Способ управления электрофизическими параметрами сегнетокерамики на основе цирконата-титаната свинца

 

Название изобретения: способ управления электрофизическими параметрами сегнетокерамики на основе цирконата-титаната свинца. использование: для снижения разброса значений электропроводности сегнетокерамики. Сущность изобретения: для снижения разброса значений σ_макс/σ_мин сегнетокерамику подвергают однократному облучению жестким рентгеновским излучением с длиной волны не более и поглощенной дозой излучения, равной D = (0,55...11,50)· 10⁸ рад. Для управления значениями электропроводности сегнетокерамику подвергают многократному облучению, причем величину поглощенной дозы излучения выбирают из зависимости представленной в формуле. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к технологии получения материалов с заранее заданными свойствами и позволяет изготавливать на их основе элементы РЭА с минимальным разбросом выходных параметров.

Известны способы улучшения электрофизических свойств (пьезоэлектрических) керамических материалов, основанных на технологических приемах. Способ введения дополнительных компонентов реализован, например, в авт. св. 654582, и патенте Франции 2248249, где в керамику на основе цирконата-титаната свинца (ЦТ) или ЦТС с замещением свинца на стронций вводятся дополнительные компоненты: оксиды Li₂O и Sb₂O₃, оксиды вольфрама и оксиды редкоземельных элементов. Недостатками этих способов является необходимость использования сложных химико-технологических операций для изготовления и контроля пьезокерамики с заданными и химическими составами.

Известны также способы улучшения электрофизических параметров сегнетокерамических материалов, основанных на специальных технологических операциях, такие способы реализованы, например, в авт. св. 985009, 996392, где в первом случае сегнетокерамику на основе ЦТС формируют при давлении (4.5)˙10³ атм, а во втором случае, кроме основных технологических операций, проводят осаждения нитрата свинца или стронция и свинца при температуре 60.90^оС, после чего осуществляют выдержку осадка под слоем маточного раствора в течение 4. 6 ч. К недостаткам следует отнести необходимость использования сложного технологического оборудования для создания высокого давления и других специальных технологических процессов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ стабилизации доменной структуры сегнетокерамики, заключающийся в проведении процесса рентгеновского облучения [1] Данный способ позволяет лишь уменьшить величину диэлектрической проницаемости и сдвинуть точку Кюри. К недостаткам данного способа следует отнести ограниченные возможности и отсутствие контролируемого управления электрофизическими параметрами сегнетокерамики.

Цель изобретения уменьшение разброса и управление электрофизическими параметрами сегнетокерамики на основе ЦТС.

Сущность изобретения заключается в том, что сегнетокерамику на основе ЦТС подвергают однократному облучению жестким рентгеновским излучением с длиной волны не более λ 0,3 и поглощенной дозой излучения, равной D=(0,55. 11,50)˙ 10⁸ рад, а управление электрофизическими параметрами сегнетокерамики ЦТС осуществляют путем многократного облучения, причем величину поглощенной дозы излучения выбирают из зависимости σ=A˙D_Σ^0,23, где σ электропроводность сегнетокерамики; А коэффициент, равный (3.8) ˙10- D_Σ суммарная поглощенная доза излучения.

Необходимость применения жесткого рентгеновского излучения связана с тем, что в этом случае массовый коэффициент ослабления рентгеновских лучей, определяющий поглощение и рассеяние излучения в сегнетокерамике ЦТС, в том числе за счет эффекта Комптона и брэгговского отражения, снижается в меньшей степени, в результате чего обеспечивается равномерное дефектообразование в объеме сегнетокерамики ЦТС.

Величина поглощенной дозы излучения при однократном облучении необходимая для реализации процесса уменьшения разброса электрических параметров сегнетокерамики ЦТС, равная (0,55.11,50)˙ 10⁸ рад, определена эмпирически.

На фиг. 1 представлена диаграмма, которая отражает зависимость величины электропроводности от поглощенной дозы излучения для случая однократного облучения. Как видно на фиг. 1, диаграмма разбита на три области. Для области 1 характерно закономерное уменьшение величины электропроводности под действием облучения. Причем по мере приближения величины электропроводности необлученных образцов к средней области 2 угол наклона кривых, выражающих зависимость электропроводности образцов от величины поглощенной дозы излучения, уменьшается. Образцы, которые в необлученном состоянии имели значения величины электропроводности, лежащие в средней области 2, характеризуются тем, что величина электропроводности не является функцией поглощенной дозы излучения либо слабо зависит от D. Для образцов, принадлежащих области 3, наблюдается увеличение величины электропроводности при увеличении поглощенной дозы излучения. Причем при удалении величины электропроводности необлученных образцов от средней области 2, величина электропроводности резче зависит от поглощенной дозы излучения. Как показали результаты рентгеновского флуоресцентного анализа, сегнетокерамические образцы, принадлежащие к трем типичным областям, отличаются в основном содержанием следующих элементов: Zr, Са, Bi. Если, например, состав элементов, входящих в образцы, принадлежащие 2 области, принять за 100% то содержание Zr, Са, Bi в сегнетокерамических образцах, принадлежащих области 1 и 3 соответственно составляет 73, 142, 105 и 107, 84, 70% Как следует из фиг. 1, после облучения образцов величина их электропроводности располагается в средней области 2. Следует отметить, что отношение максимального и минимального значений электропроводности необлученных образцов составляет примерно 10. Тогда как под действием рентгеновского излучения эта величина снижается в 3.7 раз в зависимости от поглощенной дозы излучения. Следовательно, однократное облучение приводит к уменьшению разброса электропроводности сегнетокерамики ЦТС.

