Инфракрасные детекторы: параметры и характеристики перспективных пироэлектрических материалов

быть различна. Наиболее простая форма пор округлая, и она меняется в зависимости от различных факторов процесса микроплазменной обработки.

В зависимости от режима процесса можно получать покрытия различной пористости [6]. Особенно на пористость оказывает влияние соотношение анодного и катодного плотностей токов. Ниже приведены микрофотографии серии образцов с оксидным покрытием, полученных при различных соотношениях плотностей тока. Пористость покрытия при этом меняется от 3,6 до 5,4 % в зависимости от соотношения анодного и катодного плотностей токов.

Как видно из рисунка 1 увеличение катодной составляющей импульса тока приводит к равномерному распределению пор и образованию пор округлой формы. При прохождении катодного импульса тока происходит подщелачивание приэлектродного слоя по катодной реакции

2Н20+ 2 в =И2+20И-

Увеличение рН электролита в порах приводит при микпроплазменном процессе к изменению геометрических размеров пор [7-9]. Также гидроксиды ионов металла под воздействием искровых пробоев гидролизуются и под воздействием высокой температуры превращается в оксиды, способствующие за-ращиванию поры и возникновению искрового разряда в «слабых» местах, тем самым обеспечивая получение однородного оксидного покрытия по толщине

по всей поверхности образца. При этом наблюдается равномерный характер распределения искровых разрядов по поверхности образца.

Для получения многофункциональных покрытий, а также уменьшения коэффициента трения в поры можно вводить полимерные и металлические материалы.

Для введения в поры металлического материала с целью уменьшения коэффициента трения можно использовать медь. Осаждение меди можно производить как химическим, так и электрохимическим методами. В качестве электролита можно использовать раствор, содержащий сульфат меди, ацетат натрия, уксусную кислоту для доведения рН раствора до 5 и 5,6, при химическом методе осаждения.

Для получения оксидно-полимерного покрытия в поры вводится полимерный материал из растворов, а также методом электростатического напыления. В качестве полимера может быть использованы полиамид, фторопласт марки Ф-32М, эпоксидная смола.

Выводы

Таким образом, методом микродугового оксидирования можно получать покрытия с различной пористостью. С целью получения покрытия с различными функциональными свойствами можно в поры вводить различные материалы: металл, полимер.

ЛИТЕРАТУРА

1. Суминов И.В., Эпельфельд А.В., Людин В.Б. и др. Микродуговое оксидирование: Теория, технология, оборудование. М.: ЭКОМЕТ, 2005. - 368 с.

2. Yerokhin A. L., Nie X., LeylandA., Matthews А., Plasma electrolysis for surface engineering// Surface and Coatings Technology, - 1999.- 122.- С. 73-93.

3. Рамазанова Ж.М., Мамаев А.И. Получение износостойких, функциональных оксидных покрытий на сплавах алюминия методом микродугового оксидирования. Физика и химия обработки материалов. 2002, №2, с.67-69.

4. Мамаев А.И., Мамаева В.А. Сильноточные процессы в растворах электролитов.- Новосибирск.: Изд. СО РАН, 2005.-255 с.

5. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография, М.: Металлургия, 1970, 375 с.

6. Будницкая Ю.Ю., Мамаев А.И., Мамаева В.А., Выборнова С.Н. Исследование влияния режимов формирования анодно-оксидных покрытий на их пористость. Перспективные материалы. 2002, №3, с.48-55.

7. Артемов И.И. Эксплуатационные материалы. Учебник для студентов вузов. Пенза, Изд.ПГУ. - 2006.

8. Евстифеев A.A. Модели минимизации направленного ущерба транспортной системы при отсутствии информации / A.A. Евстифеев, Н.А. Северцев // Вопросы теории безопасности и устойчивости систем. 2009. № 11. С. 137-145.

9. Ракоч А.Г., Дуб А.В., Бардин И.В. и др. К вопросу о влиянии комбинированных режимов на предельную толщину микродуговых покрытий // Коррозия: материалы, защита. - 2009. - № 11. - С. 3236

УДК 544.653.22

Головяшкин А.А., Головяшкин А.Н., Мартынов А.В.

ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия

ИНФРАКРАСНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ: ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Известно много диэлектрических материалов, которые обладают электрической поляризацией при отсутствии внешнего электрического поля. К таким материалам относят и пироэлектрики. Пироэлек-трики можно выделить из огромной массы обычных диэлектриков по симметричному признаку: их симметрия должна быть достаточно низкой, чтобы в кристалле осталось хотя бы одно направление, которое не меняет знака под действием поля.

