Приложение А (справочное). Характеристики сегнетопьезоэлектрических керамик

Приложение А
(справочное)

Характеристики сегнетопьезоэлектрических керамик

А.1 В настоящее время сегнетопьезоэлектрические материалы находят широкое применение в датчиковой аппаратуре различного назначения (датчики движения, давления, вибрации, скорости и пр.), микроэлектромеханических системах и устройствах СВЧ-техники. Однако в последние годы был принят ряд мер, направленных на защиту окружающей среды, приведших к тому, что в современном материаловедении стало уделяться большое внимание разработке нетоксичных пьезоэлектрических материалов, которые могут использоваться (в том числе и заменить используемые Pb-содержащие материалы на основе титаната свинца и цирконата-титаната свинца) в различных сферах современной техники. Одной из наиболее перспективных основ для создания подобных структур являются материалы на основе ниобата натрия, калия и лития.

Представленные таблицы являются обобщением работ, проводимых в отделе интеллектуальных материалов и нанотехнологии Научно-исследовательского института физики Южного федерального университета, по созданию и подготовке справочных данных диэлектрических и пьезоэлектрических характеристик новых бессвинцовых керамических материалов, которые могут быть использованы в различных отраслях современной техники.

А.2 Экспериментальные результаты. Обсуждение

По данным рентгенофазового анализа установлено, что получены беспримесные двухфазные керамические образцы NKLTSB-1, NKLTSB-2 и NKLTSB-3, которым свойственны достаточно высокие значения (90-94 %), что приемлемо для материалов, полученных по обычной керамической технологии [4]. Результаты измерения диэлектрических, пьезоэлектрических и упругих характеристик исследуемых составов NKLTSB-1, NKLTSB-2 и NKLTSB-3 в интервале температур от 0 °С до 100 °С приведены в таблицах А.1-А.3.

Таблица А.1 - Характеристики керамики NKLTSB-1

Параметр	Керамические образцы
	1	2	3	4	5
Na2O, масс %	8,6664	8,6664	8,6664	8,6664	8,6664
K2O, масс %	11,2208	11,2208	11,2208	11,2208	11,2208
Nb2O5, масс %	61,9453	61,9453	61,9453	61,9453	61,9453
Li2O, масс %	0,3224	0,3224	0,3224	0,3224	0,3224
Та2O5, масс %	11,4423	11,4423	11,4423	11,4423	11,4423
Sb2O5, масс %	3,4902	3,4902	3,4902	3,4902	3,4902
NiO, масс %	1,9417	1,9417	1,9417	1,9417	1,9417
В2О3, масс %	0,9709	0,9709	0,9709	0,9709	0,9709
/	1185	1187	1190	1191	1193
/, %	Менее 4	Менее 4	Менее 4	Менее 4	Менее 4
Kр	0,29	0,30	0,30	0,30	0,31
Kр, %	Менее 6	Менее 6	Менее 6	Менее 6	Менее 6
, пКл/Н	59	60	60	60	60
, %	Менее 6	Менее 6	Менее 6	Менее 6	Менее 6
QM	Менее 100	Менее 100	Менее 100	Менее 100	Менее 100
tg	0,032	0,036	0,037	0,037	0,038

Таблица А.2 - Характеристики керамики NKLTSB-2

Параметр	Керамические образцы
	1	2	3	4	5
Na2O, масс %	8,6037	8,6037	8,6037	8,6037	8,6037
K2O, масс %	11,1396	11,1396	11,1396	11,1396	11,1396
Nb2O5, масс %	61,4975	61,4975	61,4975	61,4975	61,4975
Li2O, масс %	0,3201	0,3201	0,3201	0,3201	0,3201
Та2O5, масс %	11,3596	11,3596	11,3596	11,3596	11,3596
Sb2O5, масс %	3,4650	3,4650	3,4650	3,4650	3,4650
NiO, масс %	2,4096	2,4096	2,4096	2,4096	2,4096
В2O3, масс %	1,2048	1,2048	1,2048	1,2048	1,2048
/	1192	1194	1194	1194	1199
/, %	Менее 3	Менее 3	Менее 3	Менее 3	Менее 3
Kp	0,30	0,30	0,30	0,31	0,31
Kр, %	Менее 6	Менее 6	Менее 6	Менее 6	Менее 6
, пКл/Н	60	60	60	61	60
, %	Менее 6	Менее 6	Менее 6	Менее 6	Менее 6
QM	Менее 100	Менее 100	Менее 100	Менее 100	Менее 100
tg	0,034	0,035	0,035	0,035	0,035

