CC BY
6
Особенности строения пьезоэлектрических композитов связности 1-3
К.А. Гореленко, А.Ю. Малыхин, А.В. Скрылёв Институт высоких технологий и пьезотехники ЮФУ
Аннотация: В результате проделанной работы определены особенности строения пьезокерамических композитов связности 1-3. Из различных возможных способов и материалов для электродов пьезокомпозитов выбран единственный, оптимально подходящий для использования в устройствах направленного ультразвука. Ключевые слова: пьезокерамика, пьезокомпозит, композит 1-3, пьезоэлектричество, ультразвук.
Введение
В настоящее время устройства, в основе которых лежат пьезокомпозиты, находят широкое применение. В литературе встречаются упоминания композитов связности 1-3 и 2-2 [1-3]. Существующие способы получения таких элементов, как правило, не учитывают степень влияния электродов на их электрофизические и механические характеристики ввиду малой толщины токопроводящего покрытия.
В данной работе исследованы особенности строения 1-3 пьезокомпозитов, а именно - влияние конфигурации токопроводящего покрытия на некоторые характеристики. Рассматриваемый композит представляет собой упорядоченный набор пьезокерамических стержней с квадратным сечением, регулярно распределенных в полимерной матрице. В свою очередь, матрица является гетерогенной системой, состоящей из полимерного связующего и функциональных добавок в виде пластификаторов и стеклокерамических сфер размером 10-150 мкм. При изготовлении пьезокерамических стержней использовался метод dice-and-fill, описанный в [4-6]. Структура исследуемого композита позволяет достичь высокой степени анизотропии скорости звука в пьезокерамических стержнях, открывая возможность для применения в направленных источниках и приёмниках ультразвуковых колебаний. Таким образом, задача выбора оптимальной конфигурации токопроводящего покрытия является актуальной.
М Инженерный вестник Дона, №4 (2023) ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2023/8356
В ходе выполнения работы исследованы различные способы нанесения покрытий на пьезокомпозит: вакуумно-ионное напыление, химическое осаждение, приклеивание графитовых и медных крышек. Каждый из рассмотренных способов имеет собственные достоинства и недостатки.
Эксперимент
Выбор активной составляющей пьезокомпозитов не ограничивается каким-либо материалом или группой материалов и может варьироваться в зависимости от области применения или параметров среды. В данной работе использовались пьезокерамические элементы, изготовленные из материала ПКП-12. Шлифованный образец разрезался на дисковой пиле на упорядоченную матрицу, после чего образовавшиеся пазы заливались полимером с функциональными добавками (Рис. 1).
Рис.1 - внешний вид пьезокомпозита связности 1-3: а) разрезанная заготовка, б) залитая полимером заготовка с увеличенным фрагментом На шлифованные поверхности полученного композита наносили электропроводные покрытия. Полученные методами химического осаждения меди и никеля, а также напыления меди и никеля оказались непрочными и их целостность нарушалась в процессе эксперимента: в процессе поляризации и
измерения ёмкости элементов были заметны разрывы и царапины на поверхности (Рис.2).
Рис. 2 - Обнаруженные дефекты электродов, полученных методами химического осаждения металлов и вакуумного ионного напыления
В связи с необходимостью получения надёжного и прочного электропроводного покрытия рассматривались варианты применения листовых металлов (медь, никель), а также графита.
Рис.3 - микроструктура поверхности: а) меди б) графита
На рис.3 представлены изображения структуры поверхности меди и графита, шлифованные алмазным кругом с зернистостью 60 мкм, полученные с помощью растрового электронного микроскопа JEOL ^М. На
поверхности меди отчётливо видны следы клея, однако сама поверхность, несмотря на шлифовку, является достаточно гладкой. С этим связан процесс отслаивания электродов во время эксплуатации композита. Поверхность графита, в свою очередь, является более развитой и имеет впадины и неровности размером до 50 мкм. При использовании токопроводящих клеевых составов наличие этих неровностей приводит к лучшей адгезии композита с электродом. Таким образом, использование графитовых пластин целесообразно.
