УМК – пьезокерамика - Южный федеральный университет

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Химический факультет
Рассмотрено и рекомендовано
на заседании кафедры общей и
неорганической химии ЮФУ
Протокол № 11
от 21 сентября 2010 г.
Зав.кафедрой _________________
Утверждаю
Декан факультета
____________________
____________________
“____”_____________2010 г.
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
Учебной дисциплины «Пьезокерамические материалы»
вузовского компонента цикла СД
по специальности 200106
Составитель:
доцент Свирская С.Н.
Ростов–на–Дону
2010 г.
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Химический факультет
УТВЕРЖДАЮ
_______________________
«______» ________________20___ г.
Рабочая программа дисциплины
Учебной дисциплины
«Пьезокерамические материалы»
вузовского компонента цикла СД
по специальности 200106
Составитель:
доцент Свирская С.Н.
Ростов–на–Дону
2010 г.
Факультет высоких технологий
Курс 4
Семестр 8
Общий бюджет времени 90 часов
Контроль знаний -
зачет.
Программа обсуждена на заседании кафедры
Протокол № 11 от 21 сентября
2010 г.
Зав. кафедрой, профессор ______________( )
1. Цели и задачи учебной дисциплины
Пьезокерамическое материаловедение – наука, изучающая взаимосвязь
состава, строения и свойства материалов для наиболее эффективного
использования в технике.
Научно-технический прогресс тесно связан с разработкой и применением
новых материалов. Не случайно даже историческая хронология строится по
названиям материалов – каменный век, медный век, бронзовый век, железная
эра. По мере накопления знаний и умений людей появлялись все новые
материалы.
Нынешнее
время
трудно
охарактеризовать
каким-либо
материалом. Его называют веком полупроводников, веком полимеров, веком
сверхпроводников, и т.д. Даже понятие «век компьютерных технологий»
неотделимо
от
материалов,
поскольку
только
прогресс
в
области
материаловедения позволил создать и компьютеры, и линии их связи.
Количество разработанных к настоящему времени материалов настолько
велико, что перечисление только свойств и характеристик сплавов на основе
железа – сталей занимает несколько томов.
Между тем, все материаловедение базируется на понимании взаимодействия
атомов и молекул и на понимании того, как внешние условия влияют на это
взаимодействие. Иначе говоря, в основе материаловедения лежат знание
физики и химии, и применение знаний, полученных при изучении этих
предметов, для анализа разнообразных технических процессов позволяет
правильно выбрать материал наиболее подходящий для каждого конкретного
случая.
Цели дисциплины
Целью преподавания дисциплины является формирование знаний в области
свойств
пьезокерамических
материалов,
различного рода приборов и датчиков
используемых
при
создании
с учетом особенностей их
функционирования и условий эксплуатации.
Основные задачи дисциплины.
Раскрыть физическую сущность явлений, происходящих в пьезоматериалах
при воздействии на них различных факторов в условиях производства и
эксплуатации, показать влияние технологических факторов на свойства
материалов.
Установить
зависимость между составом,
свойствами пьезокерамических материалов.
строением
и
Изучить основные группы
современных пьезокерамических материалов, их свойства и области
применения.
В ходе изучения курса студенты приобретут знания в области
физических явлений, происходящих в материалах в условиях их получения и
производства, а также изучат взаимосвязь структуры материалов и свойств.
Студенты, изучившие курс приобретут:
- умение оценить поведение пьезоматериалов, причины отказа работы при
воздействии на них различных эксплуатационных факторов;
- умение анализировать условия эксплуатации и правильный выбор
пьезокерамических материалов;
- изучат перспективы развития пьезокерамического материаловедения
науки.
Место дисциплины в учебном процессе
Курс “Пьезокерамического материаловедения” является одним из
основных в цикле дисциплин, изучаемых студентами, поэтому тесно
взаимосвязан с остальными курсами и спецкурсами для подготовки
квалифицированных специалистов
Требования к уровню освоения содержания дисциплины.
Знать:
-классификацию пьезокерамических материалов;
-основные физико-химические свойства материалов, используемых в
технике;
-физические
эффекты
и
явления,
лежащие
в
основе
применения
пьезокерамических материалов в технике.
Уметь:
-осуществлять выбор материалов
с учетом конструкции, технологии их
создания и условий эксплуатации;
-осуществлять сравнение характеристик пьезокерамических материалов и
определять область их рационального применения.
Иметь навыки:
-анализа физико-химических свойств пьезокерамических
материалов,
используемых в технике;
-применения различных пьезокерамических и композиционных материалов.
2.Распределение объема часов дисциплины по формам и видам
обучения.