Наличие полярной оси в кристалле находит свое отражение в его определенной асимметрии в расположении атомов (ионов) в кристаллической решетке - несовпадении центров тяжести положительных и отрицательных зарядов в элементарной ячейке. Существование такой спонтанной электрической поляризации приводит к появлению связанного электрического поверхностного заряда на гранях кристалла и обусловленного ими электрического поля.

Пироэлектрические материалы по особенностям своей микроструктуры разделяются на ряд групп.

Основными из них являются пироэлектрические: а) кристаллы, б) керамика, в) полимеры, г) стеклокерамика, д) композиты, е) толстые и тонкие пленки[1].

Использование параэлектриков основано на том, что происходящий в них пироэлектрический эффект

позволяет преобразовывать изменение температуры пироэлектрика, в электрические сигналы.

Активные элементы на основе пироэлектриков используются в пироэлектрических приемниках излучений, пироэлектрических преобразователях изображения, тепловизионных системах, пироэлектрических видиконах, пироэлектрических генераторах рентгеновского и нейтронного излучения, пироэлектрических преобразователях энергии, пироэлектрических датчиках ударных волн [2].

Из всего разнообразия устройств всех меньше продвинулись в модернизации пироэлектрические преобразователи энергии. Это связано с тем, что они имеют КПД гораздо ниже, чем у других термоэлектрических преобразователей (например, чем у термоэлектрических модулей на основе соединений теллурида висмута (Bi2Teз) [3]).

Из этого следует, что очень важно производить исследования в данной сфере для развития отечественной промышленности и науки. Один из путей развития пироэлектрических устройств - поиск и внедрение новых материалов для активных элементов детекторов.

Выбор пироэлектрического материала для конкретного вида устройств осуществляется с помощью анализа параметров пироэлектрического качества. Проведя этот анализ можно прогнозировать в каком

устройстве тот или иной материал будет использоваться более оптимально. Используют следующие параметры качества:

М1(Г) = MV(T) =

м;(г) =

Ра

Cv

PgCQ

Mind(T) =-

Pind

а(Г) "

(5) - ин-

где р° (Т) - пирокоэффициент, pind=SoEsd/dT дуцированный пирокоэффициент, Су - теплоемкость единицы объема, е диэлектрическая проницаемость, tg5 - тангенс угла диэлектрических потерь, а - температуропроводность.

Параметр М1 определяет чувствительность пироэлектрического элемента при работе в режиме «короткого замыкания», когда чувствительный элемент нагружен на малое внешнее сопротивление Яа . Этот критерий характеризует коэффициент преобразования пироэлектрического приемника излучения при

Параметры промышленных пироэлектрических материалов

импульсных измерениях, когда требуется высокое временное разрешение, которое достигается уменьшением постоянной времени.

Параметр Mv применяется в случаях, когда напряжение с объемного образца подается на вы-сокоимпедансный усилитель, собственные шумы которого ограничивают чувствительность детектора. Параметр Mv* аналогичен параметру Mv, однако он используется для тонкопленочных образцов.

Параметр Mind характеризует эффективность работы пироэлектрического материала в болометрическом режиме в устройствах, работа которых основана на использовании индуцированного пироэлектрического эффекта.

Параметр Mvid характеризует эффективность работы пироэлектрического материала при использовании его в качестве чувствительного элемента пировидикона.

В таблице 1 представлены параметры пироэлектрических материалов, производимых современной промышленностью.

Таблица 1

Материал pa , нКл/( см2 - К) Mv, м2/Кл Mv*, Кв/(м-К) Mvid , 106 с/Кл

ТГС 28 0.36 830 1.3

ДТГС 55 0.6 1440 1.8

ТГФБ 70 0.61 1520 1.8

АТГСА 70 0.99 2470 3

PVDF 2.7 0.1 240 1.6

LiTaO3 23 0.17 550 0.13

NaNO2 4 0.35 1130

LiNbO3 7.1 0.08 267

Анализирую данную таблицу можно найти оптимальный материалы для решения практических задач при проектировании определенных устройств.

В настоящее время большой интерес для изучения и практического применения представляют тонкие пленки ниобатов и танталатов щелочных металлов.

Из анализа выражений для этих параметров следует, что все они зависят от изменения температуры и главный вклад в эту зависимость оказывает пироэлектрический коэффициент (табл. 1).

