2
СОДЕРЖАНИЕ
С.
Введение. Общая характеристика работы................................ 5
1. Пьезокомпозиты и их эффективные физические свойства (обзор
литературы).................................................... 18
1.1. Классификация пьезокомпозитов................................... 18
1.2. Методы определения эффективных физических свойств
пьезокомпозитов................................................ 21
1.3. Экспериментальные исследования физических свойств и
технология изготовления а-/?-пьезокомпозитов................... 28
1.4 Обоснование выбора расчетных методов, использованных в
диссертации для определения эффективных свойств пьезокомпозитов................................................ 36
1.5. Основные выводы................................................. 39
2. Исследование двухкомпонентных композитов с различной
микрогеометрией................................................ 42
2.1. Электромеханические свойства 1-1-пьезокомпозитов................ 43
2.2. Концепция узловых связностей и эволюция связностей
а-Д-композитов................................................. 52
2.3. Сравнение пьезоэлектрических свойств для связностей 1-/?........ 60
2.4. Формирование пьезоэлектрического отклика композитов со
сфероидальными ссгнетопьезокерамическими включениями в полимерной матрице....................................... 63
2.4.1. Определение эффективных электромеханических свойств
композитов с изолированными ссгнетопьезокерамическими включениями.................................................... 64
I
2.4.2. Пьезоэлектрические коэффициенты 0-3-комиозитов на основе
твёрдых растворов (РЬ,А)(ТцВ)Оз................................ 68
2.4.3. Пьезоэлектрические коэффициенты 0-3-композитов на основе
сегнетопьезокерамики (РЬ^Са^ТЮз................................ 75
2.5. Основные результаты и выводы.................................... 79
3
3. Прогнозирование пьезоэлектрических свойств композитов “кристалл - керамика” и других кристалл содержащих композитных материалов......................................... 81
3.1. Эффективные электромеханические свойства 0-3-композитов “кристалл - сегнстопьезокерамика на основе (РЬ|.ЛСах)ТЮ3” с включениями различной формы.......................................... 82
3.1.1. Модельные представления и процедуры усреднения электромеханических свойств.................................... 82
3.1.2. Ориентационные и концентрационные зависимости пьезокоэффициентов еЪ1 и <1\}.................................. 93
3.1.3. Пьезоэлектрическая поляризация и анизотропия пьезокоэффициентов композитов “кристалл - керамика” с включениями в форме параллелепипеда............................ 95
3.1.4. Эффективные пьезоэлектрические свойства композитов “кристалл - ссгнетопьезокерамика на основе (РЬ^Са^ТЮз” с дискообразными включениями..................................... 97
3.2. Пьезоэлектрические свойства композитов, содержащих кристаллы
релаксоров-сегнетоэлектриков................................... 101
3.2.1. Структура четырехкомпонентного композита и процедура усреднения электромеханических свойств ...............................102
3.2.2. Анализ немонотонных концентрационных зависимостей электромеханических свойств 0-0- -2-2-пьезокомпозитов......... 105
3.2.3. Гидростатический пьезоэлектрический отклик четырехкомпонентного композита на основе кристаллов
твёрдых растворов релаксоров-сегнетоэлектриков................. 114
3.2.4. Эволюция гидростатических параметров композитов на основе сегнстопьезоактивных кристаллов при переходе от связности
0-0-2-2 к 1-2-2...................................................... 120
3.3. Основные результаты и выводы................................... 127
4. Сравнительный анализ концентрационных зависимостей эффективных электромеханических свойств
4
a-ß- пьезокомпозитов............................................130
4.1. Сравнение методов прогнозирования эффективных свойств 2-2-пьезокомпозитов.............................................130
4.2. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов
для 1-3-пьезокомпозитов и пределы применимости используемых моделей.................................................. 134
4.3. Основные результаты и выводы.....................................150
Заключение........................................................... 152
Литература........................................................... 155
Приложение 1. Список основных публикаций автора по теме
диссертации.......................................................... 174
Приложение 2. Электромеханические константы полимеров,
сегнетопьезокерамик и кристаллов..................................... 177
Приложение 3. Копии документов о практическом использовании результатов диссертационной работы................................... 181
5
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Интерес к пьезоактивным композиционным материалам (пьезокомпозитам) обусловлен тем, что они обладают уникальным сочетанием физических свойств исходных компонентов, а эффективные физические свойства этих композиционных материалов зависят от ряда факторов /1-3/ и могут прогнозироваться на основе различных теоретических подходов и методов. Композиционные материалы на основе сегнетопьезокерамик (СПК) или сегнетоэлектрических кристаллов в последние годы активно исследуются в физике конденсированного состояния, химии твердого тела, кристаллографии, механике электроудругих сред и в пьезоэлектрическом материаловедении. Важность исследований пьезоактивных композиционных материалов обусловлена их применениями /2-4/ в пьезотехнике, гидроакустике, пьезоакустоэлектроиике, датчиковых системах и приборах медицинской диагностики благодаря сочетаниям физических свойств, которыми не обладают ни традиционные пьезоэлекзрические кристаллы, ни СПК. Несмотря на развитие методов исследования микроструктуры и эффективных физических свойств, а также разработку новых технологий получения пьезоактивных гетероструктур и композиционных материалов, до настоящего времени не удалось предложить унифицированный подход к определению их эффективных свойств при учете особенностей микрогеометрии, размерных эффектов и связности.