Виды обучения
Распределение
объема
часов
по
формам
обучения
дневная
вечерняя
Лекционные занятия
34
-
Лабораторные занятия
17
-
Самостоятельная
49
-
Зач.
-
работа
Форма контроля
3. Учебно-тематический план дисциплины
«Пьезокерамическое материаловедение» на 2010-2011 уч.г.
3.1 Лекционные занятия.
№ тем
Наименование тем и содержание разделов лекционного
Объем
лекций
курса
в
часах
3.1
Твердофазные материалы, их классификация.
Материалы с электрическими функциями
(полупроводники, диэлектрики, пьезо- и сегнетоэлектрики,
электролиты, сверхпроводники). Материалы с
оптическими функциями (оптически прозрачные,
люминесцентные, электрохромные или
светочвуствительные).
Материалы с магнитными функциями (магнитомягкие,
магнитожесткие и аморфные магнитные).
1
Конструкционные материалы (термостойкие,
механостойкие, износостойкие).
Материалы с биологическими функциями (устойчивые в
физиологических средах).
3.2
Общие сведения о диэлектриках.
Поляризация диэлектриков. Пироэлектрики.
1
Домены,
доменная структура. Спонтанная поляризация. Гистерезис
зависимости поляризации от напряженности
электрического поля.
3.3
Систематизация сегнетоэлектриков.
2
Фазовый переход типа «смещение». Фазовый переход типа
«порядок-беспорядок». Поведение спонтанной
поляризации и диэлектрической проницаемости вблизи
точки фазового перехода.
3.4
Пьезоэлектрическая керамика.
1
Поляризация пьезоэлектрической керамики. Остаточная
пьезокерамики. Основные характеристики пьезокерамики.
Прямой и обратные пьезоэффекты.
Титанат бария.
3.5
2
Элементарная ячейка перовскитной решетки. Фазовые
переходы в титанате бария. Области применения
пьезокерамики на основе титаната бария. Легирование
титаната бария.
Титанат свинца.
3.6
1
Кристаллическая решетка титаната свинца. Свойства
керамики на основе титаната свинца. Легирование
титаната свинца.
3.6
Пьезокерамические материалы на основе твердых
растворов титаната –цирконата свинца (ЦТС).
4
Морфотропный переход, морфотропная область.
Зависимость пьезоэлектрических свойств керамики
системы ЦТС от величины соотношения Zr/Ti в твёрдом
растворе. Изовалентное и гетеровалентное
модифицирование твердых растворов системы ЦТС.
Сегнетомягкие и сегнетожесткие модификаторы. Влияние
пористости и размера зерен на свойства пьезокерамики.
Проблемы, вызванные потерями оксида свинца. Способы
получения беспористой керамики. Горячее прессование.
3.7
Метаниобат свинца.
1
Структура метаниобата свинца. Особенности технологии
получения керамики на основе метаниобата свинца.
Легирование пьезокерамики на основе метаниобата
свинца.
3.8
Керамика на основе ниобатов щелочных металлов.
1
Ниобат калия КNbO3. Фазовые переходы в ниобате калия.
Ниобат
натрия.
Твердые
растворы
КNbO3-
NaNO3.
Основные свойства пьезокерамики на основе твердых
растворов КNbO3- NaNO3.
3.9
Титанат
висмута
Кристаллическая
и
керамика
решетка
на
титаната
его
основе. 1
висмута.
Фазы
Ауривиллиуса.
3.10
Требования,
предъявляемые
к
порошковым 2
материалам для получения пьезокерамики.
Химические свойства порошков. химический состав,
газонасыщенность,
пирофорность,
токсичность,
взрывоопасность.
Физические свойства: форма частиц, размер,
гранулометрический состав, удельная поверхность,
плотность, микротвердость.
Технологические
плотность
свойства.
утряски,
Насыпная
текучесть,
плотность
и
уплотняемость,
прессуемость, формуемость.
3.11
Технологические
приемы
Механическое измельчение.
получения
порошков. 2
Измельчение в шаровых
вращающихся, вибрационных и планетарных мельницах.
Физико-химические методы измельчения материалов:
Диспергирование растворов (распылительная сушка).
Соосаждение.
разложением.
Метод
упаривания
Криохимический
с
термическим
метод.
Замена
растворителя. Золь-гель метод.
Способы активирование исходных порошков.
3.12
Синтез фаз заданного состава.
2
Общие сведения о твердофазных реакциях, факторы
управления твердофазными реакциями. Диффузионно
контролируемые процессы. Уравнения Яндера и АнтиЯндера. Уравнения Гинстлинга-Броунштейна и АнтиГинстлинга-Броунштейна. Уравнение Ерофеева-Авраами.
