7 сентября в МИЭТе прошла необычная лекция. Материал оказался непростым для понимания по двум причинам: тема с загадочным названием – «разработка электро- и магнитострикционных материалов методом гидротмермального синтеза» и лектор из Индии Рэй Радхечьям. О чём было выступление, читайте в нашей статье.

Фото: Никита Потримайло

Начнём с того, что работает доцент Радхечьям не один. Над исследованием вот уже два года трудятся команды из двух стран – Индии и России. В каждой – по семь человек, Рэй руководит одной из них. К слову, гидротермальный способ синтеза был предложен именно индийской командой учёных – но об этом немного позже. И да, мы совершенно забыли упомянуть, что лекция прошла на английском языке.

Press F for Ferro

Перед тем, как приступить к материалу лекции, обратимся к основным терминам и понятиям. Существует несколько видов «ферро»-упорядоченных (с лат. ferrum – железо, – прим. автора) веществ. Это ферромагнетики, сегнетоэлектрики и сегнетоэластики. Главная их особенность в том, что в определённом промежутке температур они изменяют свою кристаллическую решётку, а это, в свою очередь, даёт полезные эффекты. Ферромагнетики, например, способны намагничиваться при отсутствии внешнего магнитного поля и имеют высокую магнитную восприимчивость. Сегнетоэлектрики способны обладать спонтанной поляризаций без внешнего электрического поля. В зависимости от температуры, у сегнетоэлектриков изменяется относительная диэлектрическая проницаемость, которая в точке фазового перехода (вещество получает энергию, равную его удельной теплоемкости) может достигать очень больших значений (десятки тысяч и выше). Сегнетоэластики, в свою очередь, спонтанно деформируются при фазовом переходе вещества. Важными свойствами материалов также являются магнито-  и электрострикция – способность вещества изменять свои размеры и объём под действием магнитного и электрического полей соответственно.

Главным объектом исследования являются «мультиферроики» – вещества, которые обладают несколькими видами ферро-упорядочения одновременно. Чаще всего рассматривается сочетание магнитных и электрических качеств материала. При их взаимодействии у материала появляются новые свойства. Первое – это магнитоэлектрический эффект: магнитное поле вызывает поляризацию, а электрическое – намагниченность. Второе – магнитодиэлектрический эффект: магнитное поле изменяет диэлектрическую проницаемость вещества.

От теории к практике

На лекции Рэй рассказал про все вышеупомянутые понятия, про материалы своего исследования, их синтез и практическое применение. Основными изучаемыми материалами являются титанат бария BaTiO3 и перспективный феррит висмута BiFeO3. Существует несколько способов синтеза феррита висмута, мы же рассмотрим два из них.

В классическом способе оксид висмута BiO3 и оксид железа Fe2O3 смешиваются и измельчаются в соотношении 1:1. Затем смесь проходит процесс кальцинации – обжига при высокой температуре (900°С) в течение 6 часов. Потом смесь спрессовывают в таблетки диаметром 10 миллиметров. Заключительный этап – спекание таблеток при температуре 950°С в течение 3 часов для уплотнения материала.

В гидротермальном способе иная методика. Ацетаты бария и кальция (Ba(CH3COO)2 и Ca(CH3COO)2) и оксид титана TiO2 смешиваются в дистиллированной воде в тефлоновой банке. Потом смесь проходит гидротермальную обработку (нагревание в водной среде под высоким давлением) при температуре от 100°С до 150°С в течение 22 часов. Полученный образец несколько  раз промывается при помощи ультразвука и центрифуги, а затем высушивается. При разной температуре печи на выходе получаются образцы с разной зернистостью. Зернистость влияет на температуру фазового перехода вещества, а следовательно, на его электро- и магнитострикционные свойства. В конце наночастицы спрессовывают в таблетки, как и в классическом способе.

Применяются полученные материалы в магнитострикционныхпреобразователях, приводах и различных сенсорах. Датчики момента, силы, деформации, вибрации, шума. Такие сенсоры могут применяться и в медицине. Создать сенсор на основе исследований – финальная цель исследовательской группы. 

Выражаем благодарность  доценту института ПМТ Максиму Викторовичу Силибину за помощь в написании статьи.

Александр Луканов