Влияние структурно-фазового состояния новых гибридных пьезоматериалов на их функциональные свойства

ВВЕДЕНИЕ

Композиты (композиционные материалы) – это материалы, пред-ставляющие собой гетерогенные системы, состоящие из двух или более компонентов, отличающихся по химическому составу, физическим свой-ствам и разделённых в материале чётко выраженной границей. Композиты отличаются от сплавов и химических соединений тем, что их структурные элементы не смешиваются на молекулярном или атомном уровне, а харак-терные размеры структурных элементов композита пренебрежимо малы по сравнению с характерным размером составного тела композита и суще-ственно превосходят молекулярные.
Пьезокомпозиты — это материалы, обычно представляющие собой двухфазную систему параллельно расположенных поляризованных пьезо-керамических стержней квадратного или круглого сечения в органической (непьезокерамической) матрице на основе эпоксидной смолы. Пьезокомпо-зиты связности 1-3 отличаются от монолитной (непористой) керамики по-вышенной анизотропией ряда пьезоэлектрических характеристик d33/d31, g33/g31, kt/kp, k33/kp.
Пьезоэлементы на основе композитных пьезокерамических материа-лов как правило, применяются в пьезоэлектрических преобразователях ультразвуковых дефектоскопов и толщиномеров, в приборах ультразву-ковой медицинской диагностической аппаратуры, в ультразвуковых урав-номерах и расходомерах, в объемочувствительных гидрофонах.
Цель курсовой работы состоит в изучении влияния структурно-фазового состояния новых гибридных пьезоматериалов на их функцио-нальные свойства на примере пьезокомпозитов.
Задачи работы рассмотреть:
1. Особенности получения пленок пьезокомпозитов;
2. Свойства пленок пьезокомпозитов;

ПОЛУЧЕНИЕ ПЛЕНОК ПЬЕЗОКОМПОЗИТОВ
При получении пленок пьезокомпозитов минимальный размер структурных элементов композитов варьируется примерно от 10-5 м (связности 1–3, 2–2 и 0–3) до 10-4 м (связности 3–1 и 3–3). Требования, предъявляемые к получаемым композитам, включают следующие пункты:
1) высокая прочность каркаса (матрицы);
2) отсутствие дефектов и трещин;
3) короткие сроки изготовления композитов;
4) возможность получения композитных образцов заданной формы и с криволинейными границами раздела компонентов.
Для описания пространственных структур достаточно двух тополо-гических инвариантов N — числа несвязанных частей и G — рода поверх-ности раздела фаз. Величина G характеризует связность пространства фа-зы (безразлично какой), она определяется числом сквозных сечений участ-ков многосвязной области, для которого число несвязанных частей фазы сохраняется неизменным, Любое преобразование многосвязной области, происходящее в результате ее деформации без разрывов и склеек, т. е. без изменений ее связности, называется гомеоморфным. Таким образом, все геометрические объекты, характеризуемые одним числом связности G, го-меоморфны (топологически эквивалентны).
Ниже рассмотрим некоторые методы получения пьезокомпозитов с различными связностями.
Важная классификация композитов с периодической структурой и плоскими границами раздела компонентов предложена Ньюнэмом с со-трудниками в 1978 г. Эта классификация широко применяется при описа-нии микрогеометрии пьезокомпозитов и интерпретации особенностей элек-тромеханического взаимодействия их компонентов. Критерием данной классификации является связность α–β, где α, β = 0; 1; 2; 3. На рис. 1.1 схематически показаны примеры 10 типов связности α–β-композитов.
Индекс α или β показывает, вдоль скольких осей прямоугольной си-стемы координат (XYZ) непрерывно распределяется первый или второй компонент соответственно, причем α относится, как правило, к пьезоактив-ному компоненту. Например, двухкомпонентные волокнистые композиты описываются связностью 1–3 (индекс 1 относится к волокнам, индекс 3 – к матрице), слоистые – 2–2 и т.д. Вследствие того, что и α, и β могут прини-мать одно из четырех целочисленных значений, двухкомпонентные компо-зиты характеризуются 42 = 16 связностями (т.е. индексы α–β принимают значения 0–0, 0–1, 3–2, 3–3). Однако при условии α ≤ β или α ≥ β число связностей n-компонентного композита определяется по формуле (n + 3)! / (3! n!). Отсюда следует, что для двухкомпонентных композитов (n = 2) число связностей равно 10.
Концепция связности имеет большое значение при исследовании внутренних электрических и механических полей и интерпретации поведе-ния эффективных параметров композитов в зависимости от объемной кон-центрации компонентов, микрогеометрии и других факторов. Результаты многочисленных исследований за последние три десятилетия свидетель-ствуют в пользу важной роли микрогеометрического фактора и связности пьезокомпозита в формировании физических свойств пьезокомпозитов. После появления в литературе классификации Ньюнэма с сотрудниками [1] индексы связности стали регулярно использоваться в работах по исследо-ванию микроструктуры и физических свойств композитов на основе сегне-тоэлектриков и родственных материалов. В настоящее время наиболее ис-следованными и в экспериментальном, и в теоретическом плане являются композиты «сегнетопьезокерамика – полимер» со следующими связностя-ми: 0–3, 1–3, 2–2, 2–3, 3–1, 3–2 и 3–3. Микрофотографии α–β-композитов на основе сегнетопьезокерамики приведены на рис. 1.2 – 1.5.
1. Связность 2-2.
Относительная простота структуры 2–2-композита (см. рис. 1.2), возможность варьирования объемных концентраций компонентов в широ-ком интервале и знание различных технологических приемов позволяют получать композиты «сегнетопьезокерамика – полимер» с параметрами, соответствующими экстремумам или являющимися оптимальными по не-которым критериям. Среди наиболее распространенных методов получе-ния пьезоактивных 2–2-композитов отметим следующие:
а) нарезки и заполнения (dice and fill);

