Влияние Sr(Ca)2Nb2O7 на фазообразование и структуру твердых растворов на основе ниобата натрия-калия

  • Глазунова Екатерина Викторовна Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону (Россия) http://orcid.org/0000-0002-2596-2471
Ключевые слова: функциональные материалы, твердые растворы, экологически безопасные материалы, твердофазный синтез, фазообразование, спекание керамики, симметрия ячейки, фазовый переход, плотность керамики, пьезоэлектрические свойства, (1-x)KNbO3 – xNaNbO3

Аннотация

Система (1-x)KNbO3xNaNbO3 является одной из наиболее изучаемых среди бессвинцовых керамик, перспективных для потенциального использования в пьезоэлектрической технике и замены свинецсодержащих элементов в подобных устройствах. Но, несмотря на множество работ, направленных на решение этой проблемы, на данный момент не было получено бессвинцовых материалов, сопоставимых по свойствам со свинецсодержащими пьезокерамиками. Это обусловлено различными технологическими трудностями создания твердых растворов (ТР) на основе бессвинцовых композиций, такими как летучесть щелочных компонентов, сильнейшая зависимость наблюдаемых свойств от условий получения (термодинамической предыстории). Одним из приемов, используемых для повышения технологичности, стабильности ТР, а также для улучшения их электрофизических свойств, является модифицирование. Работа посвящена исследованию влияния добавок пирониобатов кальция и стронция на структуру и свойства системы (1-x)KNbO3xNaNbO3. Оптимизированы условия синтеза и спекания для каждого ТР систем (1-x-у)KNbO3yNaNbO3x(Sr/Са)2Nb2O7. Проведен рентгенофазовый и рентгенографический анализ полученных объектов. Проанализированы зависимости параметров, объема ячейки и плотностей керамики от концентрации введенного компонента (Sr/Са)2Nb2O7. Установлено, что увеличение содержания пирониобатов кальция и стронция 0≤х≤10 % приводит к возникновению в системах (1-x-у)KNbO3yNaNbO3x(Sr/Са)2Nb2O7 нескольких фазовых переходов, обусловленных перестройкой структуры. В целом симметрия вышеуказанных систем изменяется по-разному. Легирование пирониобатом стронция приводит к тетрагональному искажению структуры, а пирониобатом кальция – к формированию кубической кристаллической решетки. Также показано, что введение в систему (1-x)KNbO3хNaNbO3 пирониобатов (Sr/Са)2Nb2O7 выше 2,5 % значительно снижает плотность полученных керамик.

Биография автора

Глазунова Екатерина Викторовна, Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону (Россия)

аспирант физического факультета

Литература

Jing R., Jin L., Tian Y., Huang Y., Lan Y., Xu J., Hu Q., Du H., Wei X., Guo D., Gao J., Gao F. Bi(Mg0.5Ti0.5)O3-doped NaNbO3 ferroelectric ceramics: Linear regulation of Curie temperature and ultra-high thermally stable dielectric response // Ceramics International. 2019. Vol. 45. № 17. P. 21175–21182.

Shekhani H., Scholehwar T., Hennig E., Uchino K. Characterization of piezoelectric ceramics using the burst/transient method with resonance and antiresonance analysis // Journal of the American Ceramic Society. 2017. Vol. 100. № 3. P. 998–1010.

Xia B., He X., Zeng X., Qiu P., Cheng W. Effects of Zr/Ti ratio on the electric-induced light scattering performances of PLZT transparent ceramics // Key Engineering Materials. 2015. Vol. 655. P. 136–140.

Gao X., Wu J., Yu Y., Dong S. A modified barbell-shaped PNN-PZT-PIN piezoelectric ceramic energy harvester // Applied Physics Letters. 2017. Vol. 111. № 21. P. 212904.

Vertsioti G., Zhang S.J., Stamopoulos D. Pronounced and reversible modulation of the piezoelectric coefficients by a low magnetic field in a magnetoelectric PZT-5%Fe3O4 system // Scientific Reports. 2019. Vol. 9. № 1. P. 2178.

Li F., Yang K., Liu X., Zou J., Zhai J. Shen B., Li P., Shen J., Liu B., Chen P., Zhao K., Zeng H. Temperature induced high charge–discharge performances in lead-free Bi0.5Na0.5TiO3-based ergodic relaxor ferroelectric ceramics // Scripta Materialia. 2017. Vol. 141. P. 15–19.

