Условия формования нанопорошков. Кинетика спекания, а также роста наноразмерных кристаллитов и образующихся при их консолидации более крупных зеренных образований. Анализ получения керамики цирконата-титаната свинца из нанокристаллических порошков.
Аннотация к работе
Получение и свойства наноструктурной металлооксидной пьезокерамики ЦТСКомпактні керамічні зразки цирконату-титанату свинцю одержано спіканням нанокристалічного (dcp = 25 нм) порошку Pb(Zr0,52Ti0,48)O3, синтезованого термічним розкладом оксалатного прекурсору. Консолідована з нанопорошків кераміка цирконату-титанату свинцю спікається при нижчих (на 300-350 °С) температурах і має вищі (на 25-45%) діелектричні та пєзоелектричні властивості порівняно зі зразками, одержаними за традиційною керамічною технологією.Компактные керамические образцы цирконата-титаната свинца (ЦТС) получены спеканием нанокристаллического порошка Pb(Zr0,52Ti0,48)O3 (dcp = 25 нм) при температурах, на 300-350 °С более низких, чем при использовании традиционной керамической технологии. Кинетика спекания и роста зерен соответствует модели уплотнения по механизму объемной диффузии в переходный и конечный периоды спекания при одновременном росте зерен согласно кубическому закону.
Вывод
Компактные керамические образцы цирконата-титаната свинца (ЦТС) получены спеканием нанокристаллического порошка Pb(Zr0,52Ti0,48)O3 (dcp = 25 нм) при температурах, на 300-350 °С более низких, чем при использовании традиционной керамической технологии. Для формования нанопорошков подобран состав жидких связок на основе ПАВ, обеспечивающих скольжение и вращение нанокристаллитов в прессовке. Кинетика спекания и роста зерен соответствует модели уплотнения по механизму объемной диффузии в переходный и конечный периоды спекания при одновременном росте зерен согласно кубическому закону.
Консолидация нанокристаллического порошка при спекании приводит к появлению значительно более крупных (микрометровых) зеренных образований. Последние образуются не в результате нормального диффузионного роста исходных нанокристаллических частиц, а путем объединения многих (103-104) кристаллитов, под действием высокой поверхностной энергии коррелированно изменивших свои ориентации путем проскальзываний и поворотов. Как результат, в керамике создается двухуровневая зернистая структура: наноразмерные кристаллиты, разделенные малоугловыми границами и генетически связанные с нанокристаллическими частицами порошка; микрокристаллические зерна, разделенные большеугловыми границами. Получение керамики ЦТС из нанокристаллических порошков позволяет контролировать размер кристаллитов в нанометровом диапазоне, что, тем самым, обеспечивает наноструктурный характер консолидированного материала.
Количественные различия в соотношении размеров кристаллитов (ОКР) и зерен, разделенных большеугловыми границами, приводят к достижению более высоких диэлектрических и пьезоэлектрических свойств спеченной из нанокристаллических порошков пьезокерамики ЦТС по сравнению с полученной традиционным методом.
Список литературы
1. Jaffe B. Piezoelectric properties of lead zirconate - lead titanate solid-solution ceramics / B. Jaffe, R. S. Roth, S. Marzullo // J. Appl. Phys. - 1954. - Vol. 25, No. 6. - P. 809-810.
2. Приседский В. В. Нестехиометрические сегнетоэлектрики AIIBIVO3. - Донецк: Ноулидж, 2011. - 267 с.
3. Глинчук М. Д. Наноферроики / М. Д. Глинчук, А. В. Рагуля. - К.: Наук. думка, 2009. - 275 с.
4. Matsuo Y. Formation of lead zirconate ? lead titanate solid solutions / Y. Matsuo, H. Sasaki // J. Am. Ceram. Soc. - 1965. - Vol. 48. - P. 289-291.
5. Praveenkumar B. Size effect studies on nanocrystalline Pb(Zr0.53Ti0.47)O3 synthesized by mechanical activation route / B. Praveenkumar, G. Sreenivasalu, H. H. Kumar et al. // Mater. Chem. Phys. - 2009. - Vol. 117. - P. 338-342.
6. Craciun F. Pulsed laser deposition of nanocrystalline lead zirconate-titanate thin films / F. Craciun, M. Dinescu, P. Verardi, C. Galassi // Nanotechnology. - 1999. - Vol. 10. - P. 81-85.
7. Zhou Q. F. Nanocrystalline powders and fibers of lead zirconate-titanate prepared by the sol-gel process / Q. F. Zhou, H. L. W. Chan, C. L. Choy // J. Mater. Process. Technol. - 1997. - Vol. 63. - P. 281-285.
