mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2021-1-40-47mateltech-434Research ArticleМатериаловедение и технология. ДиэлектрикиMATERIALS SCIENCE AND TECHNOLOGY. DIELECTRICSЗависимость диэлектрических свойств керамики титаната бария и композита на его основе от температуры спеканияDependence of the dielectric properties of barium titanate ceramics and a composite based on it on the sintering temperaturehttps://orcid.org/0000-0001-5885-2511МалышкинаО. В.MalyshkinaO. V.

ул. Желябова, д. 33, Тверь, 170100

Малышкина Ольга Витальевна — доктор физ.-мат. наук, профессор, начальник отдела диссертационных советов и докторантуры управления научных исследований

 

33 Zhelyabova Str., Tver 170100

Olga V. Malyshkina: Dr. Sci. (Phys.-Math.), Full Professor, Head of the Department of Dissertation Councils and Doctorate Studies, Scientific Research Department

Olga.Malyshkina@mail.ruИвановаА. И.IvanovaA. I.

ул. Желябова, д. 33, Тверь, 170100

Иванова Александра Ивановна — канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры прикладной физики

33 Zhelyabova Str., Tver 170100

Alexandra I. Ivanova: Cand. Sci. (Phys.-Math.), Assistant Professor of the Applied Physic Department

alex.ivanova33@yandex.ruШишковГ. С.ShishkovGr. S.

ул. Желябова, д. 33, Тверь, 170100

Шишков Григорий Сергеевич — аспирант

33 Zhelyabova Str., Tver 170100

Gregory S. Shishkov: Postgraduate Student 

grigoriyshishkov@yandex.ruМартьяновА. А.MartyanovA. A.

ул. Желябова, д. 22, Тверь, 170100

Мартьянов Андрей Алексеевич — учащийся

22 Zhelyabova Str., Tver 170100

Andrey A. Martyanov: Learner 

Тверской государственный университетРоссияTver State UniversityRussian FederationМОУ «Многопрофильная гимназия №12»РоссияMultidisciplinary gymnasium 12Russian Federation2021210620212414047Copyright © Малышкина О.В., Иванова А.И., Шишков Г.С., Мартьянов А.А., 20212021Малышкина О.В., Иванова А.И., Шишков Г.С., Мартьянов А.А.Malyshkina O.V., Ivanova A.I., Shishkov G.S., Martyanov A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/434

Проведено сравнение структуры и диэлектрических свойств образцов керамики титаната бария, спеченных при температурах 1100, 1150, 1200, 1250 и 1350 °С, и диэлектрических характеристик образцов композита титанат бария (80 % (об.)) — феррит бария (20 % (об.)), спеченных при температурах 1150, 1200 и 1250 °С. Показано, что поляризацию, достаточную для проявления пьезоэлектрического эффекта, имеют только образцы титаната бария, спеченные при температурах 1250 и 1350 °С. У этих же образцов величина пирокоэффициента и остаточной поляризации значительно превосходят аналогичные значения для образцов, спеченных при более низких температурах. Анализ структуры образцов подтвердил зависимость диэлектрических свойств керамики титаната бария от размера зерен и, как следствие, от температуры спекания. На основании проведенных исследований выбран оптимальный режим спекания образцов композита титанат бария (80 % (об.)) — феррит бария (20 % (об.)) —1250 °С. Дальнейшее повышение температуры до 1300 °С показало наличие у данного композита эвтектики. При этом температурная зависимость диэлектрической проницаемости для образцов композита на основе феррита бария — титаната бария с температурой спекания 1250 °С аналогичны зависимости для образцов керамики BaTiO3, спеченных при 1350 °С. При комнатных температурах у образцов композита диэлектрическая проницаемость также значительно больше, чем у образцов керамики титаната бария, полученных при тех же температурах спекания. Добавление феррита бария в состав титаната бария не только повысило диэлектрическую проницаемость композита, но и привело к размытию сегнетоэлектрического фазового перехода и смещению температуры максимума диэлектрической проницаемости на 10 градусов в сторону высоких температур. 