Таблица А.3 - Характеристики керамики NKLTSB-3

Параметр	Керамические образцы
	1	2	3	4	5
Na2O, масс %	8,5420	8,5420	8,5420	8,5420	8,5420
K2O, масс %	11,0597	11,0597	11,0597	11,0597	11,0597
Nb2O5, масс %	61,0561	61,0561	61,0561	61,0561	61,0561
Li2O, масс %	0,3178	0,3178	0,3178	0,3178	0,3178
Та2O5, масс %	11,2781	11,2781	11,2781	11,2781	11,2781
Sb2O5, масс %	3,4401	3,4401	3,4401	3,4401	3,4401
NiO, масс %	2,8708	2,8708	2,8708	2,8708	2,8708
В2О3, масс %	1,4354	1,4354	1,4354	1,4354	1,4354
/	1197	1199	1200	1200	1203
/, %	Менее 3	Менее 3	Менее 3	Менее 3	Менее 3
Kp	0,30	0,30	0,31	0,31	0,31
Kр, %	Менее 6	Менее 6	Менее 6	Менее 6	Менее 6
, пКл/Н	59	60	60	61	61
, %	Менее 6	Менее 6	Менее 6	Менее 6	Менее 6
QM	Менее 100	Менее 100	Менее 100	Менее 100	Менее 100
tg	-	-	0,036	-	-

Средние значения относительной диэлектрической проницаемости, / ( 1200), достаточно высокие значения пьезомодуля, ( 60 пКл/Н), коэффициента электромеханической связи планарной моды колебаний, K_р ( 0,30), низкая механическая добротность, Q_M (< 100), и высокая температурная стабильность ( 6 %) данных материалов определяют их основное назначение - использование в ультразвуковых преобразователях, работающих в режиме приема в широком диапазоне температур, в частности в системах ультразвуковой дефектоскопии (теневой и импульсной), предназначенных для неразрушающего контроля и мониторинга состояния сложных металлических конструкций. Кроме того, низкая Q_m способствует повышению отношения сигнал/шум и подавлению паразитных резонансов (ложных колебаний), искажающих форму рабочего сигнала и ухудшающих характеристики изготовленных из этого пьезокерамического материала устройств.

А.3 Оценка достоверности данных

Суммарные погрешности измерений диэлектрических, пьезоэлектрических и упругих характеристик исследуемых объектов представлены в таблице А.4.

Таблица А.4 - Суммарные погрешности измерений электрофизических параметров

Параметр	Значение A	A/A, %
/	250-5000	1,0
Kр	0,2-0,3	5,0
	0,3-0,4	2,0
	0,4-0,5	1,5
	0,5-0,7	1,0
, пКл/Н	20-30	5,0
	30-40	2,0
d33, пКл/Н	40-100	3,0
	100-700	2,0
QM	50-60	10
	600-5000	20
tg  102	0,3-20,0	5,0
10-3, м/с	2,6-4,0	0,3

А.4 Оценка стандартного отклонения от среднего значения

В связи с тем, что все аттестуемые характеристики являются рассчитываемыми величинами (погрешности определения приведены в таблице А.4), для каждой из них была проведена оценка экспериментального стандартного отклонения от среднего значения по формулам (А.1), (А.2) по ГОСТ Р 54500.3/Руководство ИСО/МЭК 98-3:2008:

,

(А.1)

,

(А.2)

где - среднее арифметическое экспериментальное стандартное отклонение от среднего значения величины q_k;

k - номер измерения;

- измеряемая величина.

Экспериментальные стандартные отклонения от среднего значения электрофизических параметров приведены в таблице А.5.

Таблица А.5 - Экспериментальные стандартные отклонения от среднего значения электрофизических параметров

Параметр	NKLTSB-1	NKLTSB-2	NKLTSB-3
/	17,72	19	16
Kр	0,0146	0,0161	0,0156
, пКл/Н	3,16	3,10	3,9