Электромеханический гистерезис, обратный пьезоэффект и реверсивная нелинейность сегнетокерамик различной степени сегнетожесткости

Рисунок 11. Зависимости реверсивной диэлектрической проницаемости ε₃₃^Т/ε₀ поляризованных образцов твердых растворов системы ЦТС от напряженности электрического поля (на кривых указаны значения х и симметрия твердого раствора).
Как видно из рис. 11, в системе ЦТС выделяются три специфические области изменений реверсивной диэлектрической проницаемости. Первая простирается от x = 0,37 до x = 0,465 и характеризуется симметричными петлями-”бабочками”. Второй, локализующейся в пределах 0,465 ≤ x ≤ 0,500, свойственны асимметричные петли с большими значениями (ε₃₃^Т/ε₀)_max и экстремальная зависимость этого значения от концентрации компонентов. При этом экстремум зависимостей (ε₃₃^Т/ε₀)_max = f(x) ”приходится” на центр МО (x =0,48). Третья область располагается в интервале 0,50 < x ≤ 0,57. Здесь максимум (ε₃₃^Т/ε₀)_max по мере ”приближения” к PbTiO₃ размывается, а зависимость (ε₃₃^Т/ε₀) = f(E) приобретает практически линейный безгистерезисный вид.

На рис. 12 приведены реверсивные характеристики составов ТР системы PMN-PT с указанием концентрации PbTiO₃ в системе (х) и симметрии. В системе выделены три типа кривых ε₃₃^Т/ε₀(Е): колоколообразные, практически безгистерезисные с разной степенью "размытия" указанных зависимостей (0 ≤ х ≤ 0,10); в виде петель-"бабочек" (0,10 ≤ х ≤ 0,34, х = 0,43, х = 0,44); практически линейные, безгистерезисные 0,34 ≤ х ≤ 0,42, 0,44 ≤ х ≤ 0,49).

Наблюдаемые эффекты объяснены с позиций компромисса зачастую одновременно протекающих процессов, формирующих реверсивную (диэлектрическую) нелинейность: доменно-ориентационных, эффектов доменного "зажатия-освобождения", фазовых превращений, кристаллохимических особенностей компонентов, дефектной ситуации и пр.

На рис. 13, 14 показаны фотографии наиболее характерных петель диэлектрического гистерезиса ТР изученных бинарных систем из различных фазовых областей, а на рис. 15-16 представлены зависимости поляризационных характеристик этих ТР. Так же, как отмечалось ранее при исследовании электромеханического гистерезиса, все характеристики макроскопического состояния объектов коррелируют с фазовой картиной систем.

Рисунок 13. Фотографии наиболее характерных петель диэлектрического гистерезиса ТР системы ЦТС из различных фазовых областей с указанием симметрии.

Рисунок 14. Фотографии наиболее характерных петель диэлектрического гистерезиса ТР системы ЦТС из различных фазовых областей с указанием симметрии.

Локализация фаз, фазовых состояний, морфотропных областей, областей сосуществования фазовых состояний в данных системах дана выше.

Подобные исследования были проведены и для образцов ТР системы 0.98(xPbTiO₃ - yPbZrO₃– zPbNb_2/3Mg_1/3O₃) – 0.02PbGeO₃.
Основные результаты и выводы.

1. 
   Получены в виде керамик следующие объекты:
   

• 
  пористая пьезокерамика и композиты на ее основе;
  

• 
  бинарная система (1-x)PbZrO₃-xPbTiO₃ (ЦТС, PZT) (0.37 ≤ x ≤ 0.57);
  

• 
  бинарная система (1-x)PbMg_1/3Nb_2/3O₃-xPbTiO₃ (PMN-PT)(0≤ x ≤ 1.0);
  
• 
  четырехкомпонентная система 0.98(xPbTiO₃ - yPbZrO₃ –
  

zPbNb_2/3Mg_1/3O₃) – 0.02PbGeO₃.

Исследованы их структура и электрофизические свойства.

2. 
   Установлены закономерности изменения физических свойств всех объектов в широком интервале концентраций компонентов и напряженностей электрического поля.
   
3. 
   Показано, что в классических сегнетоэлектриках типа ЦТС и сегнетоэлектриках-релаксорах зависимости обратного пьезомодуля d₃₃ от напряженности электрического поля в областях, соответственно, 0  Е  6 кВ/см и 0  Е  3 кВ/см линейны и описываются законом Рэлея.
   
