chemicallytechFine Chemical TechnologiesТонкие химические технологии2410-65932686-7575MIREA – Russian Technological University (RTU MIREA).10.32362/2410-6593-2021-16-1-67-75chemicallytech-1687Research ArticleCHEMISTRY AND TECHNOLOGY OF INORGANIC MATERIALSХИМИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВChemical and technological aspects of increasing the functional characteristics of hard piezoceramicsХимико-технологические аспекты повышения функциональных характеристик сегнетожесткой пьезокерамикиhttps://orcid.org/0000-0002-5416-9579ТалановМ. В.TalanovM. V.

Таланов Михаил Валерьевич, к.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник. Scopus Author ID 53164920700, Researcher ID P-8971-2019

344090, г. Ростов-на-Дону, пр-т Стачки, д. 194

Mikhail V. Talanov, Cand. Sci. (Phys.–Math.), Leading Researcher. Scopus Author ID 53164920700, Researcher ID P-8971-2019

194, Stachki pr., Rostov-on-Don, 344090

mvtalanov@gmail.comМараховскийМ. А.MarakhovskiyM. A.

Мараховский Михаил Алексеевич, к.т.н., начальник сектора. Scopus Author ID 57210826910

344090, г. Ростов-на-Дону, ул. Мильчакова, д. 10

Mikhail A. Marakhovskiy, Cand. Sci. (Eng.), Head of Sector. Scopus Author ID 57210826910

10, Milchakova ul, Rostov-on-Don, 344090

marmisha@mail.ruНИИ физики, Южный федеральный университетРоссияResearch Institute of Physics, Southern Federal UniversityRussian FederationНКТБ Пьезоприбор, Южный федеральный университетРоссияNKTB Piezopribor, Southern Federal UniversityRussian Federation2021180320211616775Copyright © Talanov M.V., Marakhovskiy M.A., 20212021Таланов М.В., Мараховский М.А.Talanov M.V., Marakhovskiy M.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.finechem-mirea.ru/jour/article/view/1687Objectives

Objectives. Ferroelectrically hard piezoelectric ceramics are in demand for high-power applications in piezotransformers, ultrasonic emitters, and piezo motors, which requires a combination of high piezoelectric characteristics and mechanical quality factors in it. The aim of this research was to reveal the main regularities in the microstructure and functional characteristic formation of ferroelectrically hard piezoceramics based on two widespread chemical systems, Pb(ZrxTi1-x)O3 and (Na1-xKx)NbO3, through various technological modes of production. In this study, two fundamentally different technological ways of forming a dense microstructure on the example of above systems have been employed to obtain the best set of dielectric, piezoelectric, and mechanical parameters for practical applications. In the case of lead-containing ceramics, various sintering technologies have been used, including conventional ceramic, hot pressing, and spark plasma sintering.

Methods

Methods. The microstructure of the piezoelectric ceramics was investigated using electron microscopy, and the functional characteristics were assessed in terms of mechanical and piezoelectric properties. The density values were determined by hydrostatic weighing in octane, the relative dielectric permittivity was measured using an LCR meter, and the values of the piezoelectric coefficient and mechanical quality factor were gathered using the resonance–antiresonance method.

Results

Results. This research has identified that spark plasma sintering technology makes it possible to obtain high-density samples, which contain a homogeneous microstructure and double the figure-of-merit values, for use in high-power piezoelectric devices that operate at piezoresonance frequencies. It also found that the addition of a small amount of CuNb2O6 (x = 0.025) to lead-free solid solutions leads to the formation of a liquid phase during sintering, thereby creating a compacted microstructure with relative density values (96%) that have practical limitations in conventional ceramic technology. An increase in both the piezoelectric and mechanical properties, which leads to a twofold increase in the values of the quality indicator, was also observed.

Conclusions

Conclusions. It is possible to increase, and even to double, the functional characteristics of both lead-containing and lead-free ferroelectrically hard piezoceramics by varying the technology used in the manufacturing process. By using spark plasma sintering technology with lead-containing ceramics, it is possible to reduce the optimum sintering temperature by 200 °C and the sintering time by more than 20 times, thus reducing production costs.

