Влияние дисперсионной среды и осаждающего агента на формирование золей и гелей прекурсора керамики системы цирконат-титанат свинца

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В статье приведены данные по влиянию выбора пары дисперсионная среда–осаждающий агент на закономерности протекания процесса золь–гель синтеза прекурсора керамики системы цирконата–титаната свинца. В качестве дисперсионных сред рассмотрены уксусная кислота и 2-метоксиэтанол, в качестве осаждающих агентов – этиленгликоль и вода соответственно. Рассмотрено изменение оптических, реологических свойств и размера частиц в процессе перехода золя в гель при различных концентрациях осаждающего агента. Показано, что природа и относительная концентрация дисперсионной среды и осаждающего агента позволяют в широких пределах регулировать свойства золей и гелей прекурсора соответствующей керамики и скорости процессов, существенно влияют на механизм образования и структуру образующихся гелей.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Н. Д. Парамонова

Акционерное общество «Научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита «НИИграфит»

Email: danilovegor1@gmail.com
Россия, ул. Электродная, 2, Москва, 111524

Е. А. Данилов

Акционерное общество «Научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита «НИИграфит»

Автор, ответственный за переписку.
Email: danilovegor1@gmail.com
Россия, ул. Электродная, 2, Москва, 111524

Е. А. Иванова

Акционерное общество «Научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита «НИИграфит»