Твердофазный (керамический) синтез. Синтез под
расплавом солей. Метод самора спространяющегося
высокотемпературного синтеза – СВС.
3.13
Технология получения заготовок на основе
порошковых пьезокерамических материалов.
Формование заготовок пьезокерамических изделий:
полусухое прессование, изостатическое и горячее
прессование. Литье под давлением и шликерное литье.
Литейный шликер. Текучесть, седиментационная
устойчивость и загустеваемость шликера.
Термопластичный шликер.
2
3.14
Спекание и дополнительные виды термообработки 3
изделий
из
пьезокерамических
материалов:
диффузионная теория Б.Я. Пинесса, модель Френкеля.
Поверхностная
диффузия,
испарение-конденсация.
Спекание в присутствии жидкой фазы. Припекание
разноименных твердых частиц. Припекание взаимно
нерастворимых и взаимно растворимых твердых тел.
Параболический зауон роста зерен. Аномальный рост
зерен
(вторичная
изолированных
рекристаллизация).
пор
и
изменение
Образование
их
размеров.
ускоряющие
спекание:
Коалесценция пор.
Технологические
факторы,
тепловое активирование, химическое активирование.
Добавки,
образующие
жидкую
фазу,
добавки,
не
образующие жидкую фазу.
3.15
Композиционные пьезоматериалы.
2
Свойства композиционных материалов и их преимущества
по сравнению с обычной пьезокерамикой.
Принципы
пьезоматериалов.
неаддитивности
конструирования
Принципы
свойств.
Новые
композиционных
аддитивности
свойства.
и
Понятия
перколяции, симметрии и связности.
Свойства пьезокомпозитов различной связности.
Смесевые композиты типа 0-3.
Стержневые композиты типа 1-3.
Слоистые композиты типов 2-2 и 2-3.
Пористые композиты 3-0 и 3-3.
Принципы
конструирования
композиционных
пъезоматериалов
3.16
Технология формирования пористых каркасов.
1
Способы получения пористых керамических каркасов:
сублимация, реакционное вспенивание.
Формирование
пористого
каркаса
путем
выжигания
порообразователя. Необходимые условия формирования
качественной пористой пьезокерамики. Требования к
порообразователям.
Теоретическая модель пористой пьезокерамики.
3.17
Механическая
обработка
пьезокерамических 1
материалов.
Способы механической обработки пьзокерамики: резание,
шлифование,
ультразвуковая
обработка.
Шлифование
плоское, круглое, торцевое, внутреннее. Абразивный
инструмент.
3.18
Технология металлизации пьезокерамики.
Целевое
назначение
Металлизация
методом
металлических
вжигания
1
покрытий.
серебросодержащей
пасты. Пайка керамики и металла. Нанесение покрытий
методами напыления и химического восстановления.
Растворы для химического никелирования.
3.19
Поляризация пьезоэлементов.
Пути
борьбы
с
1
отрицательными
последствиями
проводимости. Основные стадии процесса поляризации.
Методы поляризации сегнетожесткой и сегнетомягкой
керамики.
Поляризация
в
жидких
диэлектриках.
Импульсная поляризация.
3.20
Общие
сведения
наноматериалах.
о
пьезоэлектрических 2
3.2 Лабораторные работы
Лабораторные работы направлены на формирование у студента умений и
навыков постановки эксперимента по получению и исследованию свойств
пьезокерамических
материалов,
а
также
изготовление
на
основе
пьезокерамических материалов – пьезоэлементов, использующихся в
различного рода датчиках.
№
№№
работы
лекций
Название работ
Объем
в
часах
1
Синтез материала натрий висмут титаната
4
под
расплавом солей.
2
Изготовление элементов из пористой
5
пьезокерамики.
3
Изучение зависимость основных свойств
4
пористой пьезокерамики (диэлектрической
проницаемости, чувствительности к
звуковому давлению, продольного
пьезомодуля) от величины пористости.
4
Определение температурной зависимости
спонтанной поляризации и температуры
фазового перехода.
3.3 Самостоятельная работа
4
Самостоятельная работа студентов включает подготовку студентов к
лабораторным работам, оформление отчетов по лабораторным работам,
подготовку к коллоквиумам. Для осуществления самоконтроля и подготовки
к коллоквиумам разработан перечень контрольных вопросов.
Зачет студенты получают по результатам сдачи двух коллоквиумов и
успешном выполнении лабораторной работы с предоставлением отчета.
4. Вопросы для самоконтроля и подготовки к коллоквиумам.