Цели

Цели. Сегнетожесткая пьезоэлектрическая керамика востребована при создании устройств, работающих в силовых режимах: пьезотрансформаторах, ультразвуковых излучателях и пьезодвигателях, что требует сочетания в ней высоких пьезоэлектрических характеристик и механической добротности. В этой работе на примере двух широко распространенных химических систем Pb(ZrxTi1-x)O3 и (Na1-xKx)NbO3 продемонстрированы принципиально различные химико-технологические пути формирования плотной микроструктуры и достижения наилучших, с точки зрения практических применений, наборов диэлектрических, пьезоэлектрических и механических параметров. В случае свинецсодержащей керамики были использованы различные технологии спекания: обычная керамическая, горячее прессование и искровое плазменное спекание. Для повышения функциональных характеристик бессвинцовой керамики был выбран путь, связанный с добавлением медьсодержащего компонента CuNb2O6 (x) к исходной системе ниобата натрия-калия. Целью настоящей работы стало выявление основных закономерностей формирования микроструктуры и функциональных характеристик сегнетожесткой керамики на основе систем Pb(ZrxTi1-x)O3 и (Na1-xKx)NbO3, при вариации технологических режимов их изготовления.

Материалы

Материалы. Микроструктура пьезоэлектрической керамики исследовалась методом электронной микроскопии, а функциональные характеристики оценивались по показателям механических и пьезоэлектрических свойств. Значения плотности определялись методом гидростатического взвешивания в октане, относительная диэлектрическая проницаемость была измерена с помощью LCR-метра, а значения пьезоэлектрического коэффициента и механической добротности установлены на основании резонансно-антирезонансного метода.

Результаты

Результаты. Установлено, что применение технологии искрового плазменного спекания позволяет получить высокоплотные образцы свинецсодержащей керамики с однородной микроструктурой и более чем в два раза возросшими значениями показателя качества (figure-of-merit) для ее использования в устройствах силовой пьезотехники, работающих на частотах пьезорезонанса. Обнаружено, что добавка небольшого количества CuNb2O6 (x = 0.025) к бессвинцовым твердым растворам приводит к образованию в процессе спекания жидкой фазы, в результате чего формируется уплотненная микроструктура с практически предельными для обычной керамической технологии значениями относительной плотности (96%). Наблюдается возрастание как пьезоэлектрических, так и механических свойств, что приводит к двукратному повышению значений показателя качества.

Выводы

Выводы. Вариация технологических режимов изготовления как свинецсодержащей, так и бессвинцовой сегнетожесткой пьезокерамики позволяет существенно (в два раза) повысить ее функциональные характеристики. Использование метода искрового плазменного спекания при изготовлениии свинецсодержащей керамики способствует сокращению как оптимальной температуры процесса на 200 °С, так и продолжительности изотермической выдержки более чем в 20 раз. Такой прием существенно снижает производственные затраты.

