DEVELOPMENT OF LEAD-FREE PIEZOCERAMICS WITH APPLICATION OF ULTRASONIC VIBRATIONS
DOI:
https://doi.org/10.36773/1818-1112-2024-135-3-104-110Keywords:
piezoceramics, ultrasound, ultrasonic mechanoactivation, sodium bismuth titanate, ultrasonic pressingAbstract
The development of lead-free ferroelectric materials is an important task due to the restrictions on the use of lead in industry enacted in a number of European countries, the United States, and Japan (Directive 2011/65/EU of the European Parliament). In the Republic of Belarus, a technical regulation TR EAEU 037/2016 has been in effect since 2018, established by the EAEU member states. This technical regulation sets down requirements for the restriction of the use of hazardous substances in electrotechnical and radio-electronic products.
The bismuth sodium titanate solid solution system Na0.5Bi0.5TiO3 (NBT) is considered one of the promising materials for practical application, despite its characteristics being inferior to those of the classical PZT-system. The application of ultrasonic vibrations during the synthesis of PZT-ceramics suggests that ultrasound at different stages of the production of NBT-based piezoceramics could also enhance its physical and mechanical properties.
This work presents the results on the influence of ultrasonic vibrations during mechanoactivation and pressing on the properties of lead-free piezoceramics of the NBT type. It has been shown that applying ultrasonic vibrations during mechanoactivation and pressing leads to the grinding of the initial powder, allowing the obtaining of denser homogeneous ceramics, preventing the formation of microcracks during sintering, reducing the sintering temperature by ~60° C, increasing the Curie temperature by 50–60° C, and increasing the dielectric constant. Ceramics produced with ultrasound is characterized by high electromechanical anisotropy (d33/d31), which is important for practical applications when it is necessary to excite certain vibration modes. The obtained results will serve as a basis for further development of the scientific field of ultrasonic mechanoactivation and pressing of piezoceramic powders.
References
Ультразвуковая технология изготовления конструкционной и функциональной нанокерамики / О. Л. Хасанов, В. М. Соколов, Э. С. Двилис, Ю. П. Похолков // Перспективные материалы. – 2002. – № 1. – C. 76–83.
Хасанов, О. Л. Научные основы сухого компактирования ультрадисперсионных порошков в технологии изготовления нанокерамики : дисс. … доктор технич. наук : 05.17.11 / Хасанов Олег Леонидович ; Томский политехнический университет. – Томск, 2003. – 371 с.
Прессование порошков титаната бария с наложением ультразвуковых колебаний / В. В. Клубович, В. К. Высоцкий, Г. С. Бобровская [и др.] // Изв. АНБ. сер физ-техн. – 1994. – № 3. – C. 16–19.
Пугачев, С. И. Физические и технологические задачи ультразвукового формообразования изделий из пьезокерамических порошков: тезисы докладов региональной НТК / С. И. Пугачев, Д. О. Харитонов. – СПб. : СПбГМТУ. – 1998. – С. 40–41.
Ультразвуковое формообразование в технологическом процессе изготовления изделий из неметаллических порошков : труды 3-й Междунар. конф. по морским интеллектуальным технологиям "Моринтех-99" / М. А. Красавина, Ф. Ф. Легуша, С. И. Пугачев, Д. О. Харитонов. – СПб., 1999. – Т. 1. – C. 235–237.
Ультразвуковое формообразование изделий из пьезокерамических порошков : труды 3-й Междунар. науч.-техн. конф. "АПЭП-96" / Н. М. Попов, С. И. Пугачев, Н. Г. Семенова, Д. О. Харитонов. – Новосибирск, 1996. – Т. 1. – C. 192.
Ильющенко, А. Ф. Получение высокоплотных керамик различного назначения с использованием наноразмерных порошков и энергии взрыва. / А. Ф. Ильющенко // Наноструктурные материалы – 2008: Беларусь – Россия – Украина : материалы Первой междунар. науч. конф., 22–25 апреля 2008 г., г. Минск / НАН Беларуси, Росс. АН, НАН Украины [и др.]. – Минск, 2008. – С. 345–347.
Эффекты мощного ультразвукового воздействия на структуру и свойства наноматериалов : учеб. пособие / О. Л. Хасанов, Э. С. Двилис, В. В. Полисадова, А. П. Зыкова. – Томск : Томский политехнич. ун-т, 2008. – 149 с.
