СОДЕРЖАНИЕ
С.
ВВЕДЕНИЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 5
1. ЭФФЕКТИВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЕТЕРОГЕННЫХ СЕГНЕТОАКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) 15
1.1. Г етерогенные сегнетошегивные материалы и их особенности 15
1.2. Композиты, их характеристики и физические свойства 16
1.2.1. Микрогеометрия и классификация композитов 16
1.2.2. Свойства композитов с сегнетоактивными компонентами 18
1.2.3.Три типа эффектов в композитах 21
1.3. Определение эффективных физических свойств композитов с сегнетоактивными компонентами 24
1.4. Электромеханические свойства твердых растворов кристаллов релаксоров-сегнстоэлсктриков 27
1.5. Основные результаты и выводы 34
2. КОМБИНИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ В 1-3-КОМПОЗИТАХ 36
2.1. Свойства 1-3-композитов с сегнетопьезокерамическими стержнями в форме эллиптического цилиндра 36
2.2. Комбинирование свойств в 1-3-композитах на основе сегиетопьезокерамики типа РЬТЮз 45
2.2.1. Моделирование эффективных свойств 1-3-композита «сегнетопьезокерамика - полимер» с помощью различных методов 45
2.2.2. Эффективные пьезокоэффициенты е'у, с1у, ЛГ и 1-3-композита «сегнетопьезокерамика (РЬ1-хСах)ТЮ3 - полимер» при различных т и х 48
2.2.3. Сравнение эффективных параметров, рассчитанных для 1-3-композита «сегнетопьезокерамика (РЬ1-хСах)ТЮ3 - полимер» различными методами 54
2.3. Сравнение расчетных и экспериментальных концентрационных зависимостей эффективных параметров 1-3-композитов на основе 64
2
сегнетопьезокерамики типа Р2Т
2.4. Пьезоактивность, пьезочувствительность и ориентационные эффекты в 1—3-композитах на основе кристаллов релаксоров-сегнетоэлектриков 2.4.1. Структура 1-3-композита «кристалл - полимер» и определение его эффективных свойств 66 66
2.4.2. Концентрационные зависимости эффективных ньезокоэффициентов и других параметров 1-3-композита на основе кристалла Р2М~0,07РТ 72
2.4.3. Сравнение с данными расчета по методу конечных элементов 79
2.5. Основные результаты и выводы 82
3. КОМБИНИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ОРИЕНТАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В КОМПОЗИТАХ ТИПА 2-2 84
3.1. Свойства композитов типа 2-2 на основе кристаллов 0.93РЬ(2п1/зИЬ2^)Оз -0.07РЬ'ПОз, поляризованных вдоль [011] 3.1.1. Модель исследуемого композита типа 2-2 и усреднение свойств 84 85
3.1.2. Эффективные параметры 2-2-композита на основе кристалла Р2Н-0,07РТ 89
3.1.3. Эффективные свойства 2-2-0-композита на основе кристалла РгИ-0,07РТ 94
3.2. Эффективные параметры 2-2-композитов с двумя пьезоактивными компонентами 101
3.3. Электромеханические свойства и ориентационные эффекты в 2-2-композитах на основе кристалла РМЫ-0,ЗЗРТ (моно- или полидоменного) 3.3.1. Ориентационные и концентрационные зависимости продольных и гидростатических ньезокоэффициентов 3.3.2. Пьезосуммы при описании гидростатического пьезоэлектрического отклика 3.3.3. Изменение направления вектора остаточной поляризации Рг(2) 109 110 117 120
3.4. Сравнение расчетных данных по 2-2-композитам на основе 121
3
I.
сегнетопьезокерамики
3.5. Основные результаты и выводы 126
4. КОМБИНИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОМПОЗИТОВ СО СВЯЗНОСТЬЮ 0-3 129
4.1. Пьезо- и диэлектрические свойств структурированных 0-3-композитов «сегнетопьезокерамики на основе РЬТЮ3 -полимер» 129
4.2. Эффективные свойства 0-3-композитов «сегнетопьезокерамика - полимер»: сравнение с литературными данными и предельный переход к связности 1-3 4.2.1. 0-3-композиты на основе сегнетопьезокерамики типа PZT 4.2.2. 0—3-композиты на основе сегнетопьезокерамики (РЬо.75Сао.25)ТЮз 134 135 139
4.3. Комбинирование свойств в 0-3-композите на основе кристалла РМИ-0,ЗЗРТ 142
4.4. Сравнение расчетных данных но 0-3-композитам на основе кристалла РММ-0,ЗЗРТ 148
4.5. Основные результаты и выводы 154
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 157
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 160
11РИЛОЖЕ1ТИЕ 1. Список основных публикаций автора по теме диссертации 176
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Сведения об апробации и практическом использовании результатов диссертации 178
4
ВВЕДЕНИЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В последние десятилетия гетерогенные сегнетоактивные материалы вызывают большой научный и практический 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 (кристаллов или СПК) и т.д. [1, 2]. Перечисленные материалы составляют многочисленную группу современных функциональных материалов, которые применяются [2| в медицинской технике, пьезотехнике, гидроакустике и твердотельной электронике. Структурное многообразие, зависимость физических свойств от микроструктуры, доменной структуры, состава компонентов, особенностей микрогеометрии присущи большинству гетерогенных сегнетоактивных материалов [1].
