Индукционный метод формирования текстур в керамических анизотропных материалах переменным электрическим полем

В науке и технике широко црименяются и интенсивно исследуются различные текстурированные материалы. Термин «текстура» (от латинского Ье^цкц — ткань, структура ^ гонимается обычно как угорядоченное, закономерное рас изложение в пространстве определённых кристаллографических направлений кристаллической фазы в голшфисталлическом материале. Шнятие «тип текстуры» уготребляется для характеристики закона расшложения этих направлений в пространстве, а выражения «совершенство текстуры» и «степень ориентации» — для характеристики меры близости функций распределения рассматриваемых кристаллографических направлений го углам к функции.

В работе проводится теоретическое и экспериментальное исследование ориентации диэлектрически анизотропных 1фисталлов в электрическом голе.

Целью работы является создание нового метода формирования текстур в голикристаллических керамических материалах при гомощи электрического голя.

Наибольшее распространение имеют три группы методов формирования текстур:

1 — механические,.

2 — рекристаллизационные,.

3 — голевые.

Механические методы основаны на ориентации частиц специальной вытянутой или пластинчатой формы при го мощи специальных механических воздействий, соответствующих форме частиц (прочёс, одноосное прессование, экструзия и др.]. Эти методы широко распространены в области го лучения различных композиционных материалов и го, пробно описаны в работах f 1−4J. Бее механические методы обладают одним существенным недостатком: для их осуществления необходимо иметь юнокристаллические пластинчатые частицы или нитевидные монокристаллы[33−36]. В пластичных материалах (металлах и сплавахJ при механической обработке (прокатке, волоченииJ возникают текстуры пластической деформации [б]. К хрупким, мало пластичным материалам такой метод получения текстур нецрименим вовсе.

Текстуры рекристаллизации возникают год воздействием термической обработки материала, когда происходит рост новых кристаллически): зёрен за счёт старых. При этом меняются размеры, форма и кристаллографическая ориентировка кристаллических зёрен [ 5 ] ¦.

Существует метод формирования текстур, являющийся комбинацией механического и рекристаллизационного методов. Это метод горячего прессования, црименяющийся для изготовления различных керамических материалов [б]. Эффективность формирования текстуры в случае применения рекристаллизационных методов невелика, и до настоящего времени закономерности текстурообразования цри рекристаллизации еще голностыо не изучены [38 — 40].

Из всех методов создания текстур наибольшими возможностями обладают шлевые методы, в которых магнитное или электрическое поле либо непосредственно ориентирует кристаллические частицы, либо изменяет симметрию кристаллической решётки, либо задаёт направление роста кристаллитов при рекристаллизации [7 — И)], [37].

Шлевые методы нашли широкое применение из-за возможности го-лучения весьма совершенных текстур, а также из-за простоты осуществления, Рассмотрим более подробно два голевых метода формирования текстур, в которых шля непосредственно ориентируют кристаллические частицы во время формования голикристаллического изделия. В таких условиях наиболее полно реализуется ориентирующее действие шля, шскольку кристаллические частицы ещё не связаны друг с другом и могут разворачиваться в любом направлении.

Для создания текстур в ферромагнитных материалах используется ориентирующее действие магнитного" голя [ 7], Шропюк магнитного материала, состоящий из мэнокрнсталлических одно, доменных частиц, обладающих магнитным дигольным моментом, помещают в сильное магнитное голе. Частицы горошка вследствие взаимодействия дигольно-го момента с внешним голем разворачиваются и выстраиваются определёнными кристаллографическими направлениями вдоль силовых линий голя, так как направление магнитного дигольного момента связано со структурой кристаллической решётки. 1Ьсле этого горою к прессуют в изделие для придания ему прочности и затем спекают. В результате голучается магнитно — анизотропное изделие, которое затем намагничивают в нацравлении приложения голя при прессовании.

Для получения текстур в пироэлектрических материалах, облада-давдих электрическим дигольным моментом, зависящим от температуры, пользуются ориентирующим действием электрического голя [9]. Сам го себе электрический дигольный момент существовать долго не может из-за цроводишсти кристалла, го этому в этом методе компенсация дигольного момента предотвращается изменением температуры материала при выдержке в электрическом голе. Если скорость компенсации дигольного момента меньше скорости изменения температуры, то электршеское голе будет эффективно воздействовать на нескомпенсированный дигольный момент и ориентировать частицы порошка. Сориентированные частицы затем фиксируются в пространстве с гоющью вяжущих материалов или путём спекания го керамической технологии.