In this paper, we compare the structure and dielectric properties of the samples of barium titanate ceramics that have been sintered at temperatures of 1100, 1150, 1200, 1250 and 1350 °C and dielectric characteristics of the samples of barium titanate (80 vol.%) — barium ferrite (20 vol.%). It is shown that only samples sintered at the temperature of 1250 and 1350 °C have polarization sufficient for the existence of the piezoelectric effect. For the same samples, the pyroelectric coefficient and reversal polarization significantly exceed those for samples sintered at lower temperatures. Analysis of the samples structure confirmed the dependence of the dielectric properties of the barium titanate ceramics on the grain size and, as a consequence, on the sintering temperature. Based on the studies carried out, the optimal temperature (1250 °С) for obtaining composite samples of barium titanate (80 vol.%) — barium ferrite (20 vol.%) was selected. The temperature dependence of the dielectric constant for the composite samples based on barium ferrite — barium titanate with a sintering temperature of 1250 °C is similar to the dependence for the BaTiO3 ceramic samples sintered at 1350 °C. At room temperatures, the permittivity of the composite samples is also significantly higher than that of the barium titanate ceramic samples obtained at the same sintering temperatures. The addition of barium ferrite to the barium titanate not only increased the permittivity of the composite, but also led to a diffusing of the ferroelectric phase transition and a shift in the temperature of the maximum of the dielectric constant by 10 degrees towards high temperatures.