пьезокерамикатехнология спеканияискровое плазменное спеканиемикроструктурапьезоэлектрические свойствамеханическая добротностьжидкие фазыпоказатель качестваpiezoceramicssintering technologyspark plasma sinteringmicrostructurepiezoelectric propertiesmechanical quality factorliquid phasesfigure-of-meritАвторы выражают благодарность Г.М. Константинову за получение снимков микроструктуры бессвинцовой керамики. Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (Государственное задание в сфере научной деятельности, научный проект № 0852-2020-0032), (BAZ0110/20-3-07IF).The authors are grateful to G.M. Konstantinov for obtaining microstructure images of lead-free ceramics. The study was carried out with the financial support of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (State task in the field of scientific activity, scientific project No. 0852-2020-0032), (BAZ0110/20-3-07IF).ReferencesJaffe B., Cook W.R., Jaffe H. Piezoelectric Ceramics. New York: Academic Press; 1971. 317 p.Jaffe B., Cook W.R., Jaffe H. Piezoelectric Ceramics. New York: Academic Press; 1971. 317 p.Tan Q., Li J., Viehland D. Role of lower valent substituent-oxygen vacancy complexes in polarization pinning in potassium-modified lead zirconate titanate. Appl. Phys. Lett. 1999;75(3):418–420. https://doi.org/10.1063/1.124394Tan Q., Li J., Viehland D. Role of lower valent substituent-oxygen vacancy complexes in polarization pinning in potassium-modified lead zirconate titanate. Appl. Phys. Lett. 1999;75(3):418–420. https://doi.org/10.1063/1.124394Feng Y., Wu J., Chi Q., Li W., Yu Y., Fei W. Defects and Aliovalent Doping Engineering in Electroceramics. Chem. Rev. 2020;120(3):1710–1787. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00507Feng Y., Wu J., Chi Q., Li W., Yu Y., Fei W. Defects and Aliovalent Doping Engineering in Electroceramics. Chem. Rev. 2020;120(3):1710–1787. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00507Фесенко Е.Г., Данцигер А.Я., Разумовская О.Н. Новые пьезокерамические материалы. Ростов-на-Дону: Изд. Ростовского университета; 1983. 160 с.Fesenko E.G., Dantsiger A.Ya., Razumovskaya O.N. Novye p’ezokeramicheskie materialy (New piezoceramic materials). Rostov-on-Don: Rostov University; 1983.160 p. (in Russ.).Zhang S., Xia R., Lebrun L., Anderson D., Shrout T.R. Piezoelectric materials for high power, high temperature applications. Mater. Lett. 2005;59(27):3471–3475. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2005.06.016Zhang S., Xia R., Lebrun L., Anderson D., Shrout T.R. Piezoelectric materials for high power, high temperature applications. Mater. Lett. 2005;59(27):3471–3475. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2005.06.016Lee H.J., Zhang S., Bar-Cohen Y., Sherrit S. High Temperature, High Power Piezoelectric Composite Transducers. Sensors. 2014;14(8):14526–14552. https://doi.org/10.3390/s140814526Lee H.J., Zhang S., Bar-Cohen Y., Sherrit S. High Temperature, High Power Piezoelectric Composite Transducers. Sensors. 2014;14(8):14526–14552. https://doi.org/10.3390/s140814526Kamel T.M., de With G. Poling of hard ferroelectric PZT ceramics. J. Europ. Ceram. Soc. 2008;28(9):1827–1838. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2007.11.023Kamel T.M., de With G. Poling of hard ferroelectric PZT ceramics. J. Europ. Ceram. Soc. 2008;28(9):1827–1838. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2007.11.023Egerton L., Dillon D. M. Piezoelectric and Dielectric Properties of Ceramics in the System Potassium Sodium Niobate. J. Am. Ceram. Soc. 1959;42(9):438–442. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1959.tb12971.xEgerton L., Dillon D. M. Piezoelectric and Dielectric Properties of Ceramics in the System Potassium Sodium Niobate. J. Am. Ceram. Soc. 1959;42(9):438–442. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1959.tb12971.xYang M.-R., Tsai C.-C., Hong C.-S., Chu S.