Эффективные физические свойства композиционных материалов вообще и пьезокомпозитов в частности зависят не только от свойств и объёмных концентраций компонентов, но и от связности. При описании пьезокомпозитов и их микроструктуры вводятся индексы связности, например, а-р для двух ком понентнмх материалов (а, Р = 0; 1; 2; 3) /1/. Индексы аир показывают, вдоль скольких осей прямоугольной системы координат непрерывно распределяется первый и второй компонент соответственно. Проблема связи микроструктуры и эффективных свойств играет ключевую роль в теоретическом исследовании иьезокомпозитов /1, 3, 5, 6/. Кроме того, большой интерес представляют работы, посвященные
6
изучению физических эффектов и получению пьезокомпозитов с прогнозируемыми свойствами (см., например, работы /2, 7-10/). Вместе с тем, высокая стоимость технологических циклов, связанных с получением пьезокомпозитов с заданной связностью в широком интервале объемных концентраций компонентов, указывает на необходимость своевременной разработки теоретических схем, методов и моделей для прогнозирования эффективных физических свойств пьезокомпозитов, а также для целенаправленного выбора компонентов. Несомненно, подобные схемы, методы и модельные представления должны распространяться на пьезо композиты с различными компонентами (кристалл, СП К, полимер) и связностями. Представленная диссертационная работа посвящена решению актуальной проблемы исследования связи «связность - эффективные электромеханические свойства» для различных типов композитов, а также анализу особенностей их эффективных свойств с учётом возможных практических применений данных материалов.
Настоящая диссертационная работа является составной частью исследований, проводимых в Южном федеральном университете (до декабря 2006 г. - Ростовский государственный университет) по темам НИР 11.1.02ф «Исследование закономерностей, определяющих гидростатические параметры пьезоэлектрических композиционных материалов «керамика — полимер» с различным типом связности», 11.1.02д «Изучение процессов взаимодействия электрических и упругих подсистем в гетерогенных пьезоэлектрических структурах «керамика - полимер»», ПЛ.ОЗф «Изучение влияния межфазных взаимодействий на пьезоэлектрические свойства композиционных структур «сегнетоэлектрическая керамика - полимер»» и
11.1.06ф «Разработка эффективных электрострикционных и пьезоэлектрических материалов на основе релаксорных сегнетоэлектриков и антисегнетоэлектриков со структурой перовскита». Диссертационные исследования выполнялись также в рамках грантов № АОЗ-2.9-413 (тема НИР «Прогнозирование физических свойств новых пьезоактивиых композитов») и № А04-2.9-141 (тема НИР «Анализ и оптимизация электромеханических свойств матричных пьезокомпозитов на основе оксидов семейства
7
перовскита») для поддержки НИР аспирантов высших учебных заведений Министерства образования и науки России.
Цель работы - установление основных закономерностей влияния связности, микрогеометрии и электромеханических свойств СГПС, сегнетоактивных кристаллов и полимеров на эффективные свойства пьезоактивных композиционных материалов.
Для достижения цели диссертационной работы решались следующие задачи:
• разработка подхода для определения эффективных электромеханических свойств пьезоактивных композиционных материалов со связностью а-р и регулярной планарной микрогеометрией (а, Р = 0; 1; 2; 3);
• построение модели композита со связностью 1—1 и выявление факторов, способствующих большой пьезоэлектрической анизотропии (отношение пьезокоэффициентов 4 / К,| > 10, 4 /141 > 10, у = 1; 2) и высокой пьезочувствитсльности данного композита (ёу / > 10, где gy -
пьезокоэффициент СПК,/ = 1; 2; 3);
• прогнозирование и анализ эффективных свойств композитов «СПК -полимер» со связностью 0-3 при учете микрогеометрии, доменной структуры, остаточной поляризации и анизотропии пьезоэлектрических свойств компонентов;
• построение модели 0-3-композита и разработка схем усреднения электромеханических свойств 1-2-2- и 0-0-2-2-композитов для изучения влияния сегнетоактивных кристаллических компонентов на эффективные свойства композитов;
• обоснование пределов применимости методов усреднения электромеханических свойств для связностей 2-2 и 1-3;
• анализ компонентов, микрогеометрии и связности, способствующих улучшению эффективных свойств и других параметров композиционных материалов для