пьезоэлектрическая керамикатитанат бариямагнитоэлектрический композитдиэлектрическая проницаемостьточка Кюриспонтанная поляризацияпироэлектрический эффектпьезоэлектрический эффектpiezoelectric ceramicsbarium titanatemagnetoelectric compositepermittivityCurie pointspontaneous polarizationpyroelectric effectpiezoelectric effectРабота выполнена на оборудовании ЦКП ТвГУ.The work was performed on the equipment of the Center for Collective Use of the Tver State University.ReferencesБатаев А. А. Композиционные материалы. М.: Логос, 2006. 397 с.Bataev A. A. Kompozitsionnye materialy [Composite materials. Moscow: Logos, 2006, 397 p. (In Russ.)Гращенков Д. В., Чурсова Л. В. Стратегия развития композиционных и функциональных материалов // Авиационные материалы и технологии. 2012. С. 231—242.Graschenkov D. V., Chursova L. V. Development strategics of composite and functional materials. Aviacionnye Materialy and Tehnologii. 2012, pp. 231—242. (In Russ.)Титов С. В., Титов В. В., Шабанов В. М., Алешин В. А., Шилкина Л. А., Резниченко Л. А. Мультифрактальные исследования активных керамических композиционных материалов // Конструкции из композиционных материалов. 2014. №3 (135). С. 46—52.Titov S. V., Titov V. V., Shabanov V. M., Aleshin V. A., Shilkina L. A., Reznichenko L. A. Multifractal studies of active ceramic composite materials. Design of Composite Materials. 2014, no. 3, pp. 46—52. (In Russ.)Ortega N., Kumar A., Scott J. F., Katiyar R. S. Multifunctional magnetoelectric materials for device applications // J. Phys.: Condens. Matter. 2015. V. 27, N 50. P. 504002 (24pp.). DOI: 10.1088/0953-8984/27/50/504002Ortega N., Kumar A., Scott J. F., Katiyar R. S. Multifunctional magnetoelectric materials for device applications. J. Phys.: Condens. Matter, 2015, vol. 27, no. 50, p. 504002 (24pp.). DOI: 10.1088/0953-8984/27/50/504002Петров В. М. Магнитоэлектрические свойства композиционных феррит-пьезоэлектрических материалов: дис. … д-ра техн. наук. В. Новгород, 2004. 186 с.Petrov V. M. Magnetoelectric properties of the ferrite-piezoelectric composite materials. Diss. … Dr. Sci. (Eng.). Velikiy Novgorod, 2004, 186 p. (In Russ.)Сегнетомагнитные вещества / Под ред. Ю. Н. Веневцева, В. Н. Любимова. М.: Наука. 1990. 184 с.Segnetomagnitnye veshchestva [Ferro-magnetic materials]. Eds. Yu. N. Venevtcev, V. N. Lyubimov. Moscow: Nauka, 1990, 184 p. (In Russ.)Kallaev S. N., Omarov Z. M., Bakmaev A. G., Mitarov R. G., Reznichenko L., Bormanis K. Thermal properties of multiferroic Bi1-xEuxFeO3 (х = 0—0.40) ceramics // J. Alloys and Compounds. 2017. V. 695. P. 3044—3047. DOI: 10.1016/j.jallcom.2016.11.347Kallaev S. N., Omarov Z. M., Bakmaev A. G., Mitarov R. G., Reznichenko L., Bormanis K. Thermal properties of multiferroic Bi1-xEuxFeO3 (х = 0—0.40) ceramics. J. Alloys and Compounds, 2017, vol. 695, pp. 3044—3047. DOI: 10.1016/j.jallcom.2016.11.347Kallaev S. N., Omarov Z. M., Mitarov R. G., Sadykov S. A., Khasbulatov S. V., Reznichenko L., Bormanis K., Kundzinish M. Heat capacity and thermal conductivity of multiferroics Bi1-xPrxFeO3 // Integrated Ferroelectrics. 2019. V. 196, N 1. P. 120—126. DOI: 10.1080/10584587.2019.1591973Kallaev S. N., Omarov Z. M., Mitarov R. G., Sadykov S. A., Khasbulatov S. V., Reznichenko L., Bormanis K., Kundzinish M. Heat capacity and thermal conductivity of multiferroics Bi1-xPrxFeO3. Integrated Ferroelectrics, 2019, vol. 196, no. 1, pp. 120—126. DOI: 10.1080/10584587.2019.1591973Karpenkov D. Yu., Bogomolov A. A., Solnyshkin A. V., Karpenkov A. Yu., Shevyakov V. I., Belov A. N. Multilayered ceramic heterostructures of lead zirconate titanate and nickel-zinc ferrite for magnetoelectric sensor elements // Sensors and Actuators A: Physical. 2017. V. 266. P. 242—246. DOI: 10.1016/j.sna.2017.09.011Karpenkov D. Y., Bogomolov A. A., Solnyshkin A. V., Karpenkov A. Y., Shevyakov V. I., Belov A. N. Multilayered ceramic heterostructures of lead zirconate titanate and nickel-zinc ferrite for magnetoelectric sensor elements. Sensors and Actuators A: Physical, 2017, vol. 266. pp. 242—246. DOI: 10.1016/j.sna.2017.09.011Grechishkin R. M., Kaplunov I. A., Ilyashenko S. E., Malyshkina O. V., Mamkina N. O., Lebedev G. A., Zalyotov A. B. Magnetoelectric effect in metglas/piezoelectric macrofiber composites // Ferroelectrics. 2011. V. 424, N 1. P. 78—85. DOI: 10.1080/00150193.2011.623939Grechishkin R. M., Kaplunov I. A., Ilyashenko S. E., Malyshkina O. V., Mamkina N. O., Lebedev G. A., Zalyotov A. B. Magnetoelectric effect in metglas/piezoelectric macrofiber composites. Ferroelectrics, 2011, vol. 424, no. 1, pp. 78—85. DOI: 10.1080/00150193.2011.623939Makarova L. A., Alekhina Yu. A., Perov N. S., Omelyanchik A. S., Rodionova V. V., Malyshkina O. V. Elastically coupled ferromagnetic and ferroelectric microparticles: new multiferroic materials based on polymer, NdFeB and PZT particles // J. Magn. Magn. Mater. 