Вовк Олена Олександрівна. Розробка модифікованих оксидних керамічних матеріалів на основі титанатів лужноземельних елементів

brief description

Вовк Олена Олександрівна. Розробка модифікованих оксидних керамічних матеріалів на основі титанатів лужноземельних елементів : Дис... канд. наук: 05.02.01 - 2006.

Вовк О.О. Розробка модифікованих оксидних керамічних матеріалів на основі титанатів лужноземельних елементів. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 матеріалознавство. - Інститут монокристалів НАН України, Харків, 2006.
Робота присвячена виявленню закономірностей впливу модифікуючих домішок на синтез та спікання оксидних керамічних матеріалів на основі титанатів лужноземельних елементів, вивченню реологічних та електрофізичних властивостей розроблених матеріалів.
Розглянуто метод зниження температури спікання матеріалів на основі BaTiO3-CaZrO3, BaNd2Ti5O14, Ca0,25Cu0,75TiO3шляхом спікання у присутності рідкої фази. Одержано керамічний матеріал на основі титанату барію-цирконату кальцію, в якому завдяки введенню склодомішки, що складається з LiF, B2O3та Bi2O3, знижено температуру спікання на 300 градусів у порівнянні з вихідним матеріалом та покращено його реологічні характеристики. Розроблено керамічний матеріал на основі титанату барію-неодиму з температурою спікання 1050оС, який додатково містить склодомішку, що складається з BaO, ZnO, B2O3та Bi2O3.
Вивчено утворення твердих розчинів на основі перовскитоподібної структури титанату кальцію-міді Ca0,25Cu0,75TiO3шляхом його допування ізовалентними (Sn4+) відносно Ti4+та гетеровалентними (Bi3+та La3+) відносно Ca2+та Cu2+катіонами. Встановлено існування твердих розчинів, склад яких відповідає формулі Ca0,25-3x/2Cu0,75Nxx/2TiO3, де N=Bi, La, х0,116, - катіонна вакансія. Синтезовано ряд твердих розчинів на основі (Ca0,25Cu0,75)TiO3, допованого оловом у межах концентрацій до 27 мол.%. Розроблено новий керамічний матеріал на основі Ca0,25Cu0,75Ti0,9Sn0,1O3із склодомішкою ZnO-B2O3-Bi2O3з величиною діелектричної проникності 11000, яка є постійною в інтервалі температур 0-140оС.

У дисертації встановлено закономірності впливу модифікуючих домішок на синтез та спікання оксидних керамічних матеріалів на основі титанатів лужноземельних елементів. Досліджено вплив модифікування, здійсненого шляхом введення легкоплавких домішок або допування ізо- та гетеровалентними катіонами, на реологічні та електрофізичні властивості цих матеріалів. Отримано наступнінаукові та практичнірезультати:
1. Встановлено, що введення легкоплавких домішок, що складаються з фториду літію, оксидів кремнію, цинку, бору та вісмуту, в матеріал на основі твердого розчину BaTiO3-CaZrO3, знижує його температуру спікання на 150-300оС у порівнянні з вихідним матеріалом, збільшує вдвічі усадку при спіканні, що дозволяє підвищити щільність та знизити пористість кераміки на його основі. Визначено, що введення легкоплавких домішок у вигляді спеціально приготованого скла є ефективнішим, ніж введення їх у вигляді механічної суміші вихідних компонентів домішок. Температура спікання титанату барію-цирконату кальцію із склодомішками на 50-100оС нижча, а величина усадки на 3-7 % більша, ніж при додаванні сумішей компонентів аналогічного складу.
2. Розроблено матеріал на основі твердого розчину титанату барію-цирконату кальцію з температурою спікання 1000оС, який містить 6 мас.% скловидної технологічної домішки, що складається з LiF, B2O3та Bi2O3(у масових співвідношеннях 2:1:1). Одержаний матеріал має щільноупаковану структуру зерен без видимих пор, виявляє високу температурну стабільність діелектричної проникності. Розроблено разовий технологічний регламент одержання конденсаторної маси та кераміки на основі титанату барію-цирконату кальцію.
3. Встановлено, що введення легкоплавких домішок, які складаються з фториду літію, оксидів цинку, бору та вісмуту, в BaNd2Ti5O14знижує його температуру спікання на 200-300оС. Показано, що найбільш ефективною є склодомішка, що складається з BaO, ZnO, B2O3та Bi2O3(в масових співвідношеннях 2:0,5:1:3), введення 12 масс.% якої в титанат барію-неодиму дозволяє знизити температуру спікання одержаного матеріалу до 1050оС без погіршення його електрофізичних параметрів.
4. Визначено параметри твердофазного синтезу титанату кальцію-міді (Ca0,25Cu0,75)TiO3(CCTO) з CaСO3, CuO та TiO2. Титанат кальцію-міді кристалізується у кубічну перовскитоподібну структуру з параметром кристалічної граткиа=7,392 . Вивчено температурну залежність діелектричної проникності для зразків з різним вмістом основної фази ССТО, одержаних при різних режимах синтезу. Встановлено, що для зразків із вмістом фази ССТО 100 % діелектрична проникністьeдосягає 20000. Показано, що наявність сторонніх фаз сприяє зниженню значенняeта розмиванню максимуму піку на кривій її температурної залежності.
5. Синтезовано ряд твердих розчинів на основі (Ca0,25Cu0,75)TiO3з вісмутом (CCBTO) та лантаном (CCLTO) в межах концентрацій 0-11,6 мол.%, та 0-4,3 мол.%, відповідно. Визначено, що катіони Bi3+та La3+входять у позицію А2+перовскитної структури ABO3з утворенням катіонних вакансій та незначним збільшенням параметру елементарної коміркиавід 7,392 для не допованого ССТО до 7,398 для ССВТО з 11,6 мол.% вісмуту та 7,399 для CCLTO з 4,3 мол.% лантану. Склад синтезованих твердих розчинів відповідає формулі Ca0,25-3x/2Cu0,75Nxx/2TiO3, де N=Bi, La, х0,116, - катіонна вакансія.
6. Синтезовано ряд твердих розчинів на основі (Ca0,25Cu0,75)TiO3з оловом в межах концентрацій від 0 до 27 мол.%. Встановлено, що параметр елементарної коміркиазростає від 7,392 до 7,472 при збільшенні вмісту допанту від 0 до 27 мол.%. Допування титанату кальцію-міді 10 мол.% оловa дозволяє одержати керамічний матеріал з високим значенням діелектричної проникності (біля 9000) та її великою температурною стабільністю в інтервалі 0-180оС.
7. Вивчено вплив легкоплавких склодомішок, що складаються з оксидів бору, вісмуту, цинку та фториду літію, на спікання CCTO. Встановлено, що введення склодомішок знижує температуру спікання матеріалу на 1000С, збільшує ступінь усадки до 13-15 % незалежно від якісного та кількісного складу домішки. Введення 4 мас.% склодомішки, що складається з ZnO, B2O3та Bi2O3(у масових співвідношеннях 1:1:1), дозволяє одержати матеріали зі значенням діелектричної проникності у максимумі кривої її температурної залежності до 100 тисяч у ССТО і до 40-50 тисяч у CCBTO та CCLTO. У результаті модифікування цією склодомішкою Ca0,25Cu0,75Ti0,9Sn0,1O3отримано керамічний матеріал з високим значенням діелектричної проникності (11000), яке є постійним в інтервалі температур 0-140оС.