Введение к работе
Актуальность темы исследования и степень ее разработанности. Среди
материалов, представляющих интерес в пьезоэлектронике, технической акустике,
мехатронике и смежных областях, можно выделить пьезоактивные композиты
(пьезокомпозиты). Пьезокомпозит – композиционный материал, состоящий из
двух или более компонентов, различающихся по химическому составу и
физическим свойствам, с чётко выраженными границами раздела между
компонентами, причём как минимум один из компонентов является пьезоэлектрическим [1]. Электромеханические (т.е. упругие, пьезо- и диэлектрические) свойства и родственные электрофизические параметры пьезокомпозита существенно зависят от электромеханических взаимодействий в нём, от его микрогеометрии и от свойств компонентов. При варьировании объёмных концентраций компонентов, микрогеометрии и при определённых технологических условиях удаётся получать новые пьезокомпозиты, отдельные свойства или параметры которых превосходят аналогичные свойства (параметры) того или иного компонента.
В последние десятилетия наибольшее распространение получили
пьезокомпозиты на основе сегнетопьезокерамики (СПК) с различными
микрогеометрическими характеристиками и связностями [1, 2]. Пьезокомпозиты
«СПК – полимер» находят применения в качестве активных элементов
акустических преобразователей, гидрофонов, пьезоэлектрических актюаторов,
сенсоров и других устройств [2]. Поиск оптимальных электромеханических
свойств, прочностных, частотных, акустических и других характеристик
материалов, применяемых в пьезотехнике, гидроакустике, неразрушающей
дефектоскопии, медицинской диагностике и других областях, привел к созданию
различных двухкомпонентных композитов, включая «СПК – СПК»,
«сегнетоэлектрический кристалл – СПК». Однако в литературе практически отсутствуют подробные экспериментальные данные по электромеханическим свойствам и родственным параметрам трёхкомпонентных композитов на основе СПК.
Особое место среди пьезокомпозитов занимают пористые материалы на
основе СПК типов ЦТС, PZT, ПКР и др. Такие пористые материалы
характеризуются высокими значениями гидростатических (объёмных)
коэффициентов пьезочувствительности, большими параметрами приёма и анизотропией пьезомодулей d3*j [3]. Эти и другие параметры способствуют
использованию пористых пьезоэлектрических материалов в качестве активных элементов приборов гидроакустики и дефектоскопии. Однако пористые материалы на основе СПК обладают рядом недостатков, что ограничивает применение пористых пьезоэлементов в пьезотехнике и других областях. Например, хрупкость пористой СПК матрицы делает проблематичным применение композитов типа «СПК – воздух» на больших глубинах в гидроакустических приборах и устройствах [4]. Формирование сквозных каналов из крупных пор внутри СПК среды приводит к невозможности создания
качественных электродов по технологии нанесения серебросодержащей пасты на
образцы определенных геометрических размеров для высокочастотных датчиков
неразрушающей дефектоскопии. Упомянутые выше недостатки могут быть
преодолены при создании пьезокомпозитов «СПК – полимер» и «СПК –
пьезопассивная керамика». Однако для этих материалов в литературе имеются
ограниченные экспериментальные данные по их свойствам, важным при
прогнозировании ряда электрофизических параметров для конкретных
пьезотехнических применений.
Настоящие диссертационные исследования являются составными частями исследований в рамках следующих НИР НКТБ «Пьезоприбор» (Институт высоких технологий и пьезотехники) Южного федерального университета:
– научный проект в рамках проектной части госзадания Минобрнауки РФ
«Создание комплекса, последовательно связанных между собой инновационных,
экологически чистых технологий, включающих: низкотемпературные способы
изготовления нано- и ультрадисперсных порошков сегнетофаз, технологии
изготовления пьезокерамики и активных элементов пьезокомпозиционных
материалов нового поколения, а также технологии изготовления на их основе
пьезоэлементов, предназначенных для создания нового поколения
пьезопреобразователей современных акустических и электромеханических систем, использующихся в различных областях науки и техники» (задание № 11.1627/2017/ПЧ, рег. номер НИОКТР АААА-А17-117031410023-5);
– комплексный проект «Разработка и создание высокотехнологичного производства мобильного гидроакустического комплекса освещения обстановки в различных акваториях Мирового океана на основе современных пьезоэлектрических средств нового поколения» (Минобрнауки РФ, Договор № 03.G25.31.0276 от 29.05.2017).
Приведенные выше аргументы показывают, что проблема получения новых
двух- и трёхкомпонентных пьезокомпозитов и исследования их
электромеханических свойств, способных составить конкуренцию известным монолитным и пористым пьезоэлектрическим материалам, является актуальной.
