Введение к работе
Актуальность темы. Гетерогенные сегнетоактивные материалы вызывают большой интерес как материалы, обладающие важными физическими свойствами, способными изменяться под влиянием внешних воздействий и других факторов. К гетерогенным сегнетоактивным материалам относятся полидоменные и гетерофазные кристаллы сегнетоэлектриков, сегнетопьезокерамики (СПК) или поликристаллические сегнетоэлектрики, поликристаллические сегнетоэлектрические пленки, композиты на основе сегнетоэлектриков и т.д. [1, 2]. Структурное многообразие, зависимость физических свойств от микроструктуры, доменной структуры, состава компонентов, особенностей микрогеометрии присущи большинству гетерогенных сегнетоактивных материалов [1]. В композитах, содержащих сегнетоэлектрические компоненты, последние часто также являются гетерогенными (например, полидоменные кристаллы или СПК), а изменение их свойств может существенно влиять на эффективные свойства и многие параметры композитов. Композиты на основе СПК с различными связностями интенсивно исследуются и совершенствуются на протяжении последних десятилетий [3, 4]. В последние годы исследуются композиты на основе кристаллов твердых растворов релаксоров-сегнетоэлектриков (1 - jc)Pb(Mgi/3 №>2/з)03 - jcPbTi03 (PMN-jcPT) или (1 -j)Pb(Zni/3Nb2/3)03 -^РЬТіОз (PZN-jPT) с составами вблизи морфотропной границы и с высокой пьезоактивностью [5]. Композиты на основе СПК или данных кристаллов применяются в качестве элементов пьезоэлектрических сенсоров, актюаторов, преобразователей, гидрофонов и других устройств [2, 4, 5]. Интерес к сегнетоактивным композитам обусловлен не только применениями этих материалов, но и возможностями варьировать их эффективные свойства благодаря суммированию и комбинированию [6] свойств их компонентов. Ранее не проводилось систематического исследования эффектов комбинирования свойств и связанных с ними ориентационных эффектов в сегнетоактивных композитах. Имеются ограниченные литературные данные [7] по ориентированным композитам на основе СПК типа PZT со связностью 2-2.
Диссертационная работа является составной частью исследований, проводимых в Южном федеральном университете по теме НИР 11.1.09ф «Исследование закономерностей формирования анизотропных физических свойств в пьезоэлектрических композиционных материалах», РК № 01200957111. Тематика диссертации соответствует «Перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований», утвержденных Президиумом РАН (раздел «Физика конденсированных сред» Отделения физических наук, направление «Физическое материаловедение и новые материалы»).
Цель работы - изучение эффектов комбинирования физических свойств в композитах с сегнетоэлектрическими компонентами, в том числе с гетерогенными, а также выявление закономерностей поведения эффективных физических свойств в зависимости от объемной концентрации и ориентации
кристаллографических осей сегнетоактивного компонента.
В соответствии с целью решались следующие основные задачи.
Исследование эффекта комбинирования физических свойств
компонентов в композитах «СГЖ - полимер» и «кристалл - полимер» (на
примере связностей 1-3, 2-2, 0-3) при различной анизотропии свойств
компонентов и различных направлениях поляризации компонентов.
Исследование факторов, влияющих на эффективные
пьезокоэффициенты, гидростатические параметры и пьезочувствительность
новых 1-3- и 2-2-композитов «кристалл - полимер» с варьируемой
ориентацией кристаллографических осей кристалла.
Сравнение концентрационных зависимостей эффективных
пьезоэлектрических свойств и других параметров композитов на основе СГЖ
или сегнетоэлектрических кристаллов со связностями 1-3,2-2 и 0-3.
Объекты исследования. Объектами исследований являются композиты на основе кристаллов PMN-xPT или PZN-jPT с составами вблизи морфотропной границы, а также композиты на основе СГЖ со структурой типа перовскита. В работе рассматриваются композиты типов 1-3, 2-2 и 0-3. Выбор объектов исследования обусловлен тем, что для кристаллических, СГЖ и полимерных компонентов, входящих в состав данных композитов, в литературе имеются полные наборы упругих, пьезо- и диэлектрических (т.е. электромеханических) констант, измеренных при комнатной температуре. Для ряда кристаллов в полидоменном состоянии экспериментально определены полные наборы констант, соответствующих различным направлениям поляризации, например, вдоль [001] или [011] перовскитовой ячейки. Для кристалла PMN-0,33PT известны полные наборы констант, соответствующих моно- и полидоменному состояниям. Полимеры являются либо сегнетоактивными (например, фторид подивинилидена - PVDF), либо не обладают сегнето- и пьезоэлектрическими свойствами (например, аральдит).