Процесс управления электропроводностью сегнетокерамики осуществляют за счет ее многократного облучения. На основе экспериментальных данных установлена зависимость, которая связывает величину электропроводности керамики с поглощенной дозой излучения: σ= A˙D_Σ^0,23 (1) где σ электропроводность сегнетокерамики; А коэффициент, равный (3.8) x x10- D_Σ суммарная поглощенная доза излучения.

Следует отметить, что в результате облучения сегнетокерамических образцов рентгеновским излучением величина тангенса угла диэлектрических потерь практически не изменяется.

На фиг. 2 представлена зависимость электропроводности образцов от поглощенной дозы излучения при многократном облучении.

Как видно из рисунка, наблюдается рост величины электропроводности с увеличением дозы поглощенного излучения. Это объясняется тем, что при взаимодействии рентгеновского излучения с электронами твердого тела происходит передача энергии валентному электрону, который переходит на более высокий энергетический уровень. То есть при облучении исходного материала происходит перераспределение электронов на энергетические уровни с большими значениями энергии, вследствие чего в зоне проводимости образуются неравновесные носители заряда, обуславливающие рост электропроводности сегнетокерамики.

Сплошными линиями на фиг. 2 показаны теоретически рассчитанные зависимости σf(D), а символами экспериментальные значения электропроводности образцов 1, 2, 3 и 4 при соответствующих значениях дозы поглощенного излучения. Как видно на фиг. 2, наблюдается хорошая корреляция между экспериментальными и теоретически рассчитанными значениями. Это указывает на возможность прогнозирования величины электропроводности сегнетокерамических образцов в зависимости от суммарной поглощенной дозы излучения.

Таким образом, отличительными признаками изобретения являются: 1. подвергают однократному облучению жестким рентгеновским излучением с длиной волны не более и поглощенной дозой излучения, равной (0,55. 11,50)˙ 10⁸ рад.

2. подвергают многократному облучению, причем величину поглощенной дозы излучения выбирают из зависимости: σ= A˙D_Σ^0,23 где σ электропроводность сегнетокерамики; А коэффициент, равный (3.8)˙ 10^-13 D_Σ суммар- ная поглощенная доза излучения.

Других технических решений со сходными отличительными признаками по патентной и научно-технической литературе не обнаружено, следовательно, данный способ обладает существенными отличиями.

Преимущества предлагаемого способа по сравнению с известным заключаются в возможности уменьшения разброса электрофизических параметров, необходимого для увеличения числа годных активных элементов РЭА, а также в возможности проведения процесса управления электрофизи- ческими параметрами и использования его при групповой технологии изготовления.

В качестве примера выполнения способа следует привести описание проведенных экспериментов и полученных результатов. Образцы сегнетокерамики представляют собой таблетки толщиной 250 мкм и диаметром 10 мм. Облучение сегнетокерамических образцов осуществлялось на установке рентгеновского флуоресцентного анализа ФРА-20Р производства "Carl Zeiss Jena". Облучение образцов проводилось с использованием рентгеновской трубки с анодом из вольфрама. Применение трубки с анодом из вольфрама определяет наличие жесткого рентгеновского излучения с длиной волны не более λ0,3 λ 0,3 .

Партия из 3.5-ти образцов помещалась в рентгеновскую камеру, где осуществляют их облучение. Напряжение и ток на рентгеновской трубке задавались в пределах (2.7)x x10⁴ В и (2.5) ˙10^-2 А соответственно. Мощность излучения, падающая на образец с учетом времени облучения и массы образца, равной 0,5 г, пересчитывалась по известным формулам в поглощенную дозу излучения. Сразу после облучения измерялась величина сопротивления изоляции сегнетокерамических образцов. Измерения осуществляют при комнатной температуре с помощью термометра. По величине сопротивления изоляции сегнетокерамических образцов определялась электропроводность по следующей формуле σ (2) где d толщина образца; R_из сопротивление изоляции образца; S площадь электрических контактов.

В случае многократного облучения после измерения сопротивления изоляции сегнетокерамические образцы подвергались вторичному облучению с последующим измерением сопротивления изоляции и т.д.

Результаты экспериментов представлены на фиг. 1, 2 и в таблице.

Формула изобретения

1. СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ СЕГНЕТОКЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ ЦИРКОНАТА-ТИТАНАТА СВИНЦА путем обработки сегнетокерамики рентгеновскими лучами, отличающийся тем, что, с целью уменьшения значения σ_макс/ σ_мин, сегнетокерамику подвергают однократному облучению жестким рентгеновским излучением с длиной волны не более и поглощенной дозой излучения, равной D=(0,55 11,50) · 10⁸ рад.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью управления значениями электропроводности, сегнетокерамику подвергают многократному облучению, причем величину поглощенной дозы излучения выбирают из зависимости σ = A·D⁰_Σ^,23, где s электропроводность; A коэффициент, равный (3 8) · 10^-13 (Ом · м)^-1/рад; D_Σ суммарная поглощенная доза излучения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4