Lead-free smart materials based on alkali metal niobates: phase formation, crystal structure, macroscopic responses

Svetlana I. Dudkina; Denis I. Zorin; Ekaterina V. Glazunova; Lidiya A. Shilkina; Inna N. Andryushina; Konstantin P. Andryushin; Ilya A. Verbenko; Larisa A. Reznichenko

doi:10.17308/kcmf.2026.28/13565

Авторы

Светлана Ивановна Дудкина Научно-исследовательский институт физики Южного федерального университета, пр. Стачки, 194, Ростов-на-Дону 344090, Российская Федерация
Денис Игоревич Зорин Научно-исследовательский институт физики Южного федерального университета, пр. Стачки, 194, Ростов-на-Дону 344090, Российская Федерация
Екатерина Викторовна Глазунова Научно-исследовательский институт физики Южного федерального университета, пр. Стачки, 194, Ростов-на-Дону 344090, Российская Федерация , Комплексный научно-исследовательский институт им. Х. И. Ибрагимова РАН, пр. В. Алиева (Старопромысловое шоссе) 21а, Грозный 364020, Чеченская республика, Российская Федерация
Лидия Александровна Шилкина Комплексный научно-исследовательский институт им. Х. И. Ибрагимова РАН, пр. В. Алиева (Старопромысловое шоссе) 21а, Грозный 364020, Чеченская республика, Российская Федерация , Научно-исследовательский институт физики Южного федерального университета, пр. Стачки, 194, Ростов-на-Дону 344090, Российская Федерация
Инна Николаевна Андрюшина Научно-исследовательский институт физики Южного федерального университета, пр. Стачки, 194, Ростов-на-Дону 344090, Российская Федерация
Константин Петрович Андрюшин Научно-исследовательский институт физики Южного федерального университета, пр. Стачки, 194, Ростов-на-Дону 344090, Российская Федерация , Комплексный научно-исследовательский институт им. Х. И. Ибрагимова РАН, пр. В. Алиева (Старопромысловое шоссе) 21а, Грозный 364020, Чеченская республика, Российская Федерация
Илья Александрович Вербенко Научно-исследовательский институт физики Южного федерального университета, пр. Стачки, 194, Ростов-на-Дону 344090, Российская Федерация
Лариса Андреевна Резниченко Научно-исследовательский институт физики Южного федерального университета, пр. Стачки, 194, Ростов-на-Дону 344090, Российская Федерация

DOI:

https://doi.org/10.17308/kcmf.2026.28/13565

Ключевые слова:

бесссвинцовая пьезокерамика, ниобаты щелочных металлов, твердые растворы, межфазные границы, механоактивация, горячее прессование

Аннотация

Цель статьи: В мировой практике исследований различных материалов для устройств пьезотехники одно из первых мест занимают функциональные (интеллектуальные) материалы на основе свинецсодержащих композиций. Однако переход к экологически чистой продукции, обусловленный формированием новой Российской и Европейской законодательных баз, заставил искать другие материаловедческие решения путём исключения свинца из элементной базы материалов. Альтернативой известным композициям выступили твердые растворы на основе ниобатов щелочных металлов из морфотропных гетерофазных областей соответствующих бинарных и тройных систем, характеризующиеся экстремальностью свойств вблизи межфазных границ. Но они не нашли широкого применения в практике из-за трудностей фазообразования при синтезе и формирования плотного керамического каркаса при спекании.

Экспериментальная часть: В работе с использованием ранее не применяемых в таких средах процедур механоактивации и горячего прессования удалось получить бессвинцовые нетоксичные сегнетопьезокерамики с улучшенными макрооткликами за счет трансформации областей сосуществования фаз.

Выводы: В результате исследований разработаны и созданы разночастотные материалы, в том числе, с повышенной температурой Кюри, пьезочувствительностью, термостабильностью и пироэффектом для различных пьезотехнических применений

Скачивания

Данные по скачиваниям пока не доступны.