Охарактеризуйте линейные и нелинейные диэлектрики. Каковы
1.
основные
характеристики
диэлектрика,
которые
позволяют
отнести его к классу сегнетоэлектриков.
2. Механизм поляризации диэлектриков. Пироэлектрики.
3. В чем различие между пироэлектриками и сегнетоэлектриками.
Приведите схематическое изображение сегнетоэлектрической петли
гистерезиса.
4. Что такое домены, доменная структура. Причина разбиение кристалла на
домены. Что такое спонтанная поляризация, остаточная поляризация.
Укажите
5.
характер
изменения
диэлектрической
проницаемости
сегнетоэлектриков с ростом температуры. Какие явления наблюдаются в
сегнетоэлектриках при переходе через точку Кюри.
6. Дайте определение прямому и обратному пьезоэлектрическому эффекту.
7. Приведите примеры классификации сегнетоэлектриков. Охарактеризуйте
фазовый переход типа «смещение», типа «порядок-беспорядок».
8.
В
чем
состоит
отличие
пьезоэлектрических
монокристаллов
от
пьезокерамики.
9. Назовите основные классы пьезокерамических материалов, имеющих
достаточно широкое применение в настоящее время.
10.
Как
можно
осуществить
поляризацию
пьезокерамики.
Какие
пьезокерамические материалы называют сегнетожесткими, сегнетомягкими.
В чем состоит основное различие в методах поляризации сегнетожестких и
сегнетомягких материалов.
11. Дайте определение твердых растворов. Какие типы твердых растворов вы
знаете.
12.
С
какой
целью
осуществляют
легирование
пьезокерамических
материалов. Какие типы легирования используются при разработке новых
пьезокерамических материалов.
13. Укажите различие между изовалентным и гетеровалентным легирование.
Какой тип легирования существенно влияет на проводимость пьезокерамики
и почему.
14. Охарактеризуйте систему ЦТС. Какова средняя температура Кюри этих
материалов.
15. Каковы технологические особенности получения материалов системы
ЦТС.
Какие
технологические
приемы
известны,
предупреждающие
нарушение стехиометрии при изготовлении материалов системы ЦТС.
16. Какую структуру имеет титанат бария при стандартных условиях.
Сколько фазовых переходов известно для титаната бария.
17. Укажите основные достоинства и недостатки материалов
титаната бария. Области применения пьезокерамики
на основе
на основе титаната
бария.
18. Охарактеризуйте структуру метаниобата свинца. Укажите особенности
технологии получения керамики на основе метаниобата свинца.
19. Охарактеризуйте материалы на основе ниобата калия и натрия. Укажите
рабочий
температурный диапазон материалов на основе твердых
растворов ниобатов калия-натрия.
20.
Опишите
кристаллическую
решетку
титаната
висмута.
Фазы
Ауривиллиуса.
21. Как влияет пористость и размер зерна на свойства пьезокерамики.
22. Каковы основные требования, предъявляемые к порошковым материалам,
использующимся для получения пьезокерамических материалов.
23. Перечислите химические, физические и технологические свойства
порошковых материалов.
24. Укажите приемы активирования порошковых материалов.
25. Перечислите способы формовки заготовок пьезокерамических изделий.
26. Какие способы прессования известны.
27. Что представляет литейный шликер. Укажите основные технологические
свойства литейных шликеров.
28. Укажите физико-химические приемы получения мелкодисперсных
порошков.
29.
Охарактеризуйте
получения
порошковых
материалов
методом
распылительной сушки.
30. Охарактеризуйте получение порошковых материалов криохимическим
методом.
31. Охарактеризуйте основные методы получения порошковых материалов из
растворов.
32. Охарактеризуйте твердофазный (керамический синтез)
33. Охарактеризуйте синтез под расплавом солей.
34.
Каковы
отличительные
особенности
самораспространяющегося
высокотемпературного синтеза (СВС).
35. Какие механизмы задействованы при твердофазном спекании.
36. Охарактеризуйте спекание пьезокерамических изделий в присутствии
жидкой фазы.
37. Перечислите и охарактеризуйте основные промышленные способы
металлизации пьезокерамических элементов.
38. Укажите технологические факторы, ускоряющие спекание.
39. Диффузионная теория спекания Б.Я. Пинесса, модель Френкеля.
40. Какие материалы называются композиционными, какими
преимуществами они обладают по сравнению с обычными керамическими
материалами.
41. Охарактеризуйте смесевые композиты.
42. Назовите области применения композитов
типа 1-3.
43. Пористые композиты 3-0 и 3-3. Требования к порообразователям.