В кошюзитах, содержащих сегнегоэлектрические компоненты, последние часто также являются гетерогенными материалами (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-ссгнетоэлектриков (1 -
x)Pb(Mg]/зNb2/з)Oз -хРЬТЮз (РМЫ-^РТ) или (1 -^РЬ^Щ/зЬШг/зЭОз-хРЬТЮз (Р214->>РТ) с составами вблизи морфотропной границы и с достаточно высокой пьезоактивностью [5]. Композиты на основе СПК или данных кристаллов применяются в качестве активных элементов пьезоэлектрических сенсоров, актюаторов, преобразователей, гидрофонов и других устройств [2,
4, 5]. Интерес к композитам с сегнетоактивными компонентами обусловлен не только важными практическими применениями, но и возможностями варьировать эффективные физические свойства композитов благодаря суммированию и комбинированию [6] свойств их компонентов. Ранее не проводилось систематического исследования эффектов комбинирования свойств и связанных с ними ориентационных эффектов в гетерогенных сегнетоактивных материалах, включая композиты. Имеются ограниченные литературные данные [7] по ориентированным композитам на основе СПК типа PZT со связностью 2-2.
Диссертационная работа являегся составной частью исследований, проводимых в Южном федеральном университете по теме НИР 11.1.09ф «Исследование закономерностей формирования анизотропных физических свойств в пьезоэлектрических композиционных материалах», номер госрегистрации РК № 01200957111. Тематика диссертации соответствует «Перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований», утвержденных Президиумом РА11 (раздел «Физика конденсированных сред» Отделения физических наук, направление «Физическое материаловедение и новые материалы»).
Цель работы - изучение эффектов комбинирования физических свойств в композитах с сегнетоэлсктрическими 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 поставленной целью решались следующие основные задачи.
® Исследование эффекта комбинирования физических свойств компонентов в композитах «СПК - 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 СПК 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-j^PT с составами вблизи морфотропной границы, а также композиты на основе СПК со структурой типа перовскита. В работе рассматриваются композиты типов 1-3, 2-2 и 0-3. Выбор объектов исследования обусловлен тем, что для кристаллических, СПК 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 вышеупомянутых кристаллов в полидоменном состоянии эксперименгально определены полные наборы констант, соответствующих различным направлениям поляризации, например, вдоль [001] или [011] перовскитовой ячейки. Для кристалла PMN-0,33PT известны полные наборы электромеханических констант, соответствующих моио- и полидоменному состояниям. Полимеры являются либо ссгнетоактивными (например, фторид подивинилидена - PVDF), либо не обладают сегнето- и пьезоэлектрическими свойствами (например, араль;щт).
Методы исследования. Для исследования используются матричный метод (2-2- и 1-3-композиты с планарной микрогеометрией), метод эффективного поля (МЭП, 0-3- и 1-3-композиты) и так называемый разбавленный подход (dilute approximation, 0-3- и 1-3-композиты). Метод конечных элементов применяется для сравнения концентрационных зависимостей эффективных свойств, определенных в рамках МЭП 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
РМ1ч1-.хРТ и Р21Ч-уРТ, поляризованных вдоль различных направлений перовскитовой ячейки;
® проведено сравнение пьезоэлектрических свойств 2-2-композитов «монодоменный 1фисталл РММ-0,ЗЗРТ - полимер» и «полидомснный кристалл РММ-0,ЗЗРТ - полимер» с параллельным соединением слоев;
• в 2-2-композите «монодоменный кристалл РММ-0,ЗЗРТ - РУББ» обнаружено однотипное поведение концентрационных зависимостей пьезокоэффициентов +<£ + <&) и а',, е,, =Х(е',+е1*2+е/',) И е',
• V ^ ^
8/,=2^^п+8,2+Я«) и £* вблизи абсолютных экстремумов гидростатических пьезокоэффициентов (Гп, е1п а также определены пьезосуммы, описывающие основные вклады пьезокоэффициентов с1'п е*, я* в их гидростатические аналоги соответственно;
о исследованы особенности комбинирования физических свойств в 1-3-композите на основе СПК (РЬ1_хСах)ТЮ3 с большой анизотропией пьезомодулей </£> и в 0-3-композите на основе полидоменного кристалла РМИ-ОДЗРТ с высокой пьезоактивностыо (</<*> ~ 103пКл/Н).
