14.578.21.0088

1. Оптимизация следующих лабораторных технологий и корректировка их технологических инструкций:
- нано- и ультрадисперсных порошков легированных сегнетофаз титаната свинца и системы ЦТС;
- керамического и композиционного пьезоматериалов, изготавливаемых из этих порошков;
- композиционных пьезоматериалов типа 3-3, 3-0 и 3-0-3, полученных за счёт использования, при формовании их прессзаготовок, аморфных фаз.
2. Разработка:
- лабораторных технологий и технологических инструкций по изготовлению пьезоэлементов (ПЭ) из керамического и композиционного пьезоматериалов, а также Программы и методик испытаний для экспериментальных образцов ПЭ;
- и изготовление: а) оснастки для герметизации ПЭ, изготовленных из композиционного пьезоматериала; б) державки для измерения их ЭФП; в) оснастки, для формования ПЭ из композиционных материалов типа 3-3, 3-0 и 3-0-3;
- проекта ТЗ на проведение ОТР по теме: «Разработка технологии изготовления пьезоматериалов и пьезоэлементов на их основе».
3. Изготовление экспериментальных образцов:
- ПЭ из керамического и композиционного пьезоматериалов;
- нано- и ультрадисперсных порошков пьезофаз системы ЦТС (в рамках технологий, основанных на методе структурного подобия);
- ПЭ из композиционных материалов типа 3-3, 3-0 и 3-0-3
4 .Выявление, на основе данных, полученных при изучении экспериментальных образцов:
- влияния размеров частиц порошков сегнетофаз на свойства пьезоматериалов и свойства изготовленных на их основе ПЭ;
- зависимостей состав-строение-свойство керамического и композиционного материалов и их теоретическое обоснование.
5. Проведение оценки РИД, полученных при выполнении НИР, с целью их вовлечения в хозяйственный оборот.

Оптимальные параметры каждого типа пьезопреобразователей могут быть достигнуты только при условии использования при его изготовлении пьезоматериалов (ПМ) и (ПЭ) с индивидуальной совокупностью электрофизических параметров (ЭФП). В связи с этим актуальной представляется разработка комплекса технологий, позволяющих, без значительной перестройки технологического процесса (ТП) изготавливать ПМ с варьируемой плотностью и различным сочетанием ЭФП. В настоящее время это достигается за счёт изменения качественного и количественного состава сегнетофаз, лежащих в основе ПМ. Однако возможности данного метода близки к насыщению, так как с усложнением состава фаз экспоненциально увеличиваются проблемы, связанные с воспроизведением их состава и с технологией изготовления из таких порошков ПМ. В связи с этим, актуальной является задача поиска новых путей, позволяющих достигать у ПМ необходимого сочетания ЭФП. Также актуальной является повышение экологичности отдельных операций ТП, например, операции синтеза и спекания порошков сегнетофаз, содержащих в своём составе ионы свинца и ряда других p- и d-элементов.
Новизна исследований выполненных в 2016 году заключается: а) в создании: комплекса экологически чистых низкотемпературных технологий синтеза нано- и ультрадисперсных порошков легированных фаз титаната и титанато - цирконата свинца и технологий изготовления из этих порошков керамических (композиционных) пьезоматериалов и ПЭ с технологически регулируемой микро- и макроструктурой; б) в определении ряда зависимостей состав- строение -свойство для материалов на основе этих фаз, что позволило наметить пути получения ПМ и ПЭ с технологически задаваемой совокупностью ЭФП.

Исследования по проекту в 2016 году включали   оптимизацию ряда лабораторных  технологий  и корректировку их технологических инструкций, в том числе, техннологий изготовления  нано- и ультрадисперсных порошков легированных сегнетофаз титаната свинца и системы ЦТС, а также технологий изготовления из  этих порошков керамического и композиционных пьезоматериалов, в том числе и со связностью типа 3-3, 3-0 и 3-0-3, изготовленных с использованием аморфных фаз, применявшихся при формовании прессзаготовок. Для достижения пьезокомпозитами типа 3-3, 3-0 и 3-0-3 высоких  значений объёмных пьезопараметров, была разработана лабораторная технология синтеза (основанного на  методе структурного подобия) ультрадисперсного  порошка ЦТС, легированного релаксорной  фазой, а также лабораторная технология изготовления из этого порошка пьезокомпозитов указанных типов..