44. Укажите зависимость основных характеристик пористой пьезокерамики
(диэлектрической проницаемости, объемного пьезомодуля, чувствительности
к звуковому давлению) от величины пористости.
45. Укажите основные способы получения пористой пьезокерамики.
ГЛОССАРИЙ
Аддитивность (от лат. additivus - прибавляемый) (матем.), свойство величин,
состоящее в том, что значение величины, соответствующее целому объекту,
равно сумме значений величин, соответствующих его частям при любом
разбиении объекта на части.
Диэлектрическая
проницаемость
величина,
характеризующая
диэлектрические свойства среды — её реакцию на электрическое поле.
Диэлектрики:
-практически не проводят электрический ток;
- способны поляризоваться в электрическом поле;
- подразделяются на пьезоэлектрики, сегнетоэлектрики, электреты и др.
Домены сегнетоэлектрические - области однородной спонтанной
(самопроизвольной) поляризации в сегнетоэлектриках…
Композиционные материалы
представляют собой металлические и
неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них
упрочнителей (волокон, дисперсных частиц и др.); при этом эффективно
используются индивидуальные свойства составляющих композиции.
Легирование –введение в состав материала легирующих элементов для
придания материалу определенных физических, химических или
механических свойств.
Пироэлектрики (от греч. pýr — огонь), кристаллические диэлектрики,
обладающие
спонтанной
(самопроизвольной)
поляризацией,
то
есть
поляризацией в отсутствии внешних воздействий. Обычно спонтанная
поляризация пироэлектриков не заметна, так как электрическое поле,
создаваемое ею, компенсируется полем свободных электрических зарядов,
которые «натекают» на поверхность пироэлектрика
из его объёма и из
окружающего воздуха. При изменении температуры величина спонтанной
поляризации изменяется, что вызывает появление электрического поля,
которое можно наблюдать, пока свободные заряды не успеют его
скомпенсировать. Это явление называется пироэлектрическим эффектом
(пироэлектричеством).
Поляризация диэлектрика - смещение положительных и отрицательных
связанных зарядов в макрообъеме диэлектрика в противоположные стороны,
что приводит к появлению поверхностных связанных зарядов…
Пьезоэле́ктрики — диэлектрики в которых наблюдается пьезоэффект , то
есть те, которые могут либо под действием деформации
индуцировать
электрический заряд на своей поверхности (прямой пьезоэффект), либо под
влиянием внешнего электрического поля деформироваться (обратный
пьезоэффект).
Пьезомодуль - коэффициент пропорциональности между электрическими
величинами (напряжённость электрического поля Е, поляризация P) и
механическими величинами (механические напряжения s, относительные
деформации u).
Сегнетоэлектрики — твердые диэлектрики, имеющие в определенном
интервале температур собственный электрический
дипольный момент,
который может быть изменен за счет приложения внешнего электрического
поля.
Твердые растворы – твердые фазы переменного состава, в которых атомы
различных элементов смешаны в известных пределах или неограниченно в
общей кристаллической решетке.
Фазовый переход
- переход вещества из одной фазы в другую при
изменении внешних условий – температуры, давления, магнитного и
электрического полей и т. д.
Литература
1. Яффе Б., Кук У., Яффе Г. Пьезоэлектрическая керамика, М.: Мир, 1976.
2. Нестеров А. А. Автореферат на соискание ученой степени доктора
технических наук, Новочеркасск, 1998. 32 с.
3. Третьяков Ю.Д., Лепис Х. Химия и технология твердофазных
материалов. М.: Изд-во МГУ, 1985.
4. Гриднев С.А. Электрические кристаллы // Соросовский
Образовательный Журнал. 1996. № 7. C. 99-104.
5. Смажевская Е. Г. Фельдман Н.Б. Пьезоэлектрическая керамика. М.:
Сов. Радио, 1971.
Дополнительная литература
1.Лайнс М., Гласс А. Сегнетоэлектрики и родственные им материалы. М.:
Мир, 1981.
2. Барфут Дж., Тейлор Дж. Полярные диэлектрики и их применения. М.:
Мир, 1981.
3. Губкин А.Н. Электреты. М.: Наука, 1978.
4. Электреты / Под ред. Г. Сесслера. М.: Мир, 1983.
5. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники. М.: Высш.
шк., 1986.
6. Смоленский Г.А., Исупов В.А., Юшин Н.К. Электрострикторная
сегнетокерамика и ее применения // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1987. Т. 51, Ъ
10. С. 1742-1747.
7. Гриднев С.А. Электрические кристаллы // Соросовский Образовательный
Журнал. 1996. т 7. C. 99-104.