Email: danilovegor1@gmail.com
Россия, ул. Электродная, 2, Москва, 111524

Список литературы

  1. Xu Z.J., Chu, R.Q., Li G.R. et al. Preparation of PZT powders and ceramics via a hybrid method of sol–gel and ultrasonic atomization // Mater. Sci. Eng. B. 2005. V. 117. № 2. P. 113–118. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2004.10.019
  2. Huang C., Chen B., Wu L. Application feasibility of Pb(Zr ,Ti)O 3 ceramics fabricated from sol–gel derived powders using titanium and zirconium alkoxides // Mater. Res. Bull. 2004. V. 39. № 4–5. P. 523–532. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2004.01.002
  3. De-Qing Z., Shao-Jun W., Hong-Shan S. et al. Synthesis and mechanism research of an ethylene glycol-based sol-gel method for preparing PZT nanopowders // J. Solgel Sci. Technol. 2007. V. 41. № 2. P. 157–161. https://doi.org/10.1007/s10971-006-0521-y
  4. Bel Hadj Tahar R., Bel Hadj Tahar N., Ben Salah A. Low-temperature processing and characterization of single-phase PZT powders by sol-gel method // J. Mater. Sci. 2007. V. 42. № 23. P. 9801–9806. http://doi.org/10.1007/s10853-007-1966-2
  5. Bel-Hadj-Tahar R., Abboud M., Bouzitoun M. Thermal analysis of the crystallization kinetics of lead zirconate titanate powders prepared via sol-gel route // J. Therm. Anal. Calorim. 2020. V. 144. № 1. P. 127–138.http://doi.org/10.1007/s10973-020-09439-8
  6. Bel-Hadj-Tahar R., Abboud M., Shkir M. et al. Novel sol-gel synthesis of spherical lead titanate submicrometer powders // Crystals. 2021. V. 11. № 5. P. 484. https://doi.org/10.3390/cryst11050484
  7. Eid E.A., Ebied M. R., Kaid M.A. et al. Synthesis and microstructure characterization of sol-gel derived phase fractions in PZT nanopowders // Dig. J. Nanomater. Biostructures. 2020. V. 15. № 2. P. 465–470. https://doi.org/10.15251/djnb.2020.152.465
  8. Sachdeva A., Arora M., Tandon, R.P. Synthesis and characterization of sol–gel derived PZT nano powder // J. Nanosci. Nanotechnol. 2009. V. 9. № 11. P. 6631–6636. http://doi.org/10.1166/jnn.2009.1314
  9. Lee H.T., Wan I.L., Yoo H.K., Chin M.W. The seeding effects on the phase transformation of sol-gel derived PZT powder // Bull. Korean Chem. Soc. 2002. V. 23. P. 1078–1084. https://doi.org/10.5012/BKCS.2002.23.8.1078
  10. Парамонова Н.Д., Вартанян М.А., Данилов Е.А. Применение золь-гель метода для получения наноструктурированных пьезоматериалов системы цирконат-титанат свинца. Часть 1. Синтез порошков // Стекло и керамика. 2024. Т. 97. № 2 (1154). С. 47–56. https://doi.org/10.14489/glc.2024.02.pp.047-056
  11. Khan S.U., Mateen A., Qazi I. Sol–gel derived lead zirconate titanate: Processing, micrometer and nanometer scale patterning and characterization // Ceram. Int. 2016. V. 42. № 1. P. 185–193. https://doi.org/
  12. Hassen A., El Sayed A.M., Al-Ghamdi A., Shaban M. Synthesis of some functional oxides and their composites using sol-gel method. In: Sol-gel method: Resent advances. IntechOpen. 2023. http://doi.org/10.5772/intechopen.111384
  13. Парамонова Н.Д., Вартанян М.А., Данилов Е.А. Применение золь-гель метода для получения наноструктурированных пьезоматериалов системы цирконат-титанат свинца. Часть 2. Синтез пленочных и стержневидных структур // Стекло и керамика. 2024. Т. 97. № 6 (1158). С. 49–59. https://doi.org/10.14489/glc.2024.06.pp.049-059
  14. Wang Z., Zhu W., Zhao C., et al. Dense PZT thick films derived from sol-gel based nanocomposite process // Mater. Sci. Eng. B. 2003. V. 99. № 1–3. P. 56–62. https://doi.org/10.1016/S0921-5107(02)00568-8
  15. Wang Z., Miao J., Zhu W. Piezoelectric thick films and their application in MEMS // J. Eur. Ceram. Soc. 2007. V. 27. № 13–15. P. 3759–3764. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2007.02.067
  16. Wu A., Miranda Salvado I.M., Vilarinho P.M. et al. Processing and seeding effects on crystallisation of PZT thin films from sol-gel method // J. Eur. Ceram. Soc. 1997. V. 17. № 12. P. 1443–1452. https://doi.org/10.1016/S0955-2219(97)00027-7
  17. Belleville P., Bigarre J., Boy P., et al. Stable PZT sol for preparing reproducible high-permittivity perovskite-based thin films // J. Solgel Sci. Technol. 2007. V. 43. № 2. P. 213–221. https://doi.org/10.1007/s10971-007-1580-4
  18. Tsai C.-C., Chu S.-Y., Hong C.-S. et al. Effects of annealing temperature and pressure of vacuum infiltration on the electrical properties of Pb(Zr 0.52 Ti 0.48 )O 3 thick films prepared via a modified sol-gel method // Thin Solid Films. 2020. V. 706. P. 138071. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2020.138071
  19. Zhang Y.-J., Wang Z.J., Bai Y. et al. Enhanced electrical properties of epitaxial PZT films deposited by sol-gel method and crystallized by microwave irradiation // J. Alloys Compd. 2018. V. 757. P. 24–30.https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.05.047