-Y., Yang S.-L. Piezoelectric and ferroelectric properties of CNdoped (K0.5 Na0.5 )NbO 3 lead-free ceramics. J. Appl. Phys. 2010;108(9):094103. https://doi.org/10.1063/1.3493732Yang M.-R., Tsai C.-C., Hong C.-S., Chu S.-Y., Yang S.-L. Piezoelectric and ferroelectric properties of CNdoped (K0.5 Na0.5 )NbO 3 lead-free ceramics. J. Appl. Phys. 2010;108(9):094103. https://doi.org/10.1063/1.3493732Park B.C., Hong I.K., Jang H.D., Tran V.D.N., Tai W.P., Lee J.-S. Highly enhanced mechanical quality factor in lead-free (K 0.5 Na 0.5 )NbO piezoelectric ceramics by co-doping with K 5.4 Cu1.3 Ta10 O29 and3 CuO. Mater. Lett. 2010;64(14):15771579. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2010.04.031Park B.C., Hong I.K., Jang H.D., Tran V.D.N., Tai W.P., Lee J.-S. Highly enhanced mechanical quality factor in lead-free (K 0.5 Na 0.5 )NbO piezoelectric ceramics by co-doping with K 5.4 Cu1.3 Ta10 O29 and3 CuO. Mater. Lett. 2010;64(14):15771579. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2010.04.031Park H.-Y., Choi J.-Y., Choi M.-K., Cho K.‐H., Nahm S., Lee H.‐G., Kang H.‐W. Effect of CuO on the Sintering Temperature and Piezoelectric Properties of (Na K 0.5 )NbO 3 Lead‐Free Piezoelectric Ceramics. J. Am. 0.5 Ceram. Soc. 2008;91(7):2374–2377. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2008.02408.xPark H.-Y., Choi J.-Y., Choi M.-K., Cho K.‐H., Nahm S., Lee H.‐G., Kang H.‐W. Effect of CuO on the Sintering Temperature and Piezoelectric Properties of (Na K 0.5 )NbO 3 Lead‐Free Piezoelectric Ceramics. J. Am. 0.5 Ceram. Soc. 2008;91(7):2374–2377. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2008.02408.xMarakhovsky M.A., Panich A.A., Talanov M.V., Marakhovskiy V.A. Study of the influence of technological factors on improving the efficiency of ferroelectrically hard piezoceramic material PСR-8. Ferroelectrics. 2020;560(1):1–6. https://doi.org/10.1080/00150193.2020.1722875Marakhovsky M.A., Panich A.A., Talanov M.V., Marakhovskiy V.A. Study of the influence of technological factors on improving the efficiency of ferroelectrically hard piezoceramic material PСR-8. Ferroelectrics. 2020;560(1):1–6. https://doi.org/10.1080/00150193.2020.1722875Таланов М.В., Шилкина Л.А., Резниченко Л.А. Синтез и свойства твердых растворов на основе Na 1- х Кх NbO 3 в системе CuNb 2 O6 –NaNbO3 –KNbO 3 . Неорган матер. 2016;52(10):11341140. https://doi.org/10.7868/S0002337X16100183Talanov M.V., Shikina L.A., Reznichenko L.A. Synthesis and properties of Na1- 3 х К х NbO3 -based solid solutions in the CuNb2 O6 NaNbO 3 –KNbO system. Inorg. Mater. 2016;52(10)1063–1069. https://doi.org/10.1134/S0020168516100186Rödel J., Webber K.G., Dittmer R., Jo W., Kimura M., Damjanovic D. Transferring lead-free piezoelectric ceramics into application. J. Europ. Ceram. Soc., 2015;35(6):1659–1681. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2014.12.013Rödel J., Webber K.G., Dittmer R., Jo W., Kimura M., Damjanovic D. Transferring lead-free piezoelectric ceramics into application. J. Europ. Ceram. Soc., 2015;35(6):1659–1681. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2014.12.013Zheng P., Zhang J.L., Tan Y.Q., Wang C.L. Grainsize effects on dielectric and piezoelectric properties of poled BaTiO 3 ceramics. Acta Materialia. 2012;60(13–14):50225033. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2012.06.015Zheng P., Zhang J.L., Tan Y.Q., Wang C.L. Grainsize effects on dielectric and piezoelectric properties of poled BaTiO 3 ceramics. Acta Materialia. 2012;60(13–14):50225033. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2012.06.015Huan Y., Wang X., Fang J., Li L. Grain size effect on piezoelectric and ferroelectric properties of BaTiO 3 ceramics. J. Europ. Ceram. Soc. 2014;34(5):1445–1448. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2013.11.030Huan Y., Wang X., Fang J., Li L. Grain size effect on piezoelectric and ferroelectric properties of BaTiO 3 ceramics. J. Europ. Ceram. Soc. 2014;34(5):1445–1448. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2013.11.030Sakaki C., Newalkar B.L., Komarneni S., Uchino K. Grain Size Dependence of High Power Piezoelectric Characteristics in Nb Doped Lead Zirconate Titanate Oxide Ceramics. Jpn. J. Appl. Phys. 2001;40(12R):6907–6910. https://doi.org/10.1143/JJAP.40.6907Sakaki C., Newalkar B.L., Komarneni S., Uchino K. Grain Size Dependence of High Power Piezoelectric Characteristics in Nb Doped Lead Zirconate Titanate Oxide Ceramics. Jpn. J. Appl. Phys. 2001;40(12R):6907–6910. https://doi.org/10.1143/JJAP.40.6907Мараховский М.А., Панич А.А., Таланов М.В., Мараховский В.А. Влияние методов спекания на диэлектрический гистерезис сегнетожесткого пьезокерамического материала на основе цирконата-титаната свинца. Изв. РАН. Сер. Физ. 2020;84(11):1667–1669. https://doi.org/10.31857/S0367676520110186Marakhovskiy M.A., Panich A.A., Talanov M.V., Marakhovskiy V.A. Effect of the Type of Sintering on the Dielectric Hysteresis of a Hard Piezoceramic Material based on Lead Zirconate Titanate. Bull. Russ. RAS. Sciences: Physics. 2020;84(11):1419–1421. https://doi.org/10.3103/S1062873820110179Randall C.A., Kim N., Kucera J.‐P., Cao W., Shrout T.R. Intrinsic and Extrinsic Size Effects in Fine‐Grained Morphotropic‐Phase‐Boundary Lead Zirconate Titanate Ceramics. J. Am. Ceram. Soc. 1998;81(3):677–688. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1998.tb02389.xRandall C.A., Kim N., Kucera J.‐P., Cao W., Shrout T.R. Intrinsic and Extrinsic Size Effects in Fine‐Grained Morphotropic‐Phase‐Boundary Lead Zirconate Titanate Ceramics. J. Am. Ceram. Soc. 1998;81(3):677–688. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1998.tb02389.xMatsubara M., Yamaguchi T., Sakamoto W., Kikuta K., Yogo T., Hirano S. Processing and Piezoelectric Properties of Lead-Free (K,Na)(Nb,Ta) O 3 Ceramics. J. Am. Ceram. Soc. 2005;88(5):1190–1196. https://doi.org/10.1111/j.15512916.2005.00229.xMatsubara M., Yamaguchi T., Sakamoto W., Kikuta K., Yogo T., Hirano S. Processing and Piezoelectric Properties of Lead-Free (K,Na)(Nb,Ta) O 3 Ceramics. J. Am. Ceram. Soc. 2005;88(5):1190–1196. https://doi.org/10.1111/j.15512916.2005.00229.xZhang B.P., Li J.-F., Wang K., Zhang H. Compositional Dependence of Piezoelectric Properties in Na x K1− x NbO 3 Lead‐Free Ceramics Prepared by Spark Plasma Sintering. J. Am. Ceram. Soc. 2006;89(5):1605–1609. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2006.00960.xZhang B.P., Li J.-F., Wang K., Zhang H. Compositional Dependence of Piezoelectric Properties in Na x K1− x NbO 3 Lead‐Free Ceramics Prepared by Spark Plasma Sintering. J. Am. Ceram. Soc. 2006;89(5):1605–1609. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2006.00960.xAhn C.-W., Lee H.-Y., Han G., Zhang S., Choi S.Y., Choi J.-J., Kim J.-W., Yoon W.-H., Choi J.-H., Park D.-S., Hahn B.-D., Ryu J. Self-Growth of Centimeter-Scale Single Crystals by Normal Sintering Process in Modified Potassium Sodium Niobate Ceramics. Sci. Rep. 2015;5:17656. https://doi.org/10.1038/srep17656Ahn C.-W., Lee H.-Y., Han G., Zhang S., Choi S.Y., Choi J.-J., Kim J.-W., Yoon W.-H., Choi J.-H., Park D.-S., Hahn B.-D., Ryu J. Self-Growth of Centimeter-Scale Single Crystals by Normal Sintering Process in Modified Potassium Sodium Niobate Ceramics. Sci. Rep. 2015;5:17656. https://doi.org/10.1038/srep17656Hong S.H., Kim D.Y. Effect of Liquid Content on the Abnormal Grain Growth of Alumina. J. Am. Ceram. Soc. 2001;84(7):1597–1600. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.2001.tb00883.xHong S.H., Kim D.Y. Effect of Liquid Content on the Abnormal Grain Growth of Alumina. J. Am. Ceram. Soc. 2001;84(7):1597–1600. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.2001.tb00883.x

The authors declare that there are no conflicts of interest present.