Высокотемпературная пьезоэлектрическая керамика: новый прорыв в материаловедении и перспективы применения

Общие сведения о пьезоэлектрической керамике Пьезоэлект […]

Общие сведения о пьезоэлектрической керамике

Пьезоэлектрическая керамика — поликристаллический материал, который не только обладает пьезоэлектрическим эффектом, но и обеспечивает взаимное преобразование механической и электрической энергии. Под действием внешней силы она эффективно превращает механическую энергию в электрическую — именно это свойство сделало её незаменимой, например, в пьезоэлектрических зажигалках. В свою очередь, электрическая энергия может преобразовываться в механическую: так, пьезокерамические кольца ультразвуковых преобразователей играют ключевую роль в станках для производства масок.

Пьезоэлектрическая керамика — важная ветвь электронной керамики, занимающая значимое место в современной оптико-механо-электронной технике. Стремительное развитие электронных и оптико-механических технологий расширяет области её применения и одновременно предъявляет к пьезокерамическим компонентам всё более жёсткие требования. Особенно строгие требования к пьезоматериалам предъявляют электронные устройства, работающие при высоких температурах, — прежде всего в двух отношениях: во-первых, материал должен обладать высокой температурой Кюри, чтобы сохранять стабильные пьезоэлектрические свойства в условиях высоких температур; во-вторых, пьезоэлектрические параметры должны оставаться стабильными в широком диапазоне температур, обеспечивая нормальную работу оборудования.

Вызовы высокотемпературных условий

В настоящее время исследователи активно разрабатывают пьезокерамические материалы с высокой температурой Кюри и высокими характеристиками, отвечающие растущим потребностям высокотемпературных применений. Параллельно необходимо глубже изучать температурную зависимость точки Кюри пьезокерамики и влияющие на неё факторы, чтобы добиться дальнейшего повышения свойств материалов.

Развитие высокотемпературной пьезоэлектрической керамики

1. Высокотемпературная пьезокерамика перовскитной структуры

Материалы перовскитной структуры сегодня находятся в центре внимания материаловедов. Эти сложные оксиды металлов привлекают исследователей своей характерной кристаллической структурой кубической сингонии.

Ещё в 1942 году в США, Японии и других странах был открыт титанат бария (BaTiO₃) — кристалл с особой перовскитной структурой. Примечательно, что температура Кюри титанат-бариевой керамики составляет лишь 120 °C при температуре спекания 1300 °C, что придаёт ей уникальное место в керамической области.

С другой стороны, титанат свинца (PT) — сегнетоэлектрический материал перовскитной структуры с высокой температурой Кюри: при охлаждении чистых зёрен его кристаллическая структура претерпевает переход из кубической фазы в тетрагональную. Однако внутренние напряжения, возникающие при этом переходе, часто приводят к растрескиванию керамики и затрудняют поляризацию, что делает приготовление и спекание титаната свинца сложной задачей. Для её решения обычно вводят модифицирующие добавки, позволяющие получить пьезокерамические материалы с отличными характеристиками.

Наиболее широко изученной сегодня является керамика на основе цирконата-титаната свинца (PZT) — функциональный материал с большим потенциалом развития. Она широко применяется в самых разных электронных компонентах и отличается простотой технологии изготовления, доступным сырьём и низкой ценой. Однако её температура Кюри — всего 386 °C, что ограничивает применение PZT-керамики при высоких температурах. Для преодоления этого ограничения была разработана новая керамика BSPT. Её важное преимущество перед другими пьезокерамиками — отсутствие свинца, что отвечает стремлению к экологичности.

2. Пьезокерамика со слоистой висмутсодержащей структурой

Материалы этой структуры обладают превосходными пьезоэлектрическими свойствами и подходят для изготовления самых разных электронных компонентов. Слоистая висмутсодержащая пьезокерамика как экологичный высокотемпературный материал с отличными характеристиками в последние годы привлекает большое внимание. Повышение её пьезоэлектрических свойств — в центре работы многих исследователей; оно достигается двумя путями: технологической модификацией и легирующим замещением. По сравнению с традиционной PZT-керамикой слоистая висмутсодержащая пьезокерамика отлично зарекомендовала себя в пьезоэлектрических приборах и широко применяется в фильтрах, преобразователях энергии, а также в высокотемпературных и высокочастотных устройствах.