  20. Yu S., Yao K., Shannigrahi S. et al. Effects of poly(ethyleneglycol) additive molecular weight on the microstructure and properties of sol-gel-derived lead zirconate titanate thin films // J. Mater. Res. 2003. V. 18. № 3. P. 737–741. http://doi.org/10.1557/JMR.2003.0100
  21. Hsu Y.-C. 1–10 μm PZT films grown by modified sol-gel method // Sens. Mater. 2006. V.18. № 6. P. 313–327.
  22. Bel-Hadj-Tahar R., Abboud M., Belhadj Tahar N. Microstructural and electrical properties of nanostructured lead zirconate titanate composite thick films processed for MEMS applications via hybrid sol–gel approach // J. Alloys Compd. 2020. V. 830. P. 154695. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.154695
  23. Bel-Hadj-Tahar R. Morphological and electrical investigations of lead zirconium titanate thin films processed at low temperature by a novel sol-gel system // J. Alloys Compd. 2017. V. 729. P. 607–616.https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.09.222
  24. Shoghi A., Shakeri A., Abdizadeh H. et al. Synthesis of crack-free PZT thin films by sol-gel processing on glass substrate // Procedia Mater. Sci. 2015. V. 11. P. 386–390. https://doi.org/10.1016/j.mspro.2015.11.136
  25. Fè L., Norga G.J., Wouters D.J. et al. Chemical structure evolution and orientation selection in sol-gel-prepared ferroelectric Pb(Zr ,Ti)O 3 thin films // J. Mater. Res. 2001. V. 16. № 9. P. 2499–2504. https://doi.org/10.1557/JMR.2001.0342
  26. Alkoy E.M., Alkoy S., Shiosaki T. The effect of crystallographic orientation and solution aging on the electrical properties of sol–gel derived Pb(Zr 0.45 Ti 0.55 )O 3 thin films // Ceram. Int. 2007. V. 33. № 8. P. 1455–1462. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2006.06.010
  27. Moriyama M., Totsu K., Tanaka S. Sol–gel deposition and characterization of lead zirconate titanate thin film using different commercial sols // Sens. Mater. 2019. V. 31. № 8. P. 2497–2509. https://doi.org/10.18494/SAM.2019.2420
  28. Kweon S.H., Kanayama Y., Tan G. et al. In-situ study on piezoelectric responses of sol-gel derived epitaxial Pb[Zr ,Ti]O 3 thin films on Si substrate // J. Eur. Ceram. Soc. 2024. V. 44. № 6. P. 3887–3894. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2024.01.026
  29. Ti J., Li J., Fan Q. et al. Sm-doped PZT thin film with high piezoelectric properties by sol-gel method // J. Appl. Phys. 2024. V. 136. P. 055302. https://doi.org/10.1063/5.0221620
  30. Cui Y., Yu H., Abbas Z. et al. PZT composite film preparation and characterization using a method of sol-gel and electrohydrodynamic jet printing // Micromachines. 2023. V. 14. P. 918. https://doi.org/10.3390/mi14050918
  31. Li H., Hu Y., Wei S. et al. Oxygen plasma-assisted ultra-low temperature sol-gel-preparation of the PZT thin films // Ceram. Int. 2023. V. 49. № 7. P. 10864–10870.https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.11.279
  32. Wu A., Vilarinho P.M. Nanostructure analysis of sol-gel PZT thin films derived from different chemical routes // Microsc. Microanal. 2009. V. 15. № S3. P. 53–54. https://doi.org/10.1017/S1431927609990729
  33. Parui J.R.M., Jose J., Parwin S. et al. Towards optimizing surface coverage for PVP-assisted PZT ferroelectric thick film // Integr. Ferroelectr. 2023. V. 237. № 1. P. 107–124. https://doi.org/10.1080/10584587.2023.2227057
  34. Atanova A.V., Zhigalina O.M., Khmelenin D.N. et al. Microstructure analysis of porous lead zirconate–titanate films // J. Am. Ceram. Soc. 2022. V. 105. № 1. P. 639–652. https://doi.org/10.1111/jace.18064
  35. Wang J., Gao Q., He H. et al. Fabrication and characterization of size-controlled single-crystal-like PZT nanofibers by sol-gel based electrospinning // J. Alloys Compd. 2013. V. 579. P. 617–621. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2013.07.099
  36. Yun J.S., Park C.K., Cho J.H. et al. The effect of PVP contents on the fiber morphology and piezoelectric characteristics of PZT nanofibers prepared by electrospinning // Mater. Lett. 2014. V. 137. P. 178–181. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2014.08.139
  37. Chen X., Chen R., Chen Z. et al. Transparent lead lanthanum zirconate titanate (PLZT) ceramic fibers for high-frequency ultrasonic transducer applications // Ceram. Int. 2016. V. 42. № 16. P. 18554–18559. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.08.195
  38. Fan M., Hui W., Li Z. et al. Fabrication and piezoresponse of electrospun ultra-fine Pb(Zr 0.3 ,Ti 0.7 )O 3 nanofibers // Microelectron. Eng. 2012. V. 98. P. 371–373. https://doi.org/10.1016/j.mee.2012.07.026