Таким образом, наиболее эффективные методы формирования текстур в полщристаллических материалах основаны на воздействии внешнего магнитного или электрического поля на дигольный момент, присущий 1фисталлическим частицам горошка. Использование электрического шля соцряжено с большими техническими сложностями, чем использование магнитного шля, так как в последнем случае не нужно заботиться о поддержании нескомпенсщюванного дипольного. момента на частицах. Но преодоление этих сложностей позволяет распространить полевой метод формирования текстур на класс пироэлектрических материалов [э]. Для большого числа материалов, не обладающих собственным магнитным или электрическим довольным моментом, голевые методы формирования текстур неприменимы в том виде, в котором они разработаны для ферромагнитных и пироэлектрических материалов. Использование других методов часто оказывается невозможным вовсе или очень сложным и дорогим. Цроблема получения совершенных текстур стоит особенно остро в тех областях науки и техники, в которых использование монокристаллов является неэффективным или невозможным из-за того, что монокристаллы нужных материалов не растут до заданных размеров.

В настоящей работе предлагается использовать наведённый электрический дигольный момент для формирования текстур в диэлектрически анизотропных материалах год воздействием электрического го-ля. Известно, что на диэлектрически анизотропную кристаллическую частицу в электрическом поле действует механический вращающий момент [II]. Цри цроизвольной начальной ориентации частица будет разворачиваться в поле таким образом, что направление максимальной диэлектрической цроницаемости станет параллельно вектору напряжённости электрического поля. Этим явлением можно воспользоваться для формирования текстур, так как направление максимальной диэлектрической проницаемости в анизотропных кристаллах обусловлено симметрией кристаллической решётки, фи практической реализации воздействия электрического поля на диэлектрически анизотропные кристаллические частицы возникает ряд вопросов, от решения которых в конечном итоге зависит достижение гоставленной цели.

В работе цроведены теоретмческие исследования процесса ориентации диэлектрически анизотропного кристалла в электрическом шле. Для идеального диэлектрического кристалла без учёта проводимости исследован характер изложений равновесия в постоянном голе в двух случаях: кристалл на упругом годвесе, кристалл в вязкой жидкости. Изучено влияние несферичности 1фисталлических частиц на цроцесс их ориентации в электрическом голе. С учётом объёмной и поверхностной проводишстей реального кристалла выведена система нелинейных дифференциальных уравнении, описывающая движение кристалла в голе. Получено приближённое аналитическое решение данной системы для случая движения кристалла на упругом годвесе в предположении малых отклонений от изложения равновесия. На основе излученных результатов предложена методика формирования текстур в переменном электрическом голе.

Разработаны основы технологического цроцесса изготовления тек4 стурированных керамических образцов в электрическом голе.

Приводится описание экспериментального оборудования для формирования и измерения степени совершенства аксиальных текстур в алюмооксидных керамических материалах.

В последней главе приведены результаты экспериментального исследования движения кристалла на уцругом годвесе, которые подтверждают правильность теоретических оценок времени жизни вращающего момента, действующего на кристалл в постоянном электрическом голе. Далее приведены результаты экспериментальных исследований аксиальных текстур, го лученных в керамических материалах при помощи переменного электрического поля.

В заключении цроанализированы области применения разработанного метода формирования текстур. Шказана его универсальность, применимость к широкому классу диэлектрически анизотропных материалов, из которых невозможно в! фастить монокристаллы требуемых размеров. Установлены наиболее важные и перспективные области науки и техники, в которых применение индукционного метода формирования текстур имеет особенно большое значение. Такими областями являются электроника СВЧ, пьезотехника, и лазерная техника.

ШАВА I. Ориентация диэлектрически анизотропного кристалла в однородном электростатическом доле.

В .настоящей главе рассматриваются три воцроса.

1. Цроводится вычисление величины механического вращающего момента, действующего на сферическую диэлектрически анизотропную частицу в однородном электростатическом голе.

2. Исследуется характер движения сферической частицы в вязкой жидкости и на упругом подвесе.

3. Вычисляется величина вращающего момента для эллипсоидальной кристаллической частицы. Исследуются условия, цри которых эллипсоидальная частица ориентируется в электрическом голе так, как это нужно для сформирования совершенной текстуры.

Рассмотрение возможности формирования текстур в диэлектрически анизотропных материалах начнём с вычисления механического вращающего момента, действующего на кристаллическую частицу в электрическом голе. Поскольку на гграктике приходится иметь дело с частицами весьма малых размеров (порядка микрон^, ограничимся рассмотрениям однородного внешнего поля. Затем проведём исследование характера движения частицы относительно её центра масс под действием найденного вращающего момента. Всюду будем рассматривать изолированную частицу, цренебрегая взаимодействием соседних частиц. Такое рассмотрение справедливо для суспензий, из которых отливается керамическое изделие, содержащих малые количества твёрдой фазы. Далее будет показано, что только при использовании таких суспензий можно сформировать текстуру электрическим полем.