4. 
   Немонотонное поведение d₃₃ в сильных полях может быть интерпретировано в рамках модели Прейзаха. При этом надо учитывать тот факт, что доменные переориентации сопровождаются и фазовыми превращениями.
   
5. 
   Установлено, что для сегнетомягких (СМ) и средней сегнетожесткости (ССЖ) керамик характерно совпадение интервалов Е, в которых происходит активное движение фазовых и доменных границ, сопровождающееся, с одной стороны, образованием новых фаз, фазовых состояний и структурными превращениями, а с другой – переключениями доменов. В сегнетожестких (СЖ) материалах эти процессы разделены: в области средних полей (6-8) кВ/см наблюдается перестройка кристаллической структуры и лишь в полях ~ (11-15) кВ/см вступают в силу механизмы доменных переориентаций.
   
6. 
   Определены значения Е, при которых происходят доменные переориентации:
   

в СМ керамиках – (3-5) кВ/см,

в ССЖ материалах – (5-7) кВ/см,

в СЖ системах – (11-15) кВ/см.

7. 
   Выявлен факт "смягчения" СЖ материала ПКР-78 по мере разрыхления керамического каркаса порами. При этом при пористости ~ 20% ход d₃₃(Е) напоминает аналогичный в ССЖ материалах, а при 30%-ной пористости – в СМ керамиках. Смягчение материалов при увеличении пористости происходит и в группе СМ систем. Наблюдаемые эффекты объясняются облегчением доменных переориентаций при микроразрывах сплошности керамик (размер пор – единицы мкм).
   
8. 
   В композите ПКР-1/α-Al₂O₃ при возрастании количества α-Al₂O₃ – монокристаллов в порах от 10 до 60% материал переходит из группы СМ керамик с подвижной доменной структурой в группу СЖ материалов, в которых домены жестко закреплены и их переориентации практически отсутствуют. Это является следствием цементирующего влияния α-Al₂O₃.
   
9. 
   В системах ЦТС, PMN-PT и четырехкомпонентной ЦТС-PMN-PbGeO₃ изрезанность зависимостей деформационных характеристик ТР (обратного пьезомодуля d₃₃, остаточной деформации) при изменении содержания PbTiO₃ связана со сложной последовательностью фаз и фазовых состояний, а абсолютные экстремумы этих величин соответствуют ТР из области ромбоэдрическо-тетрагонального перехода.
   
10. 
    Гигантская электрострикция наблюдается не только в сегнетоэлектриках-релаксорах типа PMN-PT, но и в мягких СЭ керамиках типа ПКР.
    
11. 
    Выделены три специфические области изменений реверсивной диэлектрической проницаемости в системе (1-x)PbZrO₃-xPbTiO₃. Первая простирается от х = 0,37 до х = 0,465 и характеризуется симметричными петлями-"бабочками" со значениями (ε₃₃^Т/ε₀)_max = 450-600, практически не зависящими от х. Второй, локализованной в пределах 0,465 ≤ х ≤ 0,5, свойственны асимметричные петли с большими значениями (ε₃₃^Т/ε₀)_max в режиме увеличения положительных значений Е и экстремальная зависимость этого пикового значения от концентрации компонентов. При этом наибольшее значение (ε₃₃^Т/ε₀)_max отвечает области положительных Е, а экстремум зависимостей (ε₃₃^Т/ε₀)_max от (х) "приходится" на центр МО (х = 0,48). Третья область располагается в интервале 0,50 ≤ х ≤ 0,57. Здесь максимум (ε₃₃^Т/ε₀)_max формируется только в области положительных значений Е и по мере "приближения" к PbTiO₃ он размывается, а зависимость (ε₃₃^Т/ε₀)_max от (Е) приобретает практически безгистерезисный линейный вид.
    
12. 
    В системе (1-x)PbMg_1/3Nb_2/3O₃-xPbTiO₃ выделены три типа кривых ε₃₃^Т/ε₀(Е): колоколообразные, практически безгистерезисные с разной степенью "размытия" указанных зависимостей (0 ≤ х ≤ 0,10); в виде петель-"бабочек" (0,10 ≤ х ≤ 0,34, х = 0,43, х = 0,44); практически линейные, безгистерезисные 0,34 ≤ х ≤ 0,42, 0,44 ≤ х ≤ 0,49).
    
