаторы для высокостабильных генераторов частоты, пьезокерамические фильтры, ультразвуковые линии задержки, топливные форсунки дизельных двигателей, гидролокаторы, ультразвуковые устройства, и нанопозиционеры в сканирующих микроскопах. Наиболее широкое применение получила пьезокерамика из цирконата-титаната свинца (ЦТС), недостатком которого является наличие свинца, который создает опасность при обработке, ограничивает применение, и представляет опасность при утилизации. Во всем мире вводятся строгие ограничения на использование свинца, что стимулирует поиск бессвинцовых пьезоэлектрических материалов со сравнимыми электромеханическими свойствами. До сих пор бессвинцовые пьезоматериалы не имеют свойств, сравнимых с ЦТС.
4. BiFeO3 и (K,Na)NbO3 (KNN), рассматриваются как о наиболее многообещающие бессвинцовые материалы. Применение силовой микроскопии пьезоэлектрического отклика позволит получить уникальную информацию о доменной структуре в отдельных зернах, а также выделить различные фазы кристаллитов по их локальным пьезоэлектрическим свойствам, что позволит сделать выводы о влиянии доменной структуры и фазового состава на пьезоэлектрические, электромеханические и диэлектрические характеристики, что может быть использовано для оптимизации состава и способов синтеза пьезокерамики.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разработанные методики и экспериментально выявленные закономерности влияния доменной структуры и фазового состава пьезокерамики на пьезоэлектрические и электромеханические свойства будут использоваться для оптимизации состава и способов синтеза пьезокерамики.

Материалы с улучшенными пьезоэлектрическими, электромеханическими и диэлектрическими свойствами будут использоваться в микроэлектромеханических системах, актюаторах и различных ультразвуковых устройствах.

Разработанные методики будут полезны для научно-исследовательских организаций, работающих в области изготовления пьезокерамики, а также организаций, занимающихся разработкой и изготовлением материалов для электромеханических устройств.

Научная группа иностранного участника проекта (Electronic Ceramics Department, Jozef Stefan Institute, Ljubljana, Slovenia) является одним из мировых лидеров в области синтеза бессвинцовой пьезокерамики, и на протяжении многих лет активно занимается исследованием свойств
пьезоэлектрических и сегнетоэлектрических керамик и пленок.
Предполагается, что эффективное сотрудничество двух групп и использование комплекса оригинальных подходов и методик исследования позволит получить результаты, опережающие мировой уровень.

Текущие результаты проекта:
1. Методика подготовки образцов пьезокерамики для проведения исследований методами сканирующей зондовой микроскопии.
2. Методика измерения и анализа параметров исходной доменной структуры и локального переключения поляризации в отдельных зернах пьезокерамики.
3. Методика определения и разделения кристаллографичеких фаз в пьезокерамики по результатам измерения локальных пьезоэлектрических свойств.