Научная и практическая значимость. Результаты исследования закономерностей комбинирования физических свойств при определении эффективных параметров композитов с сегнетоактивными компонентами расширяют представление о взаимосвязях внутри треугольника «состав -структура - свойства» и стимулируют создание новых композитных материалов с заданными физическими свойствами. Полученные результаты позволяют дополнить имеющиеся данные по эффективным свойствам и их анизотропии, гидростатическим параметрам, пьезоактивности и пьезочувствительности современных композитов, что представляется полезных для исследователей, работающих в области физики сегнстоэлектрических, пьезоэлектрических и родственных материалов, механики пьезокомпозитов и гетерогенных сред. Данные, полученные в ходе диссертационного исследования, могут быть использованы при разработке пьезопреобразователей, гидрофонов, сенсоров и актюаторов на основе новых материалов с более высокими параметрами. Имеется цитирование работы по
0-3-композитам на основе СПК типа РЬТЮ3 авторами [8]. Работы по 0-3- и
1-3-композитам на основе СГ1К типа РЬТЮ3 цитировались в монографии по композитам на основе сегнетоэлектриков [9]. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе на физическом факультете и факультете высоких технологий Южного федерального университета, а также при выполнении НИР в Южном федеральном университете по вышеупомянутой теме 11.1.09ф.
На защиту выносятся следующие основные научные положения.
1. В 1-3-композитах «сегнетопьезокерамика (РЬ]_хСа*)ТЮ3 - аральдит» с 0,10<*<0,30значительная продольная пьезочувствительность « (100
... 180) мВм/Н) при относительно небольшом пьезомодуле сегнето-
пьезокерамики « (20 ... 40) пКл/Н) обусловлена электромеханическим взаимодействием компонентов, диэлектрические проницаемости и продольные модули упругости которых связаны соотношениями egx<7 е£' ~ 10 И ~
10 соответственно.
2. Анизотропия упругих и пьезоэлекгрических 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 Х9 Y данного кристалла вокруг оси Z || [011] достигаются гидростатические пьезокоэффициенты композита d'u ~ 100 пКл/Н, g9h - 100 мВм/Н и квадрат парамегра приема (Q])2 = dig], ~ 10'м Па'.
3. Пьезосуммы Si = + cj2 + ej3, + 4 + и S3 = gh + Zn
+ + ёл + £32 + Дают основной вклад в гидростатический отклик 2-2-
композита «монодоменный кристалл PMN-0,33PT - полимер» с параллельным соединением слоев (;tj = const) вблизи абсолютных экстремумов пьезокоэффициентов е*, d'h и g'h, определяемых с учетом ориентационного эффекта.
9
4. В 0-3-композите «полидоменный кристалл PMN-0,33PT, поляризованный вдоль [001] - пьезоактивный полимер» электромеханическое взаимодействие компонентов с пьезокоэффициентами при е33(,7) / |е31(п)| £ 5 приводит к соотношениям для пьезокоэффициентов £/33*^ £33*^33 и £зз*~ /*зз*£зз*° и коэффициентов электромеханической связи к,*& &33* 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-Vm (Мсц, Франция, 2006 г.); 17-й (Пенза, 2005 г.) и 18-й (С.-Петербург, 2008 г.) Всероссийских конференциях но физике
ссгнетоэлектриков; 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, Соединенное Королевство, 2009 г.); 6 (11) 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 K.P. (Университет Бата, Соединенное Королевство) и д-р Бизенья П. (Университет Рима «Тор Вергата», Италия).
Тема диссертационной работы предложена Тополовым В.Ю. Он
10
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 РЬТЮз и кристаллов релаксоров-сегнетоэлектриков.
Объем и структура работы. 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.
Содержание работы. Во введении показана актуальность решаемой проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, обоснован выбор объектов исследования, указана новизна полученных результатов.