13. 
    Интерпретация описанных в п.п. 11-12 эффектов дана с позиций компромисса зачастую одновременно протекающих процессов, формирующих реверсивную (диэлектрическую) нелинейность: доменно-ориентационных, доменного "зажатия-освобождения", фазовых превращений, кристаллохимических особенностей системообразующих компонентов, дефектной ситуации и пр.
    
14. 
    Показано, что макроскопические свойства (деформационные, поляризационные и пр.) коррелируют не только с элементами глобальной фазовой структуры объектов, но и с состояниями внутри изосимметрийных полей, связанными с реальной (дефектной) структурой твердых растворов.
    

Цитированная литература

1. 
   Смоленский, Г.А. Физика сегнетоэлектрических явлений / Г.А. Смоленский, В.А. Боков, В.А. Исупов Н.Н. Крайник, Р.Е. Пасынков, А.И. Соколов, Н.К. Юшин.// Изд-во «Наука», Ленинград.   1985. – 396 c.
   
2. 
   Турик, А.В. К теории поляризации и гистерезиса сегнетоэлектриков / А.В. Турик // ФТТ. - 1963. - Т. 5. № 4. - С. 1213–1215.
   
3. 
   Турик, А.В. Статистический метод исследования процессов переполяризации керамических сегнетоэлектриков / А.В. Турик // ФТТ. - 1963. - Т. 5. № 9. - С.2406–2408.
   
4. 
   Турик, А.В. Экспериментальное исследование статистического распределения доменов в сегнетокерамике / А.В. Турик // ФТТ. - 1963. - Т. 5. № 10. - С. 2922-2925.
   
5. 
   Robert, G. Preisach modeling of piezoelectric nonlinearity in ferroelectric ceramics / G. Robert, D. Damjanovic, N. Setter, A.V. Turik // J. Appl. Phys. - 2001. - V. 89. № 9. - P. 5067-5074.
   
6. 
   Rybjanets, А. New microstructural design concept for polycrystalline composite materials / А. Rybjanets, A. Nasedkin, A. Turik. // Integrated Ferroelectrics. - 2004. -V. 63. -P. 179-182.
   
7. 
   Rybjanets, А. / Lead titanate and lead metaniobate porous ferroelectric ceramics / A. Rybjanets, O. Rasumovskaja, L. Reznitchenko, V. Komarov, A. Turik. // Integrated Ferroelectrics. - 2004. - V. 63. - P. 197-200.
   
8. 
   Noheda, B. A Monoclinic ferroelectric phase in the Pb(Zr_1-xTi_x)O₃ solid solution / B. Noheda, D.E. Cox, G.Shirane, J.A. Gonzalo, L.E. Cross, and S-E. Park // Appl. Phys. Lett. - 1999. - V. 74, № 14. - P. 2059-2061.
   
9. 
   De Vries R.C., Burke J.E. // J.Amer. Ceram. Soc. - 1957. - V. 40. №. - P. 200-210.
   
10. 
    Турик, А.В. Реверсивные свойства сегнетокерамик типа BaTiO₃ на СВЧ / А.В. Турик, Е.Н. Сидоренко, В.Ф. Жестков, В.Д. Комаров // Изв. АН СССР. Сер.физ. - 1970. - Т. 34. № 12. - С. 2590-2593.
    
11. 
    Демченко, О.А. Фазы, фазовые состояния и морфотропные области в n-компонентных системах сегнетоэлектрических твердых растворов / О.А. Демченко // Дис. … к.ф.-м. наук. Ростов-на-Дону. Ростовский гос. ун-т - 2006. – 208 с.
    
12. 
    Turik, S.A. Preisach model and simulation of the converse piezoelectric coefficientin ferroelectric ceramics / S.A. Turik, L.A. Reznitchenko, A.N. Rybjanets, S.I. Dudkina, A.V. Turik, A.A. Yesis // J. Appl. Phys.- 2005. - V. 97. - P.064102-1-064102-4.
    
13. 
    Bokov, A.A. Giant electrostriction and stretched exponential electromechanical relaxation in 0.65Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃–0.35PbTiO₃ crystals / A.A. Bokov, Z-G. Ye // J. Appl. Phys. - 2002. -V. 91. № 10. - P. 6656-6661.
    
14. 
    Bobnar, V. Electrostrictive effect in lead-free relaxor K_0.5Na_0.5NbO₃-SrTiO₃ ceramic system / V. Bobnar, B. Maliс, J. Holc, M. Kosec, R. Steinhausen, H. Beige // J. Appl. Phys. - 2005. -V. 98. № 11. – Р. 024113-1–024113-4.
    

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