Для дальнейших исследований выбран графит отечественного производства с плотностью 1,83 г/см и удельным сопротивлением 12,5 мкОмм. На дилатометре Linseis L76 измерены коэффициенты температурного расширения графита и образцов пьезокерамики ПКП-12: в поляризованном и неполяризованном состояниях. Измерения проводились в воздушной среде на образцах размером 15х3х3 мм, скорость подъёма температуры составляла 2°/мин.
50 100 150 200 250 300 350 400
Температура (°С)
Рисунок 4 - результаты дилатометрических испытаний образцов поляризованной и неполяризованной пьезокерамики в диапазоне температур
от 20 до 400°
Как следует из рисунка 4 у неполяризованного образца ярко выражена лишь одна температурная область, где происходит уменьшение скорости изменения относительной деформации с ростом температуры от 80 до 170°. Данное поведение согласуется с результатами [7], где исследован коэффициент теплового расширения в области фазового перехода в керамике на основе ЦТС. Учитывая, что образец при поляризации деформировался за счет обратного пьезоэффекта или за счет электрострикционного эффекта, важен лишь качественный характер температурной зависимости, а именно температура макроскопической деполяризации образца. Как следует из графика температурной зависимости относительной деформации поляризованного образца, температура, при которой поведение кривой становится аналогичным поведению кривой для неполяризованного образца, равна 200°С. То есть до данной температуры образец сохраняет анизотропное состояние при том, что Тт~160°.
Аналогичные измерения проведены для выбранного графита. Результаты приведены на рис. 5.
50 100 150 200 250 300 350 400
Температура (°С)
Рис. 5 - Результаты дилатометрических испытаний образца графита
В рабочем температурном диапазоне керамики графит имеет практически линейные зависимости абсолютного удлинения и коэффициента теплового расширения, что говорит о потенциальной пригодности в качестве электропроводящего покрытия пьезокомпозитов связности 1-3.
Литература (References).
1. Topolov V. Yu., Bowen C.R., Bisegna P. Piezo-active composites. Microgeometry - sensitivity relations. Cham: Springer Internat. Publ. Switzerland, 2018. 179 p. Bowen C.R., Topolov V.Yu., Isaeva A.N., Bisegna P. CrystEngComm. 2016. Vol. 18. pp. 5986-6001.
2. Topolov V. Yu., Bowen C.R., Isaeva A.N., Panich A.A. Phys. Stat. Sol. A. 2018. Vol. 215, N 1. pp. 1700548-12 p.
3. Bowen L. J. and French K. W. "Fabrication of piezoelectric ceramic/polymer composites by injection molding," ISAF '92: Proceedings of the Eighth IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics, Greenville, SC, USA, 1992, pp. 160-163, doi: 10.1109/ISAF. 1992.300651.
4. Smith W. A. and Auld B. A. "Modeling 1-3 composite piezoelectrics: thickness-mode oscillations," in IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 38, no. 1, pp. 40-47, Jan. 1991, doi: 10.1109/58.67833.
5. Howarth T. R. and Ting R. Y "Electroacoustic evaluations of 1-3 piezocomposite SonoPanel/sup TM/ materials," in IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 47, no. 4, pp. 886894, July 2000, doi: 10.1109/58.852071.
6. Gentilman R. et al. "SonoPanel 1-3 piezocomposite hydrophone-actuator panels," 'Challenges of Our Changing Global Environment'. Conference
Proceedings. OCEANS '95 MTS/IEEE, San Diego, CA, USA, 1995, pp. 2032-2037 vol.3, doi: 10.1109/OCEANS.1995.528890. 7. Kallaev S.N., Gadzhiev G.G., Kamilov I.K., Omarov Z.M., Sadykov S.A. Reznichenko L.A. Thermal properties of PZT-based ferroelectric ceramics. Physics of the Solid State. 2006; 48(6). pp. 1169-1170