Биографии авторов

Светлана Ивановна Дудкина, Научно-исследовательский институт физики Южного федерального университета, пр. Стачки, 194, Ростов-на-Дону 344090, Российская Федерация

с. н. с. отдела интеллектуальных материалов и нанотехнологий НИИ физики Южного федерального университета (Ростов-на-Дону, Российская Федерация)
Денис Игоревич Зорин, Научно-исследовательский институт физики Южного федерального университета, пр. Стачки, 194, Ростов-на-Дону 344090, Российская Федерация

аспирант, лаборант-исследователь отдела интеллектуальных материалов и нанотехнологий НИИ физики Южного федерального университета (Ростов-на-Дону, Российская Федерация)
Екатерина Викторовна Глазунова, Научно-исследовательский институт физики Южного федерального университета, пр. Стачки, 194, Ростов-на-Дону 344090, Российская Федерация, Комплексный научно-исследовательский институт им. Х. И. Ибрагимова РАН, пр. В. Алиева (Старопромысловое шоссе) 21а, Грозный 364020, Чеченская республика, Российская Федерация

к. ф.-м. н., н. с. отдела интеллектуальных материалов и нанотехнологий НИИ физики Южного федерального университета (Ростов-на-Дону, Российская Федерация)
Лидия Александровна Шилкина, Комплексный научно-исследовательский институт им. Х. И. Ибрагимова РАН, пр. В. Алиева (Старопромысловое шоссе) 21а, Грозный 364020, Чеченская республика, Российская Федерация, Научно-исследовательский институт физики Южного федерального университета, пр. Стачки, 194, Ростов-на-Дону 344090, Российская Федерация

с. н. с. отдела интеллектуальных материалов и нанотехнологий НИИ физики Южного федерального университета (Ростов-на-Дону, Российская Федерация)
Инна Николаевна Андрюшина, Научно-исследовательский институт физики Южного федерального университета, пр. Стачки, 194, Ростов-на-Дону 344090, Российская Федерация

к. ф.-м. н., с. н. с. отдела интеллектуальных материалов и нанотехнологий НИИ физики Южного федерального университета (Ростов- на-Дону, Российская Федерация)
Константин Петрович Андрюшин, Научно-исследовательский институт физики Южного федерального университета, пр. Стачки, 194, Ростов-на-Дону 344090, Российская Федерация, Комплексный научно-исследовательский институт им. Х. И. Ибрагимова РАН, пр. В. Алиева (Старопромысловое шоссе) 21а, Грозный 364020, Чеченская республика, Российская Федерация

д. ф.-м. н., вед. н. с. отдела интеллектуальных материалов и нанотехнологий НИИ физики Южного федерального университета (Ростов-на-Дону, Российская Федерация)
Илья Александрович Вербенко, Научно-исследовательский институт физики Южного федерального университета, пр. Стачки, 194, Ростов-на-Дону 344090, Российская Федерация

д. ф.-м. н., директор НИИ физики Южного федерального университета (Ростов-на-Дону, Российская Федерация)
Лариса Андреевна Резниченко, Научно-исследовательский институт физики Южного федерального университета, пр. Стачки, 194, Ростов-на-Дону 344090, Российская Федерация

д. ф.-м. н., профессор, заведующая отделом интеллектуальных материалов и нанотехнологий НИИ физики Южного федерального университета (Ростов-на-Дону, Российская Федерация)

Библиографические ссылки

1. Mikhailin Yu. A. Intelligent Materials. Polymer Materials. Products. Equipment. Technologies*. 2004; 8 (63): 6–8. (in Russ.)

2. List of Pollutants Subject to State Regulation in the Field of Environmental Protection*. Approved by Decree of the Government of the Russian Federation of July 8, 2015, No. 1316-R. (in Russ.)

3. On Amendments to the Federal Law “On Environmental Protection” and Certain Legislative Acts of the Russian Federation*. Federal Law of July 21, 2014, No. 219-FZ. (in Russ.)

4. Strategy for the Scientific and Technological Development of the Russian Federation*. Approved by Criminal Code of the President of the Russian Federation of December 1, 2016, No. 642. (in Russ.)

5. Directive 2002/95/EU of the European Parliament and of the Council of 27 January 2003 on the restriction of the use of certain hazardous substances in electronic equipment. Official Journal of the European Union L. 37. 2003;46: 19–23.

6. Directive 2011/65/EU of the European Parliament and of the Council of 8 June 2011 on the restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment. Official Journal of the European Union. L. 174. 2011;54: 88–110.