В главе 1 проведен анализ литературных источников по теме диссертации. Глава систематизирует литературные данные по гетерогенным сегнетоактивным материалам. Приведена классификация композитных материалов, представляющая интерес при описании их физических свойств. Дана краткая характеристика трех типов эффектов в композитах с сегнетоактивными компонентами, а именно эффектов суммирования свойств, комбинирования свойств и порождения нового свойства. Рассмотрены электромеханические свойства кристаллов твердых растворов релаксоров-сегнетоэлектриков, являющихся примерами гетерогенных материалов и выступающих в качестве компонентов с высокой пъезоактивностыо.
Глава 2 посвящена исследованию комбинирования свойств в 1-3-композитах на основе СПК или кристаллов твердых растворов рслаксоров-ссгнстоэлекгриков, поляризованных в определенном направлении.
11
Рассмотрены примеры регулярного распределения сегнетоактивного компонента в протяженной полимерной матрице (обладающей или не обладающей сегнсто- и пьезоэлектрическими свойствами). В частности, проведено исследование комбинирования свойств при формировании гидростатического пьезоэлектрического отклика анизотропного 1—3-композита «СПК - полимер», содержащий систему СПК стержней в форме эллиптического цилиндра. Концентрационные зависимости гидростатических параметров данного композита классифицированы по знакам пьезокоэффициентов ез}1\ е^\ еу2\ еи2) компонентов и направлению вектора Рга) полимера.
В главе 2 исследованы эффективные пьезокоэффициенты е'3/, d3/, и
g'y 1-3-композита «СГГК (Pbi_x Cax)Ti03 - полимер». Проведено сравнение эффективных свойств, определенных для 1-3-композита «СПК (РЬ1_хСа*)ТЮз - полимер» с помощью различных методов [A4J - МЭП, разбавленного подхода (dilute approacli, без учета электромеханического взаимодействия СПК стержней) и метода конечных элементов. В главе 2 также проведено сравнение расчетных и экспериментальных концентрационных зависимостей эффективных параметров 1-3-композита «СПК типа PZT - полимер».
В заключительной части главы 2 исследованы пьезоэлектрические свойства 1-3-композита «полидоменный кристалл PZN-0,07PT - PVDF» с учетом различных направлений поляризации компонентов. При этом кристаллические стержни имеют форму прямоугольного параллелепипеда с квадратным основанием. Рассмотрены случаи, когда все стержни поляризованы вдоль следующих направлений перовскитовой ячейки: [001] и [011].
В главе 3 рассматриваются эффекты комбинирования свойств и ориентационные эффекты в композитах типа 2-2 на основе кристаллов PZN-уРТ и PMN-xPT с высокой пьезоактивностыо. На примере 2-2-композита «полидоменный кристалл PZN-0,07PT - полимер» с параллельным соединением слоев показано, что анизотропия пьезомодулей и упругих податливостей кристалла PZN-0,07PT, поляризованного вдоль [011],
12
существенно влияют на ориентационные и концентрационные зависимости
л 9
£зз*, (бзз*), Я/,*, (б//*) и других параметров данного композита.
Анизотропия упругих свойств кристалла Р234-0,07РТ и увеличение по модулю упругих податливостей полимера способствуют увеличению эффективных пьезокоэффициентов /733* и е33*.
В главе 3 исследованы эффективные свойства 2-2-композитов с двумя пьезоактивными компонентами, а также проведен анализ ориентационных и концентрационных зависимостей продольных и гидростатических пьезокоэффшщенгов 2-2-композита, все кристаллические слои которого либо монодоменные (с заданной ориентацией кристаллографических осей) либо полидоменные (с фиксированной ориентацией осей). При анализе концентрационных зависимостей пьезокоэффициентов и </*, еп и е*у, а также я,’ и вблизи абсолютных максимумов (минимумов) </,*, еь и 8*н определены пьезосуммы хараю-еризующие гидростатический
пьезоэле1стрический отклик 2-2-композита «монодоменный кристалл РМЫ-0,ЗЗРТ - РУОТ». В заключительной части главы 3 проведено сравнение концентрационных зависимостей гидростатических пьезокоэффициентов <£(1И) и определенных с помощью различных методов для 2-2-
-композитов на основе СПК типа
В главе 4 рассматривается комбинирование свойств в 0-3-композитах на основе СПК типа РЬТЮз или кристалла РМЫ-хРТ. Данные композиты имеют ячеистую структуру и характеризуются регулярным распределением СПК (кристаллических) включений сфероидальной формы в протяженной полимерной матрице. Вектор остаточной (спонтанной) поляризации каждого включения сонаправлен с осью координат ОХ3. Отношение длин полуосей сфероида р = а\ / а3 предполагается одинаковым во всем композите. Его эффективные свойства данного определяются в рамках МЭИ. Проводится сравнение с известными экспериментальными данными по счруктурированным 0-3-композитам на основе СПК типа РЬТЮз. В заключительной части главы 4 проводится сравнение концентрационных зависимостей эффективных
13
пьезокоэффициентов #зз и л£3, рассчитанных для 0-3-композита «полидоменный кристалл РМЫ-0,ЗЗРТ - полимер» со сфероидальными включениями в рамках МЭП и метода конечных элементов.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы.
