В ЮФУ получили экологичную пьезокерамику, работающую в экстремальных условиях

МОСКВА, 16 декабря. /ТАСС/. Ученые Южного федерального университета разработали технологию, значительно улучшающую свойства экологичной пьезокерамики - феррита висмута. Как рассказали в вузе, новая технология открывает путь к отечественному производству экологичных материалов для датчиков, работающих в экстремальных условиях.

Современная техника немыслима без пьезоэлектриков (PZT) - материалов, преобразующих электричество в механическое движение и наоборот. От медицинских УЗИ-аппаратов и топливных форсунок в автомобилях до систем точного позиционирования - везде работают пьезокерамические элементы на основе свинца. Однако у них есть два существенных недостатка: токсичность, опасная при производстве и утилизации, и ограниченный температурный диапазон работы. При нагреве выше 350-400 градусов такие датчики теряют свои свойства. Новый материал, полученный российскими учеными, не теряет своих пьезоэлектрических свойств даже при экстремально высоких температурах.

Одним из перспективных бессвинцовых кандидатов на замену PZT считается феррит висмута, который и был взят за основу в экспериментах ростовских ученых. Этот материал экологичен и не теряет своих пьезоэлектрических свойств вплоть до 850 градусов Цельсия. Однако, как рассказали в ЮФУ, в чистом виде феррит висмута сильно уступает свинцовым аналогам. Поэтому его разбавляют вторым компонентом, что позволяет стабилизировать структуру и улучшить электрофизические характеристики. В экспериментах, которые проводили ученые, вторым компонентом раствора стал сегнетоэлектрик титанат бария.

Результаты рентгеноструктурного анализа полученного раствора были неожиданными. Оказалось, что в материале произошло неполное растворение компонентов, и внутри керамики сформировалась сложная наноструктура - своеобразная "мозаика" из областей, обогащенных то висмутом, то барием, с разной симметрией кристаллической решетки. Выяснилось, что модифицированная керамика ведет себя как релаксор - материал, чьи свойства слабо меняются в широком диапазоне температур. А это именно то, что нужно для стабильной работы датчика при нагреве. Главным же практическим результатом стал рост пьезомодуля - ключевой характеристики, показывающей силу связи между механическим воздействием (давлением, силой) и возникающим электрическим зарядом или наоборот, связь между электрическим полем и деформацией материала. Выяснилось, что у опытного образца этот показатель почти в два раза выше, чем у аналогичной керамики, полученной по обычной технологии.

Полученные результаты - важный шаг к созданию нового поколения функциональных материалов. Разработанная методика позволяет целенаправленно влиять на свойства высокотемпературной пьезокерамики, что открывает путь к отечественному производству экологичных материалов для датчиков, работающих в экстремальных условиях, считают в Южном федеральном университете.

Об исследовании

Исследования выполнены при поддержке Российского научного фонда (проект №24-22-00415) и Министерства науки и высшего образования РФ.