  39. Khajelakzay M., Taheri-Nassaj E. Synthesis and characterization of Pb(Zr 0.52 ,Ti 0.48 )O 3 nanofibers by electrospinning, and dielectric properties of PZT-resin composite // Mater. Lett. 2012. V. 75. P. 61–64. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2012.01.082
  40. Zhang M., Salvado I.M.M., Vilarinho P.M. Synthesis and characterization of lead zirconate titanate fibers prepared by the sol-gel method: The role of the acid // J. Am. Ceram. Soc. 2003. V. 86. № 5. P. 775–781. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.2003.tb03374.x
  41. Mai M., Lin C., Xiong Z. et al. Preparation and characterization of lead zirconate titanate ceramic fibers with alkoxide-based sol-gel route // J. Phys. Conf. Ser. 2009. V. 152. P. 012077. https://doi.org/10.1088/1742-6596/152/1/012077
  42. Mensur Alkoy E., Dagdeviren C., Papila M. Processing conditions and aging effect on the morphology of PZT electrospun nanofibers, and dielectric properties of the resulting 3-3 PZT/polymer composite // J. Am. Ceram. Soc. 2009. V. 92. № 11. P. 2566–2570. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2009.03261.x
  43. van der Veer E., Noheda B., Acuautla M. Piezoelectric properties of PZT by an ethylene glycol-based chemical solution synthesis // J. Solgel Sci. Technol. 2021. V. 100. P. 517–525. https://doi.org/10.1007/s10971-021-05651-6
  44. Lobmann P., Lange U., Glaubitt W. et al. Powders, fibers, thin films and aerogels: Sol-gel-derived piezoelectric materials // Key Eng. Mater. 2002. V. 224–226. P. 613–618. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/kem.224-226.613
  45. Bi K., Han S., Chen J. et al. Interfacial polarization control engineering and ferroelectric PZT/graphene heterostructure integrated application // Nanomaterials. 2024. V. 14. № 5. P. 432. https://doi.org/10.3390/nano14050432
  46. Sangsubun C., Watcharapasorn A., Naksata M., et al. Preparation of sol-bonded lead zirconate titanate ceramics via sol-gel and mixed-oxide Methods // Ferroelectrics. 2007. V. 356. P. 197–202. https://doi.org/10.1080/00150190701512318
  47. Максимов А.И., Мошников В.А., Таиров Ю.М., Шилова О.А. Основы золь-гель-технологии нанокомпозитов СПб: ООО «Техномедиа // Изд-во Элмор». 2008.
  48. Zhang Q., Huang Z., Whatmore R.W. Studies of lead zirconate titanate sol ageing part I: Factors affecting particle growth // J. Solgel Sci. Technol. 2002. V. 23. № 2. P. 135–144. https://doi.org/10.1023/A:1013799417981
  49. Suárez-Gómez A., Saniger-Blesa J.M., Calderón-Piñar F. The effects of aging and concentration on some interesting sol-gel parameters: A feasibility study for PZT nanoparticles insertion on in-house prepared PAA matrices via electrophoresis // J. Electroceramics. 2007. V. 22. № 1–3. P. 136–144. https://doi.org/10.1007/s10832-007-9367-0
  50. Mu G., Yang S., Li J., Gu M. Synthesis of PZT nanocrystalline powder by a modified sol–gel process using water as primary solvent source // J. Mater. Process. Technol. 2007. V. 182. № 1–3. P. 382–386. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2006.08.017
  51. Sanchez C., Livage J., Henry M. Chemical modification of alkoxide precursors // J. Non Cryst. Solids. 1988. V. 100. № 1–3. P. 65–76. https://doi.org/10.1016/0022-3093(88)90007-5
  52. Livage J., Henry M., Sanchez C. Sol-gel chemistry of transition metal oxides // Prog. Solid. State Ch. 1988. V. 18. № 4. P. 259–341. https://doi.org/10.1016/0079-6786(88)90005-2
  53. Huang Z., Zhang Q., Whatmore R.W. Studies of lead zirconate titanate sol aging part II: Particle growth mechanisms and kinetics // J. Solgel Sci. Technol. 2002. V. 24. № 1. P. 49–55. https://doi.org/10.1023/A:1015161532663
  54. Huang Z., Zhang Q., Whatmore R.W. Kinetics of lead zirconate titanate sol aging // Integr. Ferroelectr. 2001. V. 36. № 1–4. P. 153–161. https://doi.org/10.1080/10584580108015537
  55. Головнин В.А., Каплунов И.А., Малышкина О.В., Педько Б.Б., Мовчикова А.А. Физические основы, методы исследования и практическое применение пьезоматериалов. –М.: ТЕХНОСФЕРА. 2017.
  56. Sharma P.K., Ounaies Z., Varadan V.V., Varadan V.K. Dielectric and piezoelectric properties of microwave sintered PZT // Smart Mater. Struct. 2001. V. 10. P. 878–883. https://doi.org/10.1088/0964-1726/10/5/304
  57. Paramonova N.D., Danilov E.A., Mikheev D.A., Golovchenko M.I. Piezoelectric film composite based on polyvinylidene fluoride (PVDF) and lead zirconate-titanate (PZT) piezoceramic: rational choice of particle size // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. 2022. Т. 78. № 4. С. 152–156.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Принципиальная схема золь–гель синтеза геля-прекурсора ЦТС.