В конце рассмотрим влияние формы частиц на процесс формирования текстуры. Найдём условия, при которых частица ориентируется вдоль силовых линий го ля направлением максимальной диэлектрической проницаемости, а не направлением, в котором частица наиболее вытянута, фи этих условиях текстура будет сформирована в голе с наибольшей эффективностью, так как направление максимальной диэлектрической цроницаемости оцределяется свойствами кристаллической решётки, а форма частицы — случайными факторами.

В разделах 1,1 и 1.3 приводятся подробные решения задач о го ля-риз ации идеального диэлектрика сферической и эллипсоидальной формы. При этом были исгользованы методы и результаты монографии [12], в которой решена задача о голяризации изотропных тел. Разложив внешнее голе го направлениям главных осей тензора диэлектрической проницаемости и проведя точно такие же рассуждения, как и в работе [12], го лучим решение для анизотропных тел.

Проведение в настоящей работе столь подробных рассуждений и выкладок при рассмотрении голяризации идеальных диэлектриков обусловлено тем, что голученные результаты используются в дальнейшем при решении более сложной задачи о голяризации неидеальных диэлектриков, т. е. таких диэлектриков, у которых проводимость от. 4 личается от нуля.

4.3. Выводы.

1. Использование ориентирующего действия переменного электрического поля на кристаллические диэлектрически анизотропные частицы, диспергированные в жидком диэлектрике, позволяет формировать текстуру в керамических материалах.

2. Получены и экспериментально исследованы аксиальные текстуры в алюмооксидной керамике 22ХС.

3. Степень совершенства текстур зависит в значительной мере от концентрации частиц в шликере и от напряжённости электрического шля.

4. Для получения совершенных текстур предпочтительны суспензии (шликеры) с низкой концентрацией твёрдых частиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Во многих областях науки и техники широкое црименение находят монокристаллы различных веществ, фи го мощи диэлектрических, полупроводниковых, пьезоэлектрических и сегнетоэлектрических монокристаллов в последнее время удалось реализовать множество интересных физических идей, позволивших создать большое количество новых практически важных приборов. К областям, в которых широко используются монокристаллы, относятся и современная микроэлектроника, и лазерная техника, и радиоэлектроника, и акустика.

Техника выращивания монокристаллов бурно развивается, множество исследований посвящено различным вопросам теории и црактики выращивания монокристаллов.

Наряду с выращиванием монокристаллов существует и другое направление, позволяющее решать те же задачи, которые решаются посредством црименения монокристаллов. Это нацравление основано на изготовлении текстурированных керамических материалов, обладающих за счёт текстуры свойствами монокристаллов. Нацример, в пьезотехнике широко распространены поляризованные сегнетоэлектрические керамические материалы.

Особенно большое значение текстур1фованные керамические материалы имеют в тех областях, в которых применение монокристаллов ограничено либо трудностями выращивания нужных монокристаллов, либо их дороговизной.

Цель настоящей работы — создание нового универсального метода формирования текстур в широком классе диэлектрически анизотропных керамических материалов.

Физической основой метода является использование ориентирующего воздействия переменного электрического голя на кристаллические частицы го рожа во время уплотнения заготовки керамического изделия.

Подобные методы создания текстур разработаны для ферромагнитных материалов. Они используют ориентирующее воздействие магнитного шля. Электрическое голе для создания текстур в керамических материалах до настоящего времени ещё не использовалось, если не считать метода создания пьезоэлектрических текстур в пироэлектрических материалах путём пироэлектрической обработки материала, имеющего только демонстрационное значение из-за большой инерционности процессов нагрева и охлаждения реальных керамических изделий.

В настоящей работе проведены теоретические исследования процесса ориентации диэлектрически анизотропного кристалла в электричес-комгоголе. Для идеального диэлектрического кристалла без учёта проводимости исследован характер положений равновесия кристалла в постоянном голе для двух случаев: кристалл на упругом подвесекристалл в вязкой жидкости. Исследовано влияние несферичности кристаллических частиц на процесс их ориентации в электрическом голе.

С учётом проводимости реального кристалла выведена система нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих движение кристалла в переменном голе в квазистатическом приближении. Получено приближённое аналитическое решение данной системы уравнений для частного случая движения кристалла на упругом подвесе в предположении малых отклонений от положения равновесия. На основе полученных результатов предложена методика формирования текстур в переменном электрическом голе.

Разработано, сконструировано и изготовлено экспериментальное оборудование для формирования аксиальных текстур в алюмооксидных керамических материалах.