7. Saito Y., Takao H., Tani T., Tatsuhiko N., Kazumasa T., Takahiko H., Toshiatsu N., … Masaya N. Lead-free piezoceramics. Nature. 2004;432: 84–87. https://doi.org/10.1038/nature03028

8. Zhang S., Lee H. J., Ma C., Tan X. Sintering effect on microstructure and properties of (K,Na)NbO3 ceramics. Journal of the American Ceramic Society. 2011;94: 3659–3665. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2011.04833.x

9. Liu L. J., Huang Y. M., Li Y. H., … Thi M. P. Orthorhombic to tetragonal structural phase transition in Na0.5K0.5NbO3-based ceramics. Materials Letters. 2012;68: 300–302. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2011.10.103

10. Bomlai P. Sintering, microstructure and electrical properties of MnO2 and CuO doped [Na0.515K0.485]0.94Li0.06(Nb0.99Ta0.01)O3 ceramics. Advanced Materials Research. 2013;770: 258. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.770.258

11. Koruza J., Bell A. J., Frömling T., Webber K. G., Wang K., Rödel J. Requirements for the transfer of lead-free piezoceramics into application. Journal of Materiomics. 2018;4: 13–26. https://doi.org/10.1016/j.jmat.2018.02.001

12. Zhang Y., Li M., Yang S., Zhai J. Low-temperature sintering of KNN-based lead free ceramics. Solid State Communications. 2021;324: 114133. https://doi.org/10.1016/j.ssc.2020.114133

13. Zhao Y., Liu J., Yan D. Improved piezoelectric and strain performance of Na2B4O7-doped (Li,K,Na)NbO3 leadfree piezoceramics. Journal of Materials Science. 2019;54: 1126–1135. https://doi.org/10.1007/s10853-018-2906-z

14. Yu Z., Chen X., Su Y., … Liu P. Hot-press sintering K0.5Na0.5NbO3–0.5 mol % Al2O3 ceramics with enhanced ferroelectric and piezoelectric properties. Journal of Materials Science. 2019;54: 13457–13466. https://doi.org/10.1007/s10853-019-03850-9

15. Ponomarev S. G., Smirnov A. V., Reznichenko A. V., … Solov’ev I. S. Vibrocompaction of lead-free piezoceramic material based on solid solutions of potassium and sodium niobates. Glass and Ceramics. 2019;(9): 31–36. https://doi.org/10.1007/s10717-020-00197-5

16. Shi W., Du J., Zhai Y., … Fu P. Intrinsic and extrinsic dielectric contributions to the electrical properties in CaZrO3-doped KNN-based electrical/optical multifunctional ceramics. Journal of Materials Science. 2020;55: 5741–5749. https://doi.org/10.1007/s10853-020-04444-6

17. Lu Y., Zhang J., Zhou K., He L. Capacitive energy storage performance of lead-free sodium niobate-based antiferroelectric ceramics. Journal of Materials Science. 2023;58: 11886–11893. https://doi.org/10.1007/s10853-023-08769-w

18. Reznichenko L. A., Shilkina L. A., Razumovskaya O. N., Dudkina S. I., Gagarina E. S., Borodin A. V. Dielectric and piezoelectric properties of NaNbO3-based solid solutions. Inorganic Materials. 2003;39(2): 139–151. https://doi.org/10.1023/a:1022194512814

19. Verbenko I. A., Reznichenko L. A. Lead-free ferroelectric ceramics based on alkali metal niobates: History, Technology, and Prospects. Physics of Lead-Free Piezoactive and Related Materials. (Analysis of the Current State and Development Prospects): Proceedings of the Second International Youth Symposium, September 6–7, 2013, Rostovon-Don – Tuapse. Rostov-on-Don: Publishing House of the SKNC HSE SFedU APSN; 2013. Issue 2, Vol. 1. pp. 52–64. (in Russ.)

20. Fesenko E. G. The perovskite family and ferroelectricity*. Moscow: Atomizdat Publ.; 1972. 248 p. (in Russ.)

21. IEEE Standard on Piezoelectricity ANSI/IEEE Std. 176-1987. New-York: IEEE; 1988. https://doi.org/10.1109/IEEESTD.1988.79638

22. Okazaki K. Ceramic engineering for dielectrics. Tokyo: Gakken Sha Publishing Co. Ltd; 1969. 332 p.

23. Dantsiger A. Ya., Razumovskaya O. N., Reznichenko L. A., … Rybyanets A. N. Multicomponent systems of ferroelectric complex oxides: physics, crystal chemistry, and technology. Aspects of piezoelectric materials design*. Vol. 1, 2. Rostov-on-Don: MP “Kniga” Publ.; 2001-2002. 800 p. (in Russ.)