Проведение оптимизации указанных технологий позволило:

- разработать лабораторные технологии и  технологические инструкции по изготовлению  пьезоэлементов (ПЭ) из керамического и композиционного пьезоматериалов, а также  Программу и методики испытаний для экспериментальных образцов ПЭ;

= разработать и изготовить: а) оснастку для герметизации ПЭ, изготовленных из композиционного пьезоматериала; б) державку для измерения  ЭФП ПЭ; в) оснастку, для формования ПЭ из композиционных материалов типа 3-3, 3-0 и 3-0-3;

 - разработать проект ТЗ на проведение ОТР по теме: «Разработка технологии изготовления пьезоматериалов и пьезоэлементов на их основе».

 - изготовить экспериментальные образцы: а) ПЭ из керамического и композиционного пьезоматериалов; б)  нано- и ультрадисперсные порошки пьезофаз системы ЦТС (в рамках технологий, основанных на методе структурного подобия); в) композиционные материалы со связностью типа 3-3, 3-0 и 3-0-3 и пьезоэлементы  из этих композиционных материалов Исследование ЭФП экспериментальных образцов позволило выявить:

- влияние размеров частиц порошков сегнетофаз на свойства пьезоматериалов и свойства изготовленных на их основе ПЭ;

- зависимости состав-строение-свойство керамического и композиционного материалов и дать их теоретическое обоснование.

В соответствии с требованиями ТЗ проведена оценка РИД, полученного при выполнении НИР, с целью его  вовлечения в хозяйственный оборот.

При выполнении исследований были использованы современные методы идентификации порошков кристаллических фаз. Так для определения фазового состава продукта синтеза и установления их кристаллохимического строения применялись методы рентгенофазового и рентгеноструктурного анализов,  для контроля химических процессов использовались методы термогравиметрического и дифференцально-термического анализов, размеры областей когерентного (D)  рассеивания (ОКР), позволяющие определять объёмы кристаллических наночастиц, проводились по отражениям (111) и  рассчитывались  по формуле Селякова-Шерера: D = λ/βcosθ, где λ-длина рентгеновского излучения (нм), β-физическое уширение. Размеры частиц синтезированных порошков, а также размеры зёрен и пор керамических и композиционных пьезоматериалов, определялись методами электронной микроскопии. При изготовлении экспериментальных образцов  использовалось  современное технологическое оборудование (химические реакторы, смесители, аттриторы, различные типы мельниц, автоматические и полуавтоматические пресса, обжиговые печи с программным управлением, станки для механической обработки образцов, литьевое оборудование и т.д.). ЭФП образцов пьезоматериалов определялись с помощью сертифицированных приборов в соответствии с ОСТ 110444-87. Материалы пьезокерамические. Технические условия.

Проведена оптимизация ряда  лабораторных  технологий, а также   корректировка их технологических инструкций, в том числе:

- нано- и ультрадисперсных порошков легированных сегнетофаз титаната свинца и системы ЦТС;

- керамического и композиционного пьезоматериалов, изготавливаемых из  этих порошков;

- композиционных  пьезоматериалов типа 3-3, 3-0 и 3-0-3, полученных за счёт использования, при формовании их прессзаготовок, аморфных фаз.

Проведение оптимизации указанных технологий позволили изготовить экспериментальные образцы:

- нано- и ультрадисперсных порошков легированных сегнетофаз титаната свинца и системы ЦТС с дисперсностью частиц в пределах от 50 до 250 нм, температура и время синтеза которых не превышает 600^оС и 3 часа, соответственно;

- керамического и композиционного материалов, при температуре обжига прессзаготовок 970 – 1050^оС, характеризующихся плотностью 5,5 – 6,1 г/см³, имеющих размер зёрен от 500 до 2500 нм, относительную диэлектрическую проницаемость > 100, объёмный пьезомодуль > 80۰10^-12 Кл/Н и достигающие значения K_t/K_p >10;