Методы исследования. Используются матричный метод (2-2- и 1-3--композиты с планарной микрогеометрией), метод эффективного поля (МЭИ, 0-3- и 1-3-композиты) и разбавленный подход (dilute approximation, 0-3- и 1-3--композиты). Метод конечных элементов применяется для сравнения концентрационных зависимостей эффективных свойств, определенных в рамках МЭИ и матричного метода для связностей 0-3 и 1-3.
Научная новизна. В настоящей диссертационной работе впервые
исследованы ориентационные эффекты при формировании пьезоэлектрического отклика в 1-3- и 2-2-композитах на основе кристаллов PMN-xPT и PZN-jPT, поляризованных вдоль различных направлений перовскитовой ячейки;
проведено сравнение пьезоэлектрических свойств 2-2-композитов «монодоменный кристалл PMN-0,33PT - полимер» и «полидоменный кристалл PMN-0,33PT - полимер» с параллельным соединением слоев;
в 2-2-композите «монодоменный кристалл PMN-0,33PT - PVDF»
обнаружено однотипное поведение концентрационных зависимостей
пьезокоэффициентов < = « + 4 + 4) и d'., e*h = 2>л + 4 + 4) и <,
г=1 г=1
g*h =^(ga + g*2 + g*3) и g*. вблизи абсолютных экстремумов гидростатических
г=1
пьезокоэффициентов d*h, e*h, g*h, а также определены пьезосуммы,
описывающие основные вклады пьезокоэффициентов d*, е*, g*. в их
гидростатические аналоги d*h, e*h, g* соответственно;
исследованы особенности комбинирования физических свойств в 1-3--композите на основе СПК (РЬі_хСах)ТЮз с большой анизотропией пьезомодулей dfj и в 0-3-композите на основе полидоменного кристалла
PMN-0,33PT с высокой пьезоактивностью (d^ ~ 103пКл/Н).
Научная и практическая значимость. Результаты исследования закономерностей комбинирования физических свойств при определении эффективных параметров сегнетоактивных композитов расширяют представление о взаимосвязях внутри треугольника «состав - структура -свойства» и стимулируют создание новых композитов с заданными физическими свойствами. Полученные результаты позволяют дополнить имеющиеся данные по эффективным свойствам и их анизотропии, гидростатическим параметрам, пьезоактивности и пьезочувствительности композитов, что представляется полезным для исследователей, работающих в области физики сегнето-, пьезоэлектрических и родственных материалов, механики пьезокомпозитов и гетерогенных сред. Результаты диссертации могут быть использованы при разработке пьезопреобразователей, гидро-фонов, сенсоров и актюаторов на основе новых материалов с более высокими параметрами. Имеется цитирование работы по 0-3-композитам на основе СПК типа РЬТіОз авторами [8]. Работы по 0-3- и 1-3-композитам на основе СПК типа РЬТіОз цитировались в монографии по композитам на основе сегнетоэлектриков [9]. Результаты диссертации используются в учебном процессе на физическом факультете и факультете высоких технологий ЮФУ, а также при выполнении НИР в ЮФУ по вышеупомянутой теме 11.1.09ф.
На защиту выносятся следующие основные научные положения.
1. В 1-3-композитах «сегнетопьезокерамика (РЬі_хСах)ТЮз - аральдит» с
0,10 < х < 0,30 значительная продольная пьезочувствительность (g*33(m) « (100
180) мВм/Н) при относительно небольшом пьезомодуле сегнето-пьезокерамики (d^ « (20 ... 40) пКл/Н) обусловлена электромеханическим взаимодействием компонентов, диэлектрические проницаемости и продольные модули упругости которых связаны соотношениями зз'ст/ зз ~ 10 и cf3lE I C^f ~ 10 соответственно.