8. Faheem Y. Sol-gel processing and characterization of phase-pure lead zirconate-titanate nanopowders / Y. Faheem, M. Shoaib // J. Am. Ceram. Soc. - 2006. - Vol. 89, No. 6. - P. 2034-2037.
9. Meng J. F. Raman phonon modes and ferroelectric phase transitions in nanocrystalline lead zirconate-titanate // Phys. Stat. Sol. (A). - 1997. - Vol. 164. - P. 851-862.
10. Garnweitner G. Nonaqueous synthesis of amorphous powder precursors for nanocrystalline PBTIO3, Pb(Zr,Ti)O3 and PBZRO3 / G. Garnweitner, J. Hentschel, M. Antonietti, M. Niederberger // Chem. Mater. - 2005. - Vol. 17. - P. 4594-4599.
11. Zhu W. Low temperature processing of nanocrystalline lead zirconate-titanate (PZT) thick films and ceramics by a modified sol-gel route / W. Zhu, Z. Wang, C. Zhao et al. // J. Appl. Phys. - 2002. - Vol. 41. - P. 6969-6975.
12. Banerjee A. Freestanding lead zirconate-titanate nanoparticles: low-temperature synthesis and densification / A. Banerjee, S. Bose // Chem. Mater. - 2004. - Vol. 16. - P. 5610-5615.
13. Roy S. Metastable face-centered cubic lead zirconate-titanate (PZT) and lead lanthanum zirconate-titanate (PLZT) nanocrystals synthesized by autoignition of metal-polymer gel / S. Roy, S. Bysakh, J. Subrahmanyam // J. Mater. Res. - 2008. - Vol. 23, No. 3. - P. 719-724.
14. Dash M. S. Study on phase formation and sintering kinetics of BATI0.6Zr0.4O3 powder synthesized through modified chemical route / M. S. Dash, J. Bera, S. Ghosh // All. Compd. - 2007. - Vol. 430. - P. 212-216.
15. Das R. A. Low-temperature preparation of nanocrystalline lead zirconate-titanate and lead lanthanum zirconate-titanate powders using triethanolamine / R. A. Das, A. Pathak, P. Pramanik // J. Am. Ceram. Soc. - 1998. - Vol. 81, No. 12. - P. 3357-3360.
16. Surowiak Z. Properties of nanocrystalline ferroelectric PZT ceramics / Z. Surowiak, M. F. Kupriyanov, D. Czekaj // J. Eur. Ceram. Soc. - 2001. - Vol. 21. - P. 1377-1481.
17. Clabaugh W. S. Synthesis of barium titanate from oxalate precursor / W. S. Clabaugh, E. M. Swiggard, R. Gilchrist // J. Res. Nat. Bur. Stud. - 1956. - Vol. 56, No. 5. - P. 289-293.
18. Рагуля А. В. Синтез и спекание нанокристаллического порошка титаната бария в неизотермических условиях: IV. Электронно-микроскопическое исследование эволюции морфологии порошков титаната бария / А. В. Рагуля, О. О. Васылькив, В. В. Скороход, Н. В.Даниленко // Порошковая металлургия. - 1998. - № 3/4. - С. 12-20.
19. Погибко В. М. Исследование механизмов термического распада оксалатного прекурсора титаната бария / В. М. Погибко, В. В. Приседский, И. Л. Сидак // Вопросы химии и хим. технологии. - 2010. - № 1. - С. 110-115.
20. Ischenko V. Barium titanate via thermal decomposition of Ba, Ti-precursor complexes: The nature of the intermediate phases / V. Ischenko, E. Pippel, R. Koferstein et al. // Sol. St. Sci. - 2007. - Vol. 9. - P. 21-25.
21. Приседский В. В. Кинетика начальной стадии спекания керамики цирконата-титаната свинца / В. В. Приседский, Л. Г. Гусакова, В. В. Климов // Неорган. материалы. - 1976. - Т. 12, № 11. - С. 1995-1999.
22. Coble R. L. Sintering crystalline solids: II. Experimental test of diffusion models in powder compacts // J. Appl. Phys. - 1961. - Vol. 32, No. 5. - P. 793-799.
23. Grosa J. R. Nanocrystalline powder consolidation methods // Nanostructured Materials: Processing, Properties and Applications; ed. by Carl C. Coch. - N.Y.: William Andrew Inc., 2007. - P. 173-234.