Шилин, А. Д. Ультразвуковая механоактивация порошковых материалов / А. Д. Шилин, В. В. Рубаник, В. В. Рубаник – мл. // Перспективные материалы и технологии ; под ред. В. В. Клубовича. – Витебск : ВГТУ, 2013. – Гл. 30. – С. 630–651.
Effect of High-Power Ultrasound Treatment on Microstructure, Dielectric and Piezoelectric Properties of Complex Perovskite Oxides / A. D. Shilin, V. V. Rubanik, V. V. Rubanik – jr. [et al.] // 20th International Conference on Diffusion in Solids and Liquids, Barcelona, June 24–28, 2024. – Barcelona, 2024.
Ультразвуковая механоактивация порошка пьезокерамики Na0.5Bi0.5TiO3 / В. В. Рубаник, В. К. Фролов, Н. С. Колодинская, A. Atvars // Актуальные проблемы прочности : материалы науч.-практич. конф., г. Витебск, 23–27 мая 2022 г. / под ред. В. В. Рубаника. – Минск : ИВЦ Минфина, 2022. – С. 406–408.
Клубович, В. В. Влияние ультразвуковых колебаний на процесс уплотнения порошковых материалов / В. В. Клубович, В. В. Рубаник // Актуальные проблемы прочности : материалы 43-й Междунар. конф., Витебск, 27 сент. – 1 окт. 2004 г. : в 2 ч. / ВГТУ. – Витебск, 2004. – Ч. 1. – С. 325–329.
Пат. 2007272 Российская Федерация, МКИ5 В22F 3/02. Способ прессования порошкового материала : № 4892743/02 : заявлено 19.12.90 : опубл. 15.02.94 / Клубович В. В., Бобровская Г. С., Рубаник В. В., Высоцкий В. К. : заявитель Витебское отдлел. ин-та физики твердого тела и полупроводников АН Беларуси // Бюл. Изобретения. – 1994. – № 3. – С. 87.
Патент BY 22360, МПК B 22F 3/02 (2006.01), B 30B 11/14 (2006.01). Способ прессования порошкового материала : № 20170007 : заявлено 09.01.2017 : опубл. 30.08.2018 / Рубаник В. В., Рубаник В. В. (мл.), Шилин А. Д., Салак А., Дон Дин Фунг, чан Бао чунг ; заявитель: Институт технической акустики НАН Беларуси. – 4 с.
Structural and dielectric features of (Bi0.5Na0.5)1−xBaxTiO3 lead-free ferroelectric ceramics: An approach to the phase diagram / B. R. Moya, A. C. Iglesias-Jaime, A. C. Silva [et al.] // J. Appl. Phys. – 2024. – Vol. 135. – Art. 164106. – DOI: 10.1063/5.0191402.
Ferroelectric domain switching pathways – From grain boundary to grain body / X. Lou, X. Hou, H. Fan [et al.] // Appl. Phys. Lett. – 2023. – Vol. 122. – Art. 212902. – DOI: 10.1063/5.0146252.
Understanding the grain size dependence of functionalities in lead-free (Ba,Ca)(Zr,Ti)O3 / M.-H. Zhanga, Ch. Zhao, X. Yan [et al.] // Acta Mater. – 2024. – Vol. 276. – Art. 120112. – DOI: 10.1016/j.actamat.2024.120112.
Grain size effect on piezoelectric properties of rhombohedral lead zirconate titanate ceramics / Zh. Li, Ch.-B.-W. Li, H.-Ch. Thong [et al.] // Ceram. Inter. – 2023. – Art. 27733–27741. – DOI: 10.1016/j.ceramint.2023.05.209.
Bokov, A. A. Recent Progress in Relaxor Ferroelectrics with Perovskite Structure / A. A. Bokov, Z.-G. Ye // Prog. Adv. Dielectr. – 2020. – P. 105–164. – DOI: 10.1007/s10853-005-5915-7.
Cross, L. E. Relaxor ferroelectrics / L. E. Cross // Ferroelectrics. – 1987. – Vol. 76. – P. 241–267. – DOI: 10.1080/00150198708016945.
Downloads
Published
How to Cite
Issue
Section
License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
The work is provided under the terms of Creative Commons public license Attribution-NonCommercial 4.0 International (CC BY-NC 4.0). This license allows an unlimited number of persons to reproduce and share the Licensed Material in all media and formats. Any use of the Licensed Material shall contain an identification of its Creator(s) and must be for non-commercial purposes only. Users may not prevent other individuals from taking any actions allowed by the license.