2. Анизотропия упругих и пьезоэлектрических свойств кристалла PZN-
0,07РТ, поляризованного вдоль [011] перовскитовой ячейки, способствует
высокой пьезочувствительности 2-2-композита «кристалл PZN-0,07PT -полимер» с параллельным соединением слоев. При повороте главных кристаллографических осей X, Y данного кристалла вокруг оси Z \\ [011] достигаются гидростатические пьезокоэффициенты композита d*h -100 пКл/Н, g* ~ 100 мВм/Н и квадрат параметра приема (Q*hf = d*h g* ~ 10"11 Па1.
3. Пьезосуммы Zi = e22 + 4 + 4 + 4, Z2 = d*2l + d*22 + d*23 и Z3 = g*2l + g*22 +
#23 + Язі + Яз*2 + 4 дают основной вклад в гидростатический отклик 2-2-
-композита «монодоменный кристалл PMN-0,33PT-полимер» с параллельным
соединением слоев (х\ = const) вблизи абсолютных экстремумов
пьезокоэффициентов 4 d*h и g*h, определяемых с учетом ориентационного
эффекта.
4. В 0-3-композите «полидоменный кристалл PMN-0,33PT,
поляризованный вдоль [001] - пьезоактивный полимер» электромеханическое
взаимодействие компонентов с пьезокоэффициентами е3/и)при е3з(и)/ езі(и)| ^ 5
ПРИВОДИТ К СООТНОШеНИЯМ ДЛЯ ПЬеЗОКОЭффиЦИеНТОВ <^33*~ ^33*^33*^ и Язз*^
^зз *^зз * и коэффициентов электромеханической связи kt*& ^зз* в интервале объемных концентраций кристалла 0,1 < т < 0,4.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2006-09 гг.); VIII Европейской конференции по применениям полярных диэлектриков - ECAPD-VIII (Мец, Франция, 2006 г.); 17-й (Пенза, 2005 г.) и 18-й (С.-Петербург, 2008 г.) Всероссийских конференциях по физике сегнетоэлектриков; Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения и нанотехнологий» (Анапа, Россия, 2008 г.); Конференции по материаловедению и технологии - MS&T08 (Питсбург, США, 2008 г.); 17-й Международной конференции по композитным материалам (ICCM-17, Эдинбург, СК, 2009 г.); 6 (11)-м Международном семинаре по физике сегнетоэластиков (Воронеж, Россия, 2009 г.).
Публикации. Список основных публикаций по теме диссертации содержит 11 наименований [А1-А11], в том числе 2 статьи в российских и 6 статей в зарубежных реферируемых научных изданиях, а также 3 работы в сборниках трудов научных конференций.
Личный вклад автора. Все основные результаты диссертации получены лично автором. Автор непосредственно участвовал в планировании, выборе объектов исследования и проведении диссертационных исследований. Соавторами публикаций являются д.ф.-м.н. Тополов В.Ю. (ЮФУ), д-р Бауэн К.Р. (Университет Бата, Соединенное Королевство) и д-р Бизенья П. (Университет Рима «Тор Вергата», Италия).
Тема диссертационной работы предложена Тополовым В.Ю. Он осуществлял научное руководство диссертацией, участвовал в обсуждении и
интерпретации полученных результатов работы. Бауэн К.Р. принимал участие в обсуждении и интерпретации концентрационных и ориентационных зависимостей эффективных пьезокоэффициентов и других параметров 0-3- и 1-3-композитов. Для сравнения данных Бизенья П. определил эффективные свойства 0-3- и 1-3-композитов с помощью метода конечных элементов и пакета компьютерных программ Университета Рима «Тор Вергата» (Италия), верхние и нижние границы электромеханических констант 1-3-композита (в рамках подхода Бизеньи - Лучиано), а также участвовал в обсуждении концентрационных зависимостей эффективных параметров композитов на основе СПК типа РЬТЮ3 и кристаллов релаксоров-сегнетоэлектриков.
Объем и структура работы. Объем диссертационной работы - 184 с. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 139 наименований и двух приложений. Основная часть работы изложена на 159 с, содержит 38 рисунков и 20 таблиц.