3. Пьезокерамика вольфрам-бронзовой структуры

Пьезокерамика вольфрам-бронзовой структуры с высокой температурой Кюри, низкой диэлектрической проницаемостью и выраженной анизотропией является весьма перспективным электрооптическим материалом. Она играет важную роль в голографической памяти, интегральной оптике и обработке оптических сигналов. В частности, метаниобат свинца — одна из первых открытых сегнетоэлектрических материалов вольфрам-бронзовой структуры с тетрагональной решёткой и температурой Кюри до 570 °C.

4. Пьезокерамика на основе ниобатов щелочных металлов

В конце 1940-х годов американские учёные синтезировали новое соединение — ниобат щелочного металла ANbO₃. Оно не только демонстрирует выдающиеся электрические характеристики, но и подходит для изготовления высокочастотных компонентов, поэтому рассматривается отраслью как потенциальная замена свинецсодержащим материалам. Особое внимание среди соединений этого класса привлекает ниобат лития (LiNbO₃).

5. Пьезокерамика на основе ниобата лития

Среди ниобатов щелочных металлов ниобат лития (LiNbO₃) выделяется превосходными электрическими свойствами и разнообразием применений. Он обладает температурой Кюри до 1210 °C и сочетает пьезоэлектрические, сегнетоэлектрические, электрооптические, пироэлектрические и нелинейно-оптические свойства. Ниобат лития широко используется в пьезоэлектрических фильтрах, преобразователях для высокотемпературных условий и других ключевых компонентах. Однако при изготовлении такой керамики из-за летучести лития возникают трудности со спеканием и узкий интервал температур спекания.

Достижения в области бессвинцовой пьезокерамики

В последние годы в разработке бессвинцовой пьезоэлектрической керамики достигнут значительный прогресс. Особое внимание привлекают материалы со слоистой висмутсодержащей структурой: они обладают не только отличными пьезоэлектрическими свойствами, но и высокотемпературной стабильностью, открывая новые возможности для производства экологичных пьезоэлектрических компонентов. Хотя их пьезоэлектрические и электромеханические характеристики ещё предстоит повысить, они уже широко применяются в электрооптических материалах и высокочастотных преобразователях.

Применение и будущее бессвинцовой пьезокерамики

Бессвинцовые материалы экологичны и стабильны и постепенно вытесняют традиционные свинецсодержащие. Высокотемпературная пьезокерамика играет критически важную роль в новой энергетике, атомной отрасли, нефтехимии, геологоразведке, авиакосмической отрасли, автомобильной промышленности и обороне. Например, в авиакосмической сфере высокотемпературные пьезоэлектрические датчики ведут мониторинг авиадвигателей, крыльев и других узлов в реальном времени.

Области применения высокотемпературной пьезокерамики

1. Новая энергетика и атомная отрасль

В сфере новой энергетики высокотемпературная пьезокерамика широко применяется для мониторинга оборудования: она помогает контролировать режимы работы установок, повышая стабильность и безопасность систем.

2. Нефтехимия и разведка

В нефтехимии и геологоразведке из высокотемпературной пьезокерамики изготавливают датчики для экстремальных условий, измеряющие температуру, плотность, давление и химический состав среды.

3. Транспорт и оборона

На транспорте и в оборонной сфере высокотемпературная пьезокерамика обеспечивает ключевые функции мониторинга в авиадвигателях и военной технике, что имеет большое значение для надёжности и безопасности оборудования.

Текущее состояние керамической отрасли и возможности развития

Продвинутая керамика как часть новой материаловедческой отрасли, поддерживаемой государством, в последние годы демонстрирует стремительное развитие. Отрасль быстро растёт благодаря технологическим потребностям сетей 5G и электромобилей.Рост рынка проявляется в двух направлениях: во-первых, подъём новых рынков — спрос на конструкционную керамику (керамические подшипники, конструкционные детали, электронная керамика), вызванный распространением 5G и электромобилей; во-вторых, ускорение импортозамещения.