Зависимость диэлектрических свойств керамики титаната бария и композита на его основе от температуры спекания

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. 

1. Батаев А. А. Композиционные материалы. М.: Логос, 2006. 397 с.

2. Гращенков Д. В., Чурсова Л. В. Стратегия развития композиционных и функциональных материалов // Авиационные материалы и технологии. 2012. С. 231—242.

3. 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.

4. 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: 10.1088/0953-8984/27/50/504002

5. Петров В. М. Магнитоэлектрические свойства композиционных феррит-пьезоэлектрических материалов: дис. … д-ра техн. наук. В. Новгород, 2004. 186 с.

6. Сегнетомагнитные вещества / Под ред. Ю. Н. Веневцева, В. Н. Любимова. М.: Наука. 1990. 184 с.

7. 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.2016.11.347

8. Kallaev 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: 10.1080/10584587.2019.1591973

9. Karpenkov 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.2017.09.011

10. Grechishkin 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: 10.1080/00150193.2011.623939

11. Makarova 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.2017.11.121

12. Kleemann 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/aa6c04

13. Magnetic Oxides and Composites. V. 31 / Eds. R. B. Jotania, S. H. Mahmood. Millersville (PA, USA): Materials Research Foundations, 2018. 274 p.

14. 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: 10.1080/00150193.2020.1822679

15. Ivanova 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: 10.1080/00150193.2020.1822678

16. Окадзаки К. Технология керамических диэлектриков. М.: Энергия, 1976. 336 c.

17. 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.

18. 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.

19. Sloccari 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.x

20. Головин 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.

21. Отраслевой стандарт. Материалы пьезокерамические. ОСТ II 0444-87

22. 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/2020.12.652

23. McNeal 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: 10.1063/1.367097