Wang G., Lu Z., Zhang Z., Feteira A., Tang C.C., Hall D.A. Electric field-induced irreversible relaxor to ferroelectric phase transformations in Na0.5Bi0.5TiO3-NaNbO3 ceramics // Journal of the American Ceramic Society. 2019. Vol. 102. № 12. P. 7746–7754.

Singh S, Negi J., Panwar N.S. Dielectric properties of Na1−xKxNbO3, near x = 0.5 morphotropic phase region // Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2018. № 123. P. 311–317.

Ji J.-H., Kim J., Koh J.-H. Improved dielectric and piezoelectric properties of K/Na excessed (Na,K)NbO3lead-free ceramics by the two step sintering process // Journal of Alloys and Compounds. 2017. Vol. 698. P. 938–943.

Yin N., Jalalian A., Zhao L., Gai Z., Cheng Z., Wang X. Correlation between crystal structures, Raman scattering and piezoelectric properties of lead-free Na0.5K0.5NbO3 // Journal of Alloys and Compounds. 2015. Vol. 652. P. 341–345.

Liu Y., Du Y., Sun X., Lv X.,Yang K., Du M., Feng Y., Jiang N. Relation of the phase transition and electrical, photoluminescence properties in (1 − x) Na0.5K0.5NbO3–xLiSbO3:0.006Dy3+ lead free ceramics // Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2019. Vol. 30. № 11. P. 10507–10515.

Hong C.H., Han H.S., Lee J.S., Wang K., Yao F.Z., Li J.F., Gwon J.H., Quyet N.V., Jung J.K., Jo W. Ring-type rotary ultrasonic motor using lead-free ceramics // Journal of Sensor Science and Technology. 2015. Vol. 24. № 4. P. 228–231.

Wang R., Wang K., Yao F.-Z., Li J.-F., Schader F.H., Webber K.G., Jo W., Rödel J. Temperature stability of lead-free niobate piezoceramics with engineered morphotropic phase boundary // Journal of the American Ceramic Society. 2015. Vol. 98. № 7. P. 2177–2182.

Malič B., Benčan A., Rojaz T., Kosec M. Lead-free piezoelectrics based on alkaline niobates: Synthesis, sintering and microstructure // Acta Chimica Slovenica. 2008. Vol. 55. № 4. P. 719–726.

Suchanicz J., Konieczny K., Faszczowy I., Karpierz, M., Lewczuk U., Urban B., Klimkowski G., Antonova M., Sternberg A. Sb effect on structural, dielectric, and ferroelectric properties of Na0.5K0.5NbO3 ceramics // Ferroelectrics. 2015. Vol. 479. № 1. P. 8–14.

Acker J., Kungl H., Hoffmann M.J. Influence of alkaline and niobium excess on sintering and microstructure of sodium-potassium Niobate (K0.5Na0.5)NbO3 // Journal of the American Ceramic Society. 2010. Vol. 93. P. 1270–1281.

Alanis J., Rodríguez-Aranda M.C., Rodríguez Á.G., Ojeda-Galván H.J., Mendoza M.E., Navarro-Contreras H.R. Temperature dependence of the Raman dispersion of Sr2Nb2O7: Influence of an electric field during the synthesis // Journal of Raman Spectroscopy. 2019. Vol. 50. № 1. P. 102–114.

Tomashpolsky Y.Y., Matyuk V.M., Sadovskaya N.V. Mechanisms of the Formation of a Surface Phase with the Matrix Composition in a Сa2Nb2O7 Single Crystal // Inorganic Materials. 2016. Vol. 52. № 8. P. 791–795.

Malic B., Bernard J., Holc J., Jenko D., Kosec M. Alkaline-earth doping in (K, Na)NbO3 based piezoceramics // Journal of the European Ceramic Society. 2005. Vol. 25. № 12 SPEC. ISS. P. 2707–2711.

Фесенко Е.Г. Семейство перовскита и сегнетоэлектричество. М.: Атомиздат, 1972. 248 с.

Опубликован
2020-03-28
Выпуск
Раздел
Технические науки