Пироэлектрический коэффициент - это отношение изменения поляризованности диэлектрика к вызвавшему это изменение интервалу температуры. Данный коэффициент выражается через следующее равенство [4]:

= + Л^ф ,

где А - постоянные коэффициенты, ©о,Е1 - температура Дебая и Эйнштейна соответственно, О (~г) -функция теплоемкости Дебая, - функция теп-

лоемкости Эйнштейна.

Помимо значений пироэлектрических параметров необходимо учитывать их зависимость от температуры. На рисунке 1 представлены температурные зависимости пироэлектрических коэффициентов для некоторых пироэлектрических материалов

Из представленного графика видно, что наиболее линейные зависимости у ниобата и танталата лития. Пироэлектрические параметры у данных материалов будут иметь наиболее линейную зависимость от 200 К до 500 К включительно. Анализируя значения пироэлектрических параметров у Ь^ТаОз и Ь^ЫЬОз можно прийти к выводу, что эти материалы оптимальны при проектировании пироэлектрических тонкопленочных датчиков работающих в широком

диапазоне температур. Так как на активные элементы этих устройств будет воздействовать широкий градиент температур [5 - 7], при проектировании различных пироэлектрических устройств необходимо принять во внимание их стабильность при разных температурах. С этой точки зрения ниобата и танталата лития имеют наилучшие показатели. Однако их применение ограничивается высокой себестоимостью. Поэтому необходимо продолжить исследования для поиска новых материалов, которые смогли бы сочетать низкую себестоимость и высокие значения параметров и температурных показателей.

Рисунок 1 - Зависимость пирокоэффициентов различных материалов: кривая 1 - для триглицинсульфата, кривая 2 - для танталата лития, кривая 3 - для ниобата лития, 4 - для турмалина [4].

ЛИТЕРАТУРА

1. А.А. Буш, Пироэлектрический эффект и его применение. Москва, 2005.

2. И.С. Рез, Ю.М. Поплавко. Диэлектрики. Основные свойства и применения в электронике. Москва, 1989.

3. Е.С. Беспалов, А.Н. Головяшкин, А.В. Мартынов, Ф.А. Абдулин. Актуальные проблемы термоэлектричества и пути их возможного решения. Пенза, 2015.

4. Б.А. Струков. Пироэлектрические материалы: свойства и применение. Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 1998.

5. А.В. Бородин, Ю.Н. Захаров, Л.А. Резниченко, О.В. Наскалова. Новые перспективные экологически чистые сегнетокерамические материалы для пироэлектрических термометров, Ростов-на-Дону, 2002

6. Артемов И.И. Прогнозирование надёжности и длительности приработки технологического оборудования по функции параметра потока отказов / И.И. Артемов, А.С. Симонов, Н.Е. Денисова // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2010. Т. 2. С. 3-7.

7. Физические основы полупроводниковых газовых сенсоров: моногр. / И. А. Аверин, А. А. Головяш-кин, А. Н. Головяшкин и др. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2015. - 190 с.

УДК 621.318 Вергазов Р.М

Кузнецкий институт информационных и управленческих технологий госуниверситет», Пенза, Россия

ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК ТЮ2 НА РАДИОПОГЛОЩАЮЩИЕ СВОЙСТВА Ш-1п ФЕРРИТОВ

филиал) ФГБОУ ВО «Пензенский

В работе показана возможность использования поликристаллических Мп-2п-ферритов в качестве радиопоглощающих материалов в частотном интервале от 100КГц до 100МГц. Варьирование базового химического состава и газовой среды спекания и легирование ТЮ2 позволяет в широких пределах менять значения удельного электросопротивления, магнитной и диэлектрической проницаемости Мп-2п-ферритов, что позволяет расширить частотный диапазон радиопоглощения до значений от 100КГц до 100МГц. Ключевые слова:

радиопоглощающие Mn-Zn-ферриты, базовый состав, микроструктура.

Введение

К перспективным радиопоголощающим материалам относятся Ni-Zn- и Mg-Zn- ферриты [1,2], которые весьма эффективны в диапазоне частот от 30 МГц до 1 ГГц. Однако развитие техники требует разработки радиопоглощающих материалов с рабочим диапазоном в интервале от 100 кГц до 10 МГц. К таким материалам можно отнести Mn-Zn-ферриты. Основным преимуществом Mn-Zn-ферритов является высокие значения магнитной и диэлектрической проницаемостей и использование в качестве сырья недорогого оксида марганца. Коэффициент отражения электромагнитного излучения, определяемый как отношение мощности отраженного излучения к падающей мощности, в значительной степени зависит от интерференционных процессов и процессов поглощения электромагнитного излучения в результате резонансных явлений в феррите [3]. Высокие значения магнитной и диэлектрической проницае-мостей Mn-Zn-ферритов позволяет на несколько порядков уменьшить длину электромагнитной волны в феррите, что обеспечивает интерференционный минимум отражения в интервале частот от 100КГц до 10 МГц при толщине ферритовых пластин менее 10 мм. Наряду с ферримагнитным резонансом и резонансом доменных стенок, важную роль играют диэлектрические потери на радипоглощающие свойства ферритов [4].