- композиционных  пьезоматериалов типа 3-3, 3-0 и 3-0-3, при температуре обжига прессзаготовок 1020 – 1050^оС, характеризующихся плотностью 3,5 – 6,5 г/см³, имеющих размер зёрен от 500 до 3000 нм, а также ЭФП, значения которых зависит от соотношения фаз в системах: относительная диэлектрическая проницаемость от 450 до 1500, объёмный пьезомодуль  от 80۰10^-12 Кл/Н до 220۰10^-12 Кл/Н  и значения K_t/K_p, достигающие (при содержании сегнетофазы в образцах 35 -45 объ.%) 10 и более. Указанные характеристики нано- и ультрадисперсных порошков, а также керамических и композиционных материалов полностью соответствуют интервалам параметров отдельных величин, заданных в ТЗ.

Разработаны лабораторные технологий и  технологические инструкций по изготовлению  пьезоэлементов (ПЭ) из керамического и композиционных пьезоматериалов, а также  Программы и методик испытаний для экспериментальных образцов ПЭ. Согласно проведённым исследованиям, ПЭ по пористости (менее 30 об.%), высоте (от 2 до 4 мм), диаметру (от 10 до 20 мм), а также по ЭФП, соответствуют интервалу значений заданных в ТЗ, а величины отдельных параметров зависят от использованного для их изготовления пьезоматериала. Достижению этих результатов также способствовали разработка и изготовление оснастки для герметизации ПЭ, изготовленных из композиционного пьезоматериала и оснастки, для формования ПЭ из композиционных материалов типа 3-3, 3-0 и 3-0-3;  а также державки для измерения ЭФП ПЭ.

Совокупность инструментальных  данных, полученных при исследовании экспериментальных образцов позволили:

- установить характер влияние размеров частиц порошков сегнетофаз на свойства пьезоматериалов и свойства изготовленных на их основе ПЭ;

- выявить зависимости, связывающие  состав-строение-свойство керамического и композиционного материалов и дать их теоретическое обоснование.

- предложить проект ТЗ на проведение ОТР по теме: «Разработка технологии изготовления пьезоматериалов и пьезоэлементов на их основе».

- провести  оценку РИД, полученного при выполнении НИР, с целью его вовлечения в хозяйственный оборот.

Полученные при выполнении данной части проекта результаты исследований представляют практический интерес, как в комплексе, так и по отдельности:
1. Созданные низкотемпературные экологически чистые технологии нано- и ультрадисперсных порошков сегнетофаз, содержащих в своём составе ионы свинца, позволяют не только уменьшить энергозатраты на изготовление единицы продукции, но повысить экологичность производства.
2. Предложенный способ формирования керамических каркасов по принципу «снизу – вверх», позволяет формировать микроструктуру с варьируемым объёмом их структурных элементов (зёрен, пор, межзёренных границ, блоков и т.д.), изменяя тем самым механические, а следовательно, и электрофизические параметры (ЭФП) материалов (без существенного изменения их качественного и количественного состава). Это даёт возможность, технологически, формировать у пьезоматериалов оптимальное (для конкретного вида пьезопреобразователей) сочетание значений ЭФП, т.е. создавать пьезоматериалы под конкретное изделие . Этот подход позволяет не только оптимизировать характеристики известных пьезопреобразователей, но и создаёт условия для создания их новых типов.
3. Практическая значимость исследований с химико-технологической точки зрения заключается в том, что, выявленные технологические решения могут быть использованы не только для синтеза рассмотренных в проекте сегнетофаз, но для фаз других типов, являющихся прекурсорами материалов различного назначения (от строительных до функциональных). Это позволит полностью или частично решить экологические и энергетические проблемы различных производств.
4. В связи с тем, что процессы формирования керамических изделий и твёрдотельных элементов архитектуры композиционных материалов, аналогичны при любом составе ионно-ковалентных фаз, выявленные приёмы формирования керамических каркасов могут быть применены для оптимизации широкого спектра технологических процессов (от бытовой керамики до гетероструктур, формирующихся в рамках LTCC технологий).
5. Полученные в ходе реализации проекта зависимости, связывающие между собой различные уровни структурирования керамических и композиционных материалов с их ЭФП могут быть использованы для создания функциональных материалов различных типов.