Пьезосенсорам добавили экологичности

Заменить токсичный свинец в пьезоэлектрических датчиках менее опасными компонентами удалось ученым Южного федерального университета. Благодаря их открытию отечественная промышленность сможет выпускать экологичные сенсоры для работы в экстремальных условиях.

Пьезоэлектрики преобразуют электричество в механическое движение и наоборот. Их применяют в УЗИ-аппаратах и двигателях автомобилей, системах точного позиционирования и глубинного бурения. И практически всегда такие сенсоры содержат свинец. Специалисты ЮФУ нашли способ заменить этот опасный тяжёлый металл соединениями висмута и бария. Их методика позволяет целенаправленно менять свойства пьезокерамики, востребованной в современных высокотехнологичных устройствах. А датчики, сделанные по новой технологии, будут менее вредными для окружающей среды.

Ключом стало сочетание «грубой силы» механического измельчения и тонкой химической добавки, которое позволило «приручить» внутреннюю неоднородность материала и поднять его пьезоэлектрический отклик почти вдвое.

Современная техника немыслима без пьезоэлектриков — материалов, преобразующих электричество в механическое движение и наоборот. От медицинских УЗИ-аппаратов и топливных форсунок в автомобилях до систем точного позиционирования — везде работают керамики на основе свинца (PZT). Однако у этого лидера есть два критических недостатка: токсичность, опасная при производстве и утилизации, и ограниченный температурный диапазон работы. При нагреве выше 350-400°C такие датчики теряют свои свойства. Между тем, спрос на устройства, способные работать в «горячих точках» — будь то авиационные двигатели, энергоблоки или системы глубинного бурения, — только растет.

Одним из перспективных «бессвинцовых» кандидатов на замену PZT считается мультиферроик BiFeO₃ (феррит висмута). Он не только является экологичным, но и обладает высокой температурой Кюри (перехода в параэлектрическое состояние) — свыше 850°C. Проблема в том, что в чистом виде этот материал «капризен»: его довольно сложно получить без примесей, он обладает высокой электропроводностью, что мешает его поляризации, а его пьезоэлектрические свойства сильно уступают свинцовым аналогам. Для решения этих проблем зачастую прибегают к созданию твердых растворов на основе феррита висмута, что позволяет стабилизировать структуру и улучшить электрофизические характеристики. В данном случае вторым компонентом раствора стал сегнетоэлектрик титанат бария BaTiO₃.

Коллектив ученых Научно-исследовательского института Физики ЮФУ и СКБ «Пьезоприбор» ЮФУ под руководством старшего научного сотрудника Никиты Болдырева провел серию экспериментов, чтобы улучшить характеристики этого материала. Исследователи применили комбинированный подход: физико-механический и химический, уточнили в пресс-службе вуза.

«Мы пошли двумя параллельными путями. Во-первых, использовали механическую активацию — высокоэнергетическое измельчение готового порошка в шаровой мельнице перед спеканием. Это делает сырье более однородным и способствует протеканию процессов вторичной рекристаллизации. Во-вторых, вводили сверхстехиометрические добавки — небольшой избыток Bi₂O₃, который компенсирует испарение легкоплавкого висмута при высокотемпературном обжиге, и оксид марганца (Mn₂O₃), который улучшает электрофизические характеристики материала», — пояснил Никита Болдырев.

Результаты рентгеноструктурного анализа преподнесли сюрприз. Оказалось, что в материале произошло неполное растворение компонентов. Вместо этого внутри керамики сформировалась сложная наноструктура — своеобразная «мозаика» из областей, обогащенных то висмутом, то барием, с разной симметрией кристаллической решетки.

Исследование выявило, что модифицированная керамика ведет себя как релаксор — материал с размытым сегнетоэлектрическим переходом, чьи свойства слабо меняются в широком диапазоне температур. Это именно то, что нужно для стабильной работы датчика при нагреве.

Главным практическим результатом стал рост пьезомодуля d₃₃ — ключевой характеристики, показывающей отношение деформации к приложенному в определенном направлении электрическому полю (в случае обратного пьезоэффекта) или индуцированного электрического заряда к механическому напряжению (в случае прямого пьезоэффекта). У образца 0.71BiFeO₃–0.29BaTiO₃ с добавкой Bi₂O₃ после механической активации этот коэффициент достиг 120 пКл/Н. Это почти в два раза выше, чем у аналогичной керамики, полученной по обычной технологии (65 пКл/Н).

«Марганец также улучшил свойства, но его добавление снизило электропроводность не так сильно, как мы надеялись, что помешало получить насыщенные петли сегнетоэлектрического гистерезиса. Таким образом, связка механоактивации и избытка висмута оказалась наиболее эффективной», — добавил Никита Болдырев.

Полученные результаты — важный шаг к созданию нового поколения функциональных материалов. Разработанная методика позволяет целенаправленно влиять на свойства высокотемпературной пьезокерамики, что открывает путь к отечественному производству экологичных материалов для датчиков, работающих в экстремальных условиях.

Исследования выполнены при поддержке Российского научного фонда и Министерства науки и высшего образования РФ. Результаты опубликованы в международных журналах «Ceramics» и в сборнике статей по материаловедению.