Современная индустрия электроники, робототехники и телекоммуникаций требует материалов с безупречными характеристиками. Особое место среди них занимает титанат бария, широко используемый при производстве высокотехнологичной керамики для различных устройств. Сложности, связанные с контролем качества такой керамики, долгие годы оставались преградой на пути её совершенствования. Однако исследовательские коллективы из Красноярска и Новосибирска не только нашли способ определять остаточные деформации в керамике на основе титаната бария, но и заложили основы для точного контроля её физико-химических свойств. Их изобретение обещает перевернуть подходы в этой области, открывая большие перспективы для внедрения инновационных решений в промышленности.
Титанат бария: основа высокотехнологичной керамики
Титанат бария — это уникальный кристаллический материал, обладающий высокой диэлектрической проницаемостью. Благодаря этим свойствам он незаменим в производстве керамики для электроники, радиотехники и множества других промышленных сфер. Такой материал используется для создания конденсаторов, датчиков, позисторов, высокоточных электроакустических приборов, устройств, регистрирующих ультразвук, а также изолирующих пленок для электронных компонентов. Применение керамики на основе титаната бария растет с каждым годом, ведь именно она обеспечивает надежную работу множества ключевых устройств современной техники.
В производстве керамики для этих целей из титаната бария формируют порошковые заготовки, которые затем прессуют в твердые «таблетки». Однако такой процесс приводит к ряду проблем: после прессовки внутри материала возникают остаточные деформации, что напрямую влияет на ключевые электрические свойства керамики. Восстановить исходную структуру можно путем специального термического отжига, но до недавнего времени ученые не имели в распоряжении инструментов для точного контроля этого процесса и оценки сохранности свойств материала после обработки.
Проблемы деформаций и новый подход к их выявлению
Одной из главных сложностей, возникающих при изготовлении керамики из титаната бария, является появление скрытых деформаций после прессования. Такие микроскопические изменения способны существенно снизить эффективность будущих изделий, что особенно ощутимо при эксплуатации высокочувствительных электронных и акустических устройств. Определить остаточные деформации стандартными методами долго было невозможно, что ставило под угрозу надежность даже самых высокотехнологичных товаров.
Команды ученых из числа сотрудников Института физики имени Л.В. Киренского Красноярского научного центра СО РАН и Института автоматики и электрометрии СО РАН (Новосибирск) совершили настоящий прорыв. Им удалось создать методику, кардинально упрощающую и ускоряющую процесс выявления остаточных деформаций в керамике на кристаллическом уровне.
Новые технологии контроля качества: спектральное картирование
Для обнаружения даже минимальных дефектов исследователи предложили использовать современный метод спектрального (или спектроскопического) картирования. Этот способ основан на анализе рассеивания света в кристаллической структуре материала. Позволяя получать изображения наиболее деформированных зон в деталях, спектральное картирование становится оперативным инструментом контроля качества выпускаемой продукции.
На практике специалисты применили спектроскопию комбинационного рассеивания света, чтобы визуализировать и количественно определить изменения в структуре прессованных образцов титаната бария. В центре метода лежит регистрация изменений в частоте выходящего света, вызванных взаимодействием излучения с молекулами вещества. Результатом становятся появляющиеся в спектре рассеяния дополнительные линии, не наблюдаемые у исходного материала. Для работы учёные построили специальную калибровочную зависимость положения спектральной линии от степени прикладываемого давления, что позволило точно оценивать величину внутренних деформаций.
Сравнивая спектры различных образцов до и после термической обработки, удалось зафиксировать, насколько полностью устранены деформации и удалось ли добиться нужных эксплуатационных свойств материала. Таким образом, анализ по спектрам позволяет проследить не только за целыми заготовками, но и локально выделить участки с нарушенной структурой, что особенно важно для сложных промышленных изделий.
Практическая ценность и универсальность нового метода
Созданное сибирскими специалистами решение стало существенным шагом вперед в вопросах контроля и предотвращения дефектов в керамике для высокотехнологичного сектора. Новый подход незаменим на этапах производства, сокращая риск выпуска бракованных изделий и позволяя проводить тонкую настройку параметров отжига. Универсальность предложенного способа обеспечивает его применимость не только для титаната бария, но и для других материалов, традиционно используемых в промышленной керамике, где необходим мониторинг остаточных изменений структуры под действием механических нагрузок.
С использованием специально построенных калибровочных кривых — своеобразных «шпаргалок» для технологов — появляется возможность стандартизировать процессы для различных производств. Вместо множества пробных циклов отжига достаточно провести спектральный анализ и сразу оценить, достигнут ли желаемый результат. Такой подход оптимизирует технологические линии, экономит ресурсы, повышает уровень автоматизации и, как следствие, расширяет потенциал внедрения российских разработок на мировом рынке.
Новые перспективы для промышленности Красноярска, Новосибирска и всей России
Впервые проблемы, связанные с остаточными деформациями в керамике из титаната бария, начали решаться не только с научной, но и с коммерческой точки зрения. Благодаря работе научных коллективов двух крупных сибирских городов, компании-производители получили в руки эффективный инструмент неразрушающего контроля качества. Это позволяет заранее выявлять неоднородности в структуре изделий, например, участки с нестабильными акустическими характеристиками, что важно для создания надежных электро- и ультраакустических приборов.
В скором времени внедрение таких методов приведет к снижению экономических потерь от брака, усилит позиции отечественных производителей на внутреннем и внешнем рынках, а также повысит рабочие стандарты безопасности и надежности оборудования во многих ключевых отраслях.
Отдельно стоит отметить, что подобные технологические прорывы не только экономят ресурсы предприятий, но и вдохновляют новое поколение инженеров и исследователей, привлекая их к работе с передовыми материалами и методиками.
Значимость научной поддержки и будущее развития методики
Воплощение столь масштабного проекта стало возможным во многом благодаря государственной поддержке, оказываемой фондам фундаментальных исследований. Инвестиции в развитие передовых технологий позволили не только создать уникальную методику, но и обеспечить её широкое применение в промышленной практике — что для Сибири, Красноярска, Новосибирска и всей страны открывает захватывающие перспективы дальнейшего развития и инновационного роста в сфере материаловедения и производства высокотехнологичной керамики.
Данное научное достижение доказывает огромный потенциал российских исследовательских команд в создании решений мирового уровня. Уверенно можно утверждать: синергия научных знаний и инженерного мастерства гарантирует выход Красноярска и Новосибирска в лидеры по созданию надежных, современных керамических материалов не только в России, но и далеко за её пределами.
Иллюстрация: электронные микрофотографии и спектры комбинационного рассеивания света для различных стадий титаната бария
Источник: scientificrussia.ru