Рисунок 1.1 - Классификация двухкомпонентных композитов со связно-стью α−β [1]. (XYZ) – прямоугольная система координат

Рисунко 1.2 - Фрагмент 2–2-композита «сегнетопьезокерамика типа PZT – эпоксидная смола» с градиентом объемной концентрации компонентов в горизонтальном направлении [3]

Рисунок 1.3 - Примеры двухкомпонентных пьезокомпозитов, полу-чаемых в лабораторных условиях

б) инжекционной формовки (injection moulding);
в) ленточного ламинирования (tape lamination);
г) быстрого прототипирования (rapid prototyping).
В методе нарезки и заполнения сначала в керамическом блоке дела-ют ряд параллельных разрезов, углубляющихся до основания блока. Эти разрезы аккуратно заполняют жидким полимером, избегая образования пузырьков воздуха на границах керамики и полимера, и оставляют блок до отвердевания полимера. Затем образовавшуюся совокупность керами-ческих и полимерных слоев отделяют от основания керамического блока. При этом обращают внимание на недопустимость образования микротре-щин в керамике и расслоения компонентов. После нанесения электродов проводится поляризация композитного образца во внешнем электриче-ском поле.
В методе инжекционной формовки заранее изготавливаются формы, содержащие большое число тонких керамических листов. Затем проводят-ся термическая обработка этих форм и заполнение межлистового про-странства жидким полимером (впрыскивание). В результате получается 2–2-композит с высокой степенью периодичности в расположении слоев определенной толщины.
Метод ленточного ламинирования предполагает использование группы керамических слоев заданной толщины. Эти слои сначала либо ламинируются некоторым пассивным материалом, либо складываются па-раллельно друг другу с помощью фиксатора расстояния (рис. 1.4). Затем межслоевое пространство заполняется жидким полимером, и готовые сло-истые блоки разрезают в соответствии с требуемыми размерами композит-ных образцов.


Рисунок 1.4 - Схема получения 2–2 композита при ламинировании кера-мических слоев [3]: 1 – чередование керамических и полимерных слоев; 2 – ламинирование; 3 – разрезание

В последнее десятилетие методы быстрого прототипирования (иначе – изготовления твердофазного образца произвольной формы) [3] стали весьма привлекательными и позволили получать пьезокомпозиты со связ-ностью 2–2 и другими связностями. При этом достигаются высокое каче-ство образцов и и регулярная укладка структурных элементов с заданны-ми линейными размерами. Эти методы связаны с компьютерными про-граммами, определяющими дизайн композитных образцов. С помощью компьютерных программ задаются микрогеометрия и характеристики по-верхности композитного образца. Файл с данными по образцу передается в систему, производящую композиты с заданными параметрами. Главны-ми стадиями получения композитных образцов являются следующие: оса-ждение синтезированной керамики, изготовление наполнителя и создание композитной структуры (рис. 1.5) с помощью компьютерного дизайна. Процесс создания композитной структуры включает себя послойное за-полнение керамикой областей, свободных от полимера, и этот процесс контролируется компьютером в соответствии с файлом данных по образ-цу, его микрогеометрией и т.д. Каждый новый слой как бы наращивается на предшествующий. Заполненные слои композита смещаются в верти-кальном направлении (рис. 1.5). После нанесения электродов на парал-лельные поверхности сформированного композитного образца проводится его поляризация во внешнем электрическом поле.

Рисунок 1.5 - Схематическое изображение процесса формирования слоев композита на основе сегнетопьезокерамики в методе быстрого прототипи-рования [3]: 1 – катушка с полимерным волокном; 2 – полимерное волок-но; 3 – ролики: 4 – нагреватель; 5 – выпускное отверстие; 6 – платформа; 7 – толщина отдельного слоя. Стрелками показаны направления смещения нагревателя и платформы установки.

Следует отметить, что с помощью быстрого прототипирования в по-следние годы получены различные пьезокомпозиты со связностью 2– 2, в том числе композиты с искривленными керамическими слоями, с керами-ческими слоями в форме годичных колец дерева, композиты с градиентом объемной концентрации, радиальные и ориентированные композиты [3]. Методы быстрого прототипирования успешно применяются при получе-нии двухкомпонентных композитов с другими связностями и со сложной микрогеометрией, а также композитов с большим числом компонентов.
2. Связность 1-3.