Цель диссертационной работы – получение новых двух- и
трёхкомпонентных пьезокомпозитов на основе СПК типа ЦТС, обладающих значительной пьезочувствительностью в полярном направлении, стабильностью резонансных частот в заданных концентрационных интервалах и представляющих интерес для применений в акустических преобразователях.
Для достижения цели диссертационной работы решались следующие задачи:
– разработка технологических приемов получения новых двух- и трехкомпонентных пьезокомпозитов «СПК – полимер», «СПК – пьезопассивная керамика», «СПК – полимер – воздух», «СПК – пьезопассивная керамика – воздух»;
– исследование эффективных электромеханических свойств,
пьезочувствительности, параметров анизотропии и акустических характеристик полученных пьезокомпозитов в зависимости от объёмной концентрации
пьезопассивных компонентов, а также анализ роли воздушных пор и
микрогеометрии при формировании пьезоэлектрического отклика
пьезокомпозитов;
– прогнозирование эффективных электромеханических свойств и
родственных параметров пьезокомпозитов в широком интервале объёмных концентраций компонентов с целью разработки оптимальных рецептур при получении новых пьезокомпозитов на основе СПК.
Объекты исследований. Объектами исследований являются
пьезокомпозиты «СПК – полимер – воздух» со связностью типа 0–3 и «СПК – пьезопассивная керамика – воздух» со связностью типа 3–0. В качестве СПК используется ЦТС-19 на основе Pb(Zr, Ti)O3 со структурой типа перовскита, в качестве полимера – фторопластовый материал Ф–2МЭ, а в качестве пьезопассивной керамики – вакуумплотная корундовая керамика ВК-94-1 (22ХС). Выбор данных компонентов обусловлен тем, что для них известны полные наборы экспериментальных электромеханических констант.
Научная новизна. В диссертационной работе впервые
– использованы фторопласт Ф–2МЭ и вакуумплотная корундовая керамика ВК-94-1 в качестве пьезопассивных компонентов новых пьезокомпозитов с прогнозируемыми электромеханическими свойствами;
– экспериментально и теоретически исследованы зависимости эффективных пьезоэлектрических свойств и родственных параметров пьезокомпозитов, содержащих фторопласт Ф–2МЭ, в широком концентрационном интервале;
– экспериментально исследованы зависимости электрофизических и
акустических параметров пьезокомпозитов, содержащих вакуумплотную
корундовую керамику ВК-94-1, в интервале малых объёмных концентраций корунда (менее 20 %), и проведено прогнозирование эффективных свойств этих композитов;
– определена связь между массовой долей вакуумплотной корундовой керамики и пористостью пьезокомпозитов типа 3–0, а также обосновано влияние воздушных пор и корундовых включений на анизотропию пьезомодулей и коэффициентов электромеханической связи;
– показано, что пористая матрица корундсодержащего пьезокомпозита в значительной степени существенно влияет на концентрационные зависимости фазовых скоростей звука в данном композите и приводит к изменению этих скоростей менее чем на 10 %.
Теоретическая и практическая значимость. Экспериментальные данные
по свойствам новых пьезокомпозитов, апробированные технологические приёмы
их изготовления и результаты прогнозирования электромеханических свойств и
родственных параметров являются важными при получении новых
пьезокомпозитов для акустических преобразователей и сенсоров с улучшенными параметрами анизотропии, с высокой пьезочувствительностью, со значительными коэффициентами электромеханической связи и другими параметрами. Результаты [A6] использованы в монографии [5] по микрогеометрии и пьезочувствительности пьезокомпозитов, имеется цитирование [A6] в главах 1 и 2 [5].
В Акте внедрения результатов настоящей диссертации (НКТБ «Пьезоприбор» ЮФУ, 04.09.2018 г.) отмечено, что применение технологических приёмов и методов прогнозирования свойств из диссертационной работы при получении в НКТБ «Пьезоприбор» ЮФУ новых композитов позволило повысить их пьезокоэффициент g3*3 на 20%, коэффициент электромеханической связи к* на 10-15%, фактор анизотропии пьезомодулей d*3j на 20-30%, гидростатический пьезомодуль 4 на 15%. Диссертационные материалы, связанные с работами [А1, А3], используются в учебном процессе, в рамках дисциплины «Элементная база пьезоэлектрического приборостроения» (магистратура по направлению 12.04.01 «Приборостроение», Институт высоких технологий и пьезотехники ЮФУ).