2019. V. 470. P. 89—92. DOI: 10.1016/j.jmmm.2017.11.121Makarova L. A., Alekhina Yu. A., Perov N. S., Omelyanchik A. S., Rodionova V. V., Malyshkina O. V. Elastically coupled ferromagnetic and ferroelectric microparticles: new multiferroic materials based on polymer, NdFeB and PZT particles. J. Magn. Magn. Mater., 2019, vol. 470, pp. 89—92. DOI: 10.1016/j.jmmm.2017.11.121Kleemann W. Multiferroic and magnetoelectric nanocomposites for data processing // J. Phys. D: Appl. Phys. 2017. V. 50, N 22. P. 223001. DOI: 10.1088/1361-6463/aa6c04Kleemann W. Multiferroic and magnetoelectric nanocomposites for data processing. J. Phys. D: Appl. Phys., 2017, vol. 50, no. 22, p. 223001. DOI: 10.1088/1361-6463/aa6c04Magnetic Oxides and Composites. V. 31 / Eds. R. B. Jotania, S. H. Mahmood. Millersville (PA, USA): Materials Research Foundations, 2018. 274 p.Magnetic Oxides and Composites. Vol. 31. Eds. R. B. Jotania, S. H. Mahmood. Millersville (PA, USA): Materials Research Foundations, 2018, 274 p.Malyshkina O. V., Shishkov G. S., Ivanova A. I., Malyshkin Y. A., Alexina Y. A. Multiferroic ceramics based on barium titanate and barium ferrite // Ferroelectrics. 2020. V. 569, N 1. P. 215—221. DOI: 10.1080/00150193.2020.1822679Malyshkina O. V., Shishkov G. S., Ivanova A. I., Malyshkin Y. A., Alexina Y. A. Multiferroic ceramics based on barium titanate and barium ferrite. Ferroelectrics, 2020, vol. 569, no. 1, pp. 215—221. DOI: 10.1080/00150193.2020.1822679Ivanova A. I., Malyshkina O. V., Karpenkov A. Yu, Shishkov G. S. Microstructure of composite materials based on barium titanate and barium ferrite // Ferroelectrics. 2020. V. 569, N 1. P. 209—214. DOI: 10.1080/00150193.2020.1822678Ivanova A. I., Malyshkina O. V., Karpenkov A. Yu., Shishkov G. S. Microstructure of composite materials based on barium titanate and barium ferrite. Ferroelectrics, 2020, vol. 569, no. 1, pp. 209—214. DOI: 10.1080/00150193.2020.1822678Окадзаки К. Технология керамических диэлектриков. М.: Энергия, 1976. 336 c.Okadzaki K. Tekhnologiya keramicheskikh diehlektrikov [Ceramic dielectric technology]. Moscow: Ehnergiya, 1976, 336 p. (In Russ.)Пат. 0002706275 (РФ). Способ получения керамики на основе титаната бария / А. Д. Смирнов, А. А. Холодкова, М. Н. Данчевская, С. Г. Пономарев, А. А. Васин, В. В. Рыбальченко, Ю. Д. Ивакин, 2019.Patent 0002706275 (RF). A method of producing ceramics based on barium titanate. A. D. Smirnov, A. A. Holodkova, M. N. Danchevskaya, S. G. Ponomaev, A. A. Vasin, V. V. Rybalchenko, Yu. D. Ivakin, 2019. (In Russ.)Пат. 2646062 (РФ) Способ изготовления титаната бария (BaTiO3) для многослойных керамических конденсаторов с температурой спекания диэлектрика не более 1130 °С / К. Д. Гасымов, И. К. Ежовский, 2017.Patent 2646062 (RF). A method of manufacturing barium titanate (BaTiO3) for multilayer ceramic capacitors with a dielectric sintering temperature of not more than 1130 °С. K.D. Gasymov, I.K Ezovskij, 2017Sloccari G. Phase equilibrium in the subsystem BaO∙Fe2O3 — BaO∙6Fe2O3 // J. Amer. Ceram. Soc. 1973. V. 56, N 9. P. 489—490. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1973.tb12531.xSloccari G. Phase equilibrium in the subsystem BaO∙Fe2O3 — BaO∙6Fe2O3. J. Amer. Ceram. Soc. 1973, vol. 56, no. 9, pp. 489—490. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1973.tb12531.xГоловин В. А., Каплунов И. А., Малышкина О. В., Педько Б. Б., Мовчикова А. А. Физические основы, методы исследования и практическое применение пьезоматериалов. М.: Техносфера, 2016. 272 с.Golovnin V. A., Kaplunov I. A., Malyshkina O. V., Ped'ko B. B., Movchikova A. A. Fizicheskie osnovy, metody issledovaniya i prakticheskoe primenenie p'ezomaterialov [Physical foundations, research methods and practical application of piezomaterials]. Moscow: Tekhnosfera, 2016. 272 p. (In Russ.)Отраслевой стандарт. Материалы пьезокерамические. ОСТ II 0444-87Industry standard. Piezoceramic materials. OST II 0444-87 (In Russ.)Малышкина О. В., Иванова А. И., Карелина К. С., Петров Р. А. Особенности структуры керамики на основе титаната бария и титаната кальция // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2020. Вып. 12. С. 652—661. DOI: 10.26456/pcascnn/2020.12.652Malyshkina O. V., Ivanova A. I., Karelina K. S., Petrov R. A. Structure features of barium and calcium titanate ceramics. Physical and Chemical Aspects of the Study of Clusters, Nanostructures and Nanomaterials, 2020, vol. 12, pp. 652—661. (In Russ.). DOI: 10.26456/pcascnn/2020.12.652McNeal M. P., Jang S.-J., Newnham R. E. The effect of grain and particle size on the microwave properties of barium titanate BaTiO3 // J. Appl. Phys. 1998. V. 83, N 6. P. 3288—3297. DOI: 10.1063/1.367097McNeal M. P., Jang S.-J., Newnham R. E. The effect of grain and particle size on the microwave properties of barium titanate BaTiO3. J. Appl. Phys., 1998, vol. 83, no 6, pp. 3288—3297. DOI: 10.1063/1.367097

The authors declare that there are no conflicts of interest present.