Данный проект направлен на решение фундаментальной задачи физики конденсированного состояния, связанной с изучением электромеханического отклика в релаксорной сегнетоэлектрической керамике под действием сильных электрических полей при доминирующем вкладе электрострикционного эффекта. Значительный интерес представляет увеличение стабильности электромеханического отклика в широком температурном диапазоне и уменьшение сегнетоэлектрического гистерезиса. Систематическое исследование структуры и функциональных свойств керамики с использованием комплекса взаимодополняющих локальных и макроскопических методов в диапазоне электрических полей, температур и химической неоднородности составов твёрдых растворов, позволит детально изучить особенности формирующегося релаксорного состояния и его поведения в области морфотропной и полиморфной фазовых границ. На примере керамик на основе (Bi0.5Na0.5)TiO3 (BNT) планируется выявить роль движения доменных стенок и фазовых превращений под действием электрического поля в гистерезисе поляризации в релаксорной фазе и их вклада в результирующие электромеханические свойства керамик.
Исследуемые релаксорные керамики представляют собой твёрдые растворы на основе BNT, в которых фазовый переход возникает как при изменении температуры, так и благодаря химическому замещению ионов. Несмотря на то, что во многих релаксорных керамиках под действием электрического поля достигнуты большие значения эффективной деформации, актуальной задачей является увеличение температурной стабильности электромеханического отклика и уменьшение гистерезиса при приложении электрического поля, которое является одним из ключевых параметров для применения керамики в устройствах накопления энергии. Механизм электромеханического отклика в сильных полях недостаточно изучен и отсутствует понимание влияния движения доменных стенок и индуцированных электрическим полем фазовых превращений на его величину, гистерезис и температурную стабильность. Одновременный анализ структурных и функциональных свойств керамик на основе BNT позволит предложить физическую модель, наиболее полно описывающую механизмы улучшения электромеханических свойств и величины поляризации при изменении температуры, приложении электрического поля и химическом замещении.
Целью проекта является исследование сегнетоэлектрических, диэлектрических и электромеханических свойств релаксорной керамики на основе твёрдых растворов BNT для увеличения поляризации и уменьшения ее гистерезиса, а также повышения температурной стабильности электромеханического отклика и поляризации, с помощью набора взаимодополняющих макроскопических и локальных методов.
В результате выполнения проекта будет установлена взаимосвязь между изменением кристаллической структуры, электромеханическими, сегнетоэлектрическими и диэлектрическими свойствами, распределением эффективных пьезоэлектрических и электрострикционных коэффициентов в отдельных зёрнах керамики, а также доменной структурой и параметрами движения доменных стенок, что позволит создать физическую модель, описывающую релаксорное состояние в керамиках на основе BNT и его эволюцию при изменении температуры, приложении электрического поля и химическом замещении ионов.
Члены зарубежного научного коллектива из Сианьского Транспортного университета, Сиань, Китай являются признанными в мировом научном сообществе специалистами в синтезе и измерении интегральных характеристик сегнетоэлектрических керамик. Они обладают самым современным комплексом оборудования для синтеза керамических материалов, а также многолетним успешным опытом измерения их основных характеристик. Вклад китайской группы в выполнение данного проекта является определяющим, поскольку они изготовят все исследуемые материалы, а также будут исследовать их структурные свойства методом рентгеновской дифракции с помощью дифрактометра высокого разрешения D/Max-IIIC, Rigaku, что позволит получить высококачественные дифракционные спектры в широком интервале углов и температур. Китайский партнер будет выполнять измерения петель сегнетоэлектрического и пьезоэлектрического гистерезиса, а также интегральные измерения методом диэлектрической спектроскопии.
Залогом успешного выполнения поставленных в проекте задач является опыт успешного продуктивного взаимодействия Российского и Китайского коллективов в рамках выполнения проекта БРИКС 2018-2020 гг.
Ожидаемые результаты:
Целью проекта является исследование при помощи набора взаимодополняющих макроскопических и локальных методов сегнетоэлектрических, диэлектрических и электромеханических свойств релаксорной керамики на основе твёрдых растворов (Na0.5Bi0.5)TiO3 (BNT) для увеличения поляризации и уменьшения гистерезиса, а также для повышения температурной стабильности электромеханического отклика и поляризации.
Исследуемые твёрдые растворы на основе BNT являются керамикой релаксорного сегнетоэлектрика, в котором фазовый переход возникает как при изменении температуры, так и в зависимости от условий химического замещения. Несмотря на то, что во многих релаксорных керамиках под действием электрического поля достигнуты большие значения эффективной деформации, актуальной задачей является увеличение температурной стабильности электромеханического отклика и уменьшение гистерезиса при приложении электрического поля, что является одним из ключевых параметров для применения материала в устройствах накопления энергии. Тем не менее, механизм электромеханического отклика в диапазоне больших напряженностей электрического поля недостаточно изучен, а именно отсутствует понимание воздействия движения доменных стенок и фазовых превращений под действием электрического поля на величину, гистерезис и температурную стабильность электромеханического отклика.
Объединение усилий членов Китайской группы, которые являются признанными специалистами в синтезе и измерении интегральных характеристик керамики и представителей Российской группы, которые обладают уникальным опытом исследования локальных свойств и движения доменных границ в сегнетоэлектриках, позволит впервые в мире провести систематическое структурное и функциональное исследование поведения керамики. Исследование твердых растворов BNT с различными сегнетоэлектрическими, антисегнетоэлектрическими и несегнетоэлектрическими компонентами позволит детально изучить структурные и функциональные изменения.
В результате выполнения проекта будет установлена взаимосвязь между изменением кристаллической структуры, электромеханическими, сегнетоэлектрическими и диэлектрическими свойствами, распределением эффективных пьезоэлектрических и электрострикционных коэффициентов в отдельных зёрнах керамики, а также геометрией доменной структуры и параметрами движения доменных стенок, что позволит создать оригинальную физическую модель, описывающую релаксорное состояние в керамике на основе BNT и его эволюцию при изменении температуры, приложении электрического поля и химическом замещении ионов.
Разработанные в ходе выполнения проекта методы изготовления керамики и полученные научные результаты будут иметь важное практическое значение, поскольку позволят создавать новые перспективные материалы на основе BNT для использования в актюаторах и устройствах накопления энергии с улучшенными характеристиками.