Известно, что кажущаяся диэлектрическая проницаемость ферритов во многом определяется соотношением электропроводности зерен и границ зерен [5]. Микроструктура, состоящая из зерен с определенной электропроводностью, изолированных диэлектрическими границами зерен, характеризуется высокими значениями электроемкости и обеспечивает повышенные значения диэлектрической проницаемости. Этим объясняется сочетание высоких значений магнитной и диэлектрической прони-цаемостей Mn-Zn-ферритов. Исследования показали, что для увеличения диэлектрической проницаемости в Mn-Zn-ферритах можно использовать в качестве легирующей добавки оксида титана. Это связано с формированием крупнозернистой структуры с зернограничной прослойкой с высокой диэлектрической проницаемостью при спекании, обусловленное добавками [6-8].

Методика эксперимента

Исследования проводились на Mn-Zn-ферритах, полученных по керамической технологии. Смесь исходных оксидов после 3 часового измельчения в вибрационной мельнице М-10 прокаливали при 9600С. Полученную шихту 3 часа измельчали в вибрационной мельнице М-10. В измельченную шихту вводили связку в виде 10 % раствора поливинилового спирта с последующим гранулированием смеси протиркой через сетку 0,315 мм. Из гранулированного порошка прессовали на гидравлическом прессе кольцевые заготовки К16х7х6 мм под давлением 200 МПа. Спекание проводили при температуре 13000С в туннельной печи «Гипербола» с регулируемой атмосферой азота и кислорода. Спеченные заготовки шлифовали по высоте, внутреннему и наружному диаметрам с целью обеспечения требуемых геометрических размеров.

Всего было изготовлены четыре партии, отличающиеся составами и газовыми режимами спекания в печи «Гипербола». Состав первой и второй партий отличался избытком оксида железа сверх стехиометрии и соответствовал формуле Mno.602Zno.274Feo.l24Fe2O4. Состав третьей и четвертой партий соответствовал стехиометрии согласно формуле Mno.64l Zno.з59 Fe2O4.

Первая и третья партии не содержали добавок. Вторая и четвертая партии были легированы диоксидом титана Т^2.

Измерения частотной зависимости действительной и мнимой составляющих диэлектрической проницаемости, коэффициента отражения от образцов в диапазоне частот 0.1 ^ 330 МГц проводились на лабораторном стенде, на базе измерителя комплексных коэффициентов передачи "0бзор-103", сопряженного с компьютерной системой регистрации и обработки сигнала. Кольцевые образцы, размещенные на кольцевой металлической пластине, помещались в коаксиальную измерительную ячейку сечением 16х6.95 мм, согласованную с коаксиальным измерительным трактом и включенную в режим измерения ослаблений (пропускания). Тракт обеспечивает распространение волны ТЕМ-моды. Достоверность измерений амплитуды и фазы ослабленного сигнала проверялась включением набора фиксированных аттенюаторов, эталонных нагрузок или эталонных отрезков линии соответствующего частотного диапазона.

Котр,

-5 -10 -15 -20 •ч

\ I у'

\ У

» / /

1 < /

-30 \ X  /

2Ч-

100

1000

10000

Частота, КГц

Рисунок 1 - Частотная зависимость коэффициента

отражения мощности от поверхности феррита Mno.602Zno.274Feo.l24Fe2O4 партий 1

Повышенная электропроводность ферритов обусловлена наличием ионов Ге2 + , вносящих вклад в прыжковый механизм. Ведение оксида титана приводит к увеличению удельного электросопротивления. Увеличение удельного электросопротивления объясняется тем, что ионы ^4+ образуют устойчивые пары с ионами Ге2+. В результате уменьшается длина электромагнитной волны в ферритовом материале, что смещает частоту интерференционного минимума отраженных волн в область низких частот. Полученные данные подтверждают возможность применения Mn-Zn-ферритов в качестве ра-диопоглощающих материалов в интервале частот от 100 КГц до 100 МГц.