В приложении 1 приводится список основных публикаций автора по теме диссертации. В приложении 2 приведены данные о практическом использовании материалов диссертации и апробации ее результатов.
14
1. ЭФФЕКТИВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЕТЕРОГЕННЫХ СЕГНЕТ О АКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)
1.1. Гетерогенные сегнетоактивные материалы и их особенности
Анализ литературных источников показывает, что в последние десятилетия гетерогенные сегнегоактивные материалы исследуются [1-3, 9-12] с помощью различных экспериментальных и теоретических методов физики и механики твердого тела. Как известно, гетерогенные материалы состоят из различных компонентов (частей), причем компоненты могут отличаться друг от друга физическими, химическими свойствами и стехиометрией состава [13, 14]. Компоненты гетерогенных материалов отделены друг от друга границей раздела. В литературе представлены данные по таким гетерогенным сегнстоактивным материалам, как полидоменные (сдвойникованные) и гетерофазные кристаллы, ссгнстопьезоксрамики (СГЖ) или поликристаллические сегнетоэлектрики, поликристаллические сегнетоэлектрические пленки, а также композиты на основе сегнетоэлектрических кристаллов или СГІК [1-6, 9-12, 15].
Гетерофазные системы являются частным случаем гетерогенных систем, а границы раздела в них часто называют межфазными границами [16]. Из литературных данных [1, 11, 12, 16-20] следует, что микроструктура, доменная структура, особенности морфологии границ раздела, условия синтеза и поляризации, а также дефекты структуры влияют на физические свойства гетерогешшх сегнетоактивных материалов.
Важной особенностью гетерогенных сегнетоактивных материалов является то, что их физические свойства не являются результатом простого усреднения свойств отдельных компонентов. Причиной этого является влияние на свойства данных материалов границ раздела, ориентации кристаллографических осей отдельных типов доменов, гетерофазных областей или компонентов, а также внутренних механических и электрических полей, возникающих при взаимодействии различных компонентов [1, 2, 4-6, 16, 17, 19-23]. Сегнетоактивные материалы в
15
поляризованном состоянии характеризуются достаточно сильными электромеханическими связями [1, 2, 10, 11, 15, 18-20], чувствительными к внешним электрическим и механическим полям, к изменению температуры, микроструктуры, условий синтеза и других факторов. Вследствие этого приобретают важное научное и практическое значение вопросы определения и оптимизации физических свойств гетерогенных материалов, а также проблема связи между физическими свойствами отдельных компонентов (как обладающих сегнетоэлектрическими свойствами, так и не обладающих ими) и гетерогенного материала в целом. Проводимый в главе 1 обзор литературных данных направлен на систематизацию известных результатов по гетерогенным сегнетоактивным материалам и способствует комплексному исследованию эффектов комбинирования физических свойств в этих материалах.
1.2. Композиты, их характеристики и физические свойства
1.2.1. Микрогеомегрия и классификация композитов
Согласно определениям из работ [4, 6, 12] композит (композиционный материал) является гетерогенной системой, которая включает в себя два или более компонентов, имеющих четко выраженные границы раздела. Линейные размеры компонентов, входящих в состав композита, малы по сравнению с динейным размером образца композитного материала.
Композиты с сегнето- или пьезоактивными компонентами относятся к важнейшим активным диэлектрическим материалам [1, 2, 4-6, 9, 12, 24]. Данные композиты находят широкое применение [2, 3, 9, 11, 24] в пьезотехнике, медицинской технике, акустике и твердотельной электронике благодаря разнообразным сочетаниям физических свойств компонентов [4-6, 21, 22], возможностям варьирования анизотропии свойств [25], других параметров и микрогеометрии компонентов [4-6, 12, 21, 22]. Свойствами, присущими современным сегнето- и пьезоактивным композитам [4—6, 9, 11], как правило, не обладают традиционные пьезоэлектрические кристаллы [14, 26], кристаллы сегнетоэлектриков [1, 16, 27] или СПК [1-3, 18-20].
- Київ+380960830922