Труды КНЦ вып.5 (ХИМИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ вып. 5/2015(31))

EFFECT OF SINTERING TEMPERATURE ON THE STRUCTURE OF LEAD ZIRCONATE-TITANATE CERAMICS O.V. Malyshkina1, E.V. Barabanova1, A.I. Ivanova1, A.Yu. Karpenkov1, V.A. Golovnin1, A.V. Daineko2, A.Yu. Shahvorostov2 1Tver State University, Tver, Russia 2JSC Research Institute "ELPA", Zelenograd, Moscow, Russia Abstract We have investigated the peculiarities of the formation of the microstructure of lead zirconate-titanate (PZT) with thickness of 500 pm with low sintering temperatures after various heat treatments. It was found that formation of the grains depends on the sample thickness and temperature of sintering. Keywords: piezoelectric ceramics, formation of grain structure, sintering of ceramics, domain structures. Традиционная керамическая технология производства пьезокерамики состоит из двух стадий. На первой стадии гомогенизированную максимально однородную смесь порошков окислов и солей исходных компонентов (шихту) нагревают, при нагреве происходят реакции образования (синтез) основной фазы. Затем полученный конгломерат сегнетоэлектрических кристаллитов измельчают и попутно еще раз гомогенизируют. На второй стадии из порошков формуют заготовки, которые при второй высокотемпературной обработке (обжиге) спекают в прочную твердую сегнетокерамику. В настоящей работе проведено исследование формирования микроструктуры керамики ЦТС с низкой температурой спекания в зависимости от конечной температуры обжига. Термообработка проводилось в муфельной печи согласно технологическому процессу, но с различными конечными температурами (860, 900, 920 и 960оС), и последующей выдержкой в течение 4 ч. Исследовался состав ЦТС-46, шихта которого содержит следующие оксиды (в скобках указан диапазон вхождения в мол. %): P b 0 (64.05-64.52); Z20 2 (19.11-20.30); T i0 2 (10.92-11.51); SrC 0 3 (1.54-2.22); W 0 3 (0.23-0.62); Bi 2 0 3 (0.72-1.87); C d0 (0.59-1.18); № 2 0 3 (0.08-0.23). Толщина. заготовок составляла 500 мкм. Изучение микроструктуры поверхности и элементного состава осуществлялось методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) на энергодисперсионном спектрометре (ЭДС), на микроскопе JEOL JSM- 6610LV. Для определения топографии образца методом РЭМ использовался режим вторичных электронов (SEI). Для визуализации доменов применялся метод силовой микроскопии пьезоотклика (PFM) на атомно­ силовом микроскопе фирмы «Nr-MDT». При этом на проводящий кремневый кантилевер подавалось переменное напряжение с амплитудой 7 или 10 В с частотой 100 кГц. Исследования микроструктуры пленок, синтезированных при разных температурах обжига, показало принципиальное отличие образца, полученного при температуре спекания 860оС (рис.1). Сосуществование двух подобных структур наблюдалось ранее авторами [1] для пленок PZT на подложке Pt. Согласно [1], при кристаллизации из аморфного состояния структура с большим размером зерен соответствует структуре перовскита, а с меньшим - пирохлора. Необходимо отметить, что в нашем случае все образцы спекались из сегнетоэлектрических кристаллитов уже синтезированного материала и отличие состоит в температуре синтеза. Рис. 1. РЭМ-изображения поверхности образцов ЦТС, спеченных при различных температурах. Масштабная метка 1 0 мкм Исследование элементного состава показало, что возникновение при температуре спекания 860оС островков (суммарной площадью порядка 1/3 от общей площади) более крупных зерен обусловлено локальными неоднородностями по составу. В таблице приведено содержание (в весовых процентах) элементов для разных участков поверхности (рис.2), полученное на ЭДС. Как следует из проведенного элементного анализа, крупные зерна в образцах, синтезированных при 860оС, состоят из оксидных добавок, 403