Разработан метод измерения степени совершенства аксиальных текстур, основанный на измерении анизотропии диэлектрической проницаемости в диапазоне СВЧ цри помощи цилиндрического резонатора. Ш сравнению с рентгеновскими методами оценки степени совершенства текстур резонаторный метод имеет преимущества в скорости и точности измерений.

Разработаны основы технологического цроцесса изготовления тек-стурированных керамических изделий в электрическом голе.

Получены и экспериментально исследованы аксиальные текстуры в алюмооксидной керамике. Цроведено исследование влияния концентрации твёрдой фазы в литейном шяикере на совершенство текстуры. Также проведено исследование зависимости совершенства текстуры от напряжённости электрического поля.

Разработанный метод формирования текстур в керамических материалах может быть црименён к широкому классу диэлектрически анизотропных кристаллических материалов. Б первую очередь к электроизоляционным алюмэ оксидным материалам, сегнетоэлектрикам, электрооптическим материалам.

Важное научное и црактическое значение имеет проблема повышения термостойкости алюмооксидных керамических.материалов. Эти материалы используются во многих конструкциях и деталях приборов СВЧ диапазона. Термостойкость тепло нагруженных узлов и конструкций может быть значительно повышена за счёт применения текстурированной керамики. Алюмооксидная текстуриро ванная керамика обладает меньшими внутренними напряжениями, лучшими тепло физическими свойствами го сравнению с обычными керамиками.

Б коротковолновой части СВЧ диапазона текстурированная алюмоок-сидная керамика была использована для изготовления четвертьволновых пластин, преобразующих линейно поляризованное излучение в голяризованное ш кругу. С использованием таких преобразователей поляризации излучения в миллиметровом диапазоне были выполнены прецизионные исследования ферромагнитного и циклотронного резонанса в полупроводниковых материалах.

Метод может быть также применён для улучшения параметров существующих пьезокерамических материалов, выполненных из поляризованной сегнетоэлектрической керамики. Он позволяет увеличить эффективность цроцесса поляризации за счёт создания аксиальной текстуры в заготовке керамического изделия на стадии формования. Доследующая поляризация в направлении оси текстуры должна приводить к улучшению всех пьезоэлектрических свойств керамического изделия и приближению этих свойств к свойствам монокристалла соответствующего материала. Подобная возможность улучшения пьезоэлектрических свойств керамических материалов играет особенно болыцую роль в тех областях, где возможности известных материалов полностью исчерпаны, например, в гидроакустике для генерации мощных ультразвуковых колебаний.

Б лазерной технике широко применяются электрооптические кристаллы для управления лазерным излучением. В том случае, когда црибо-ры имеют большие апертуры, использование монокристаллов затруднено. Цроблему можно решить, применив вместо монокристаллов оптически прозрачную керамику. Использование в этой области текстурированной керамики даёт возможность уменьшить рассеяние света на границах: зёрен, возникающее из-за анизотропии показателя преломления, и тем самым увеличить прозрачность керамического материала.

Перечисленные области не исчерпывают всех возможных применений метода. Они являются наиболее важными и перспективными, фи дальнейшей разработке метода применительно к новым материалам, 1фуг областей его применения может быть расширен.

Основные научные положения работы заключаются в следующем:

1. Установлено, что для ориентации кристаллических частиц электрическим голем в соответствии с их диэлектрическими свойствами, обусловленными симметрией кристаллической решётки, необходимо поместить их в среду, диэлектрическая проницаемость которой близка к минимальной диэлектрической проницаемости частиц.

2. Установлено, что величина и направление механического вращающего момента, действующего на реальную кристаллическую частицу в постоянном голе, зависит от времени, в течение которого частица находится в голе. Величина вращающего момента для сферической частицы заметно отлична от нуля в течение короткого отрезка времени, длительность которого примерно равна минимальному времени релаксации дигольного момента = (+)^ +) ¦

3. Установлено, что переменное электрическое голе, в частности, поле, меняющееся во времени го гармоническому закону, способно оказывать длительное воздействие на реальные кристаллические частицы. Эффективность воздействия в этом случае зависит от отношения: периода колебаний внешнего поля к минимальноцу времени релаксации наведённого дигольного момента. Максимальная эффективность воздействия достигается тогда, когда указанное отношение стремится к нулю.

4. Установлено, что ориентирующее действие переменного электрического поля на диспергированные в жидком диэлектрике кристаллические частицы позволяет формировать текстуры в керамике. Степень совершенства текстур сильно зависит от концентрации частиц в жидком диэлектрике. Для получения совершенных текстур предпочтительны суспензии с низкой концентрацией твёрдых частиц.