Скачать (144KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Время образования плотного геля-прекурсора ЦТС при различных значениях Н. Дисперсионная среда и осаждающий агент: МЭ + H2Oдист (а), УК + ЭГ (б).

Скачать (117KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Изменение оптической плотности при длине волны 550 нм в процессе гелеобразования золя-прекурсора ЦТС, полученного золь–гель методом на основе различных дисперсионных сред и осаждающих агентов: МЭ + H2Oдист (а), УК + ЭГ (б). Значения Н приведены в поле рисунков.

Скачать (221KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Предполагаемая принципиальная схема образования геля.

Скачать (205KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Внешний вид гелей: МЭ + H2Oдист (а). Слева направо: Н = 228, 193, 163, 131, 121, 111, 98; УК + ЭГ (б). Слева направо: Н = 79, 60, 39, 16, 8.

Скачать (1MB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимость оптической плотности перехода золь–гель от величины H: золь на основе МЭ + H2Oдист (а), (оптическое поглощение золя на 5-й минуте формирования геля), золь на основе УК+ЭГ (б) (оптическое поглощение золя на 25-й минуте формирования геля).

Скачать (125KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Изменение средних размеров частиц в процессе гелеобразования золя-прекурсора ЦТС, полученного золь–гель методом на основе различных дисперсионных сред и осаждающих агентов: МЭ + H2Oдист (а), УК + ЭГ (б). Значения Н приведены в поле рисунков.

Скачать (184KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Изменение динамической вязкости в процессе гелеобразования золя-прекурсора ЦТС, полученного золь-гель методом на основе различных дисперсионных сред и осаждающих агентов: МЭ + H2Oдист (а), УК + ЭГ (б). Значения Н приведены в поле рисунков.

Скачать (207KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».