Методология и методы исследования. Исследования электрофизических параметров пьезокомпозитов проведены в соответствии с действующими ГОСТами и ОСТами на пьезоэлементы и пьезоматериалы. Измерения основных параметров проведены методом резонанса-антирезонанса, измерения продольного пьезомодуля d33 осуществлены в квазистатическом режиме, измерения плотности
образцов р* проведены геометрическим методом с учетом результатов взвешивания. Прогнозирование эффективных свойств пьезокомпозитов проведено в рамках метода эффективного поля, матричного метода [1, 3] и других методов микромеханики неоднородных электроупругих сред.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Пьезокомпозиты типа 0-3 «сегнетопьезокерамика ЦТС-19 - фторопласт
Ф-2МЭ - воздух» в интервале объёмных концентраций фторопласта 0,05< тр1<
0,50 характеризуются немонотонным поведением диэлектрической
проницаемости є*33 и значительной пьезочувствительностью (g*33 « (42,2 … 67,5)
мВм / Н, |g3* 1| ~ (15,3 … 24,1) мВм / Н), что обусловлено эволюцией микрогеометрии пьезокомпозитов и присутствием в них системы воздушных пор.
2. Для пьезокомпозитов типа 3-0 «сегнетопьезокерамика ЦТС-19 -
вакуумплотная корундовая керамика ВК-94-1 - воздух» при объёмных
концентрациях корундовой керамики 0,05 < тс < 0,18 установлено, что
а) формирование изолированной пористости образцов и зеркальное
поведение объёмных концентраций корунда и пор наблюдаются при
значительной разности коэффициентов усадки сегнетопьезокерамики и корунда;
б) в присутствии корунда со значительными модулями упругости
достигаются относительно большой пьезомодуль композита
Н и анизотропия пьезомодулей d*3 I \d*31\ * 2,97 … 3,90 при толщинном и
планарном коэффициентах электромеханической связи *> 0,52 … 0,58 и |**| «
0,20 … 0,41 соответственно.
3. Значительная стабильность резонансных (fr, frt) и антирезонансных (fa, fat)
частот композита «сегнетопьезокерамика ЦТС-19 - корундовая керамика -
воздух» при 0,05 <тс<0,18 обусловлена коррелированным изменением плотности
ff, упругой податливости s*f и модуля упругости с*? в условиях примерного равенства объёмных концентраций корунда и воздушных пор.
Степень достоверности и апробация работы. Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается:
- использованием современного поверенного технологического и
измерительного оборудования;
- использованием стандартизированных методов измерения
электрофизических параметров пьезоэлектрических материалов и элементов в
строгом соответствии с действующей нормативно-технической документацией;
- соответствием результатов проведенных исследований фундаментальным
теоретическим положениям, касающимся эффективных свойств пьезокомпозитов,
их микрогеометрии и свойств отдельных компонентов;
- согласием между расчётными (модельными) и экспериментальными
данными при применении различных методов прогнозирования эффективных
свойств пьезокомпозитов с различными связностями.
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на XXI и XXV Научных конференциях «Современные информационные технологии: тенденции и перспективы развития» (г. Ростов-на-Дону, Россия, 2014 и 2018 г.г.), на II Международной молодежной научной конференции «Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения» (г. Ростов-на-Дону, Россия, 2015 г.), на Международных конференциях “Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications” - PHENMA 2015 (г. Азов, Ростовская обл., Россия, 2015 г.), “Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications” - PHENMA 2016 (г. Сурабая, Индонезия, 2016 г.), “Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications” - PHENMA 2018 (г. Пусан, Республика Корея, 2018 г.), на 9 (14)-м Международном семинаре по физике сегнетоэластиков - ISFP 9 (г. Воронеж, Россия, 2018 г.).
Публикации по теме диссертации. Всего по теме диссертации опубликованы 17 научных работ. Список основных публикаций автора содержит 10 наименований [А1-А10], в том числе пять журнальных статей [А1-А5] в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, глава коллективной монографии [A6], изданной за рубежом, и четыре публикации в сборниках трудов научных конференций [А7-А10].
Личный вклад автора. Все основные результаты диссертационной работы получены лично автором. Автор непосредственно участвовал в планировании исследований, в выборе объектов исследований, в разработке технологии изготовления новых пьезокомпозитов, в проведении измерений их электрофизических параметров, в интерпретации результатов и в прогнозировании эффективных параметров полученных пьезокомпозитов. Соавторами публикаций являются д.ф.-м.н., проф. Тополов В.Ю., д.т.н., проф. Панич А.Е., к.т.н. Филиппов С.Е., Воронцов А.А. и Брыль О.Е. (ЮФУ, г. Ростов-на-Дону).
Тема диссертационной работы предложена Тополовым В.Ю. Он осуществлял научное руководство, участвовал в прогнозировании свойств и других параметров пьезокомпозитов, в обсуждении и интерпретации экспериментальных результатов. Панич А.Е., Филиппов С.Е., Воронцов А.А. принимали участие в разработке технологических приёмов получения новых пьезокомпозитов и в обсуждении полученных экспериментальных результатов. Брыль О.Е. участвовала в исследовании микрогеометрии пьезокомпозитов.
Объём и структура работы. Объём диссертации - 123 страницы, включая 25 рисунков и 19 таблиц. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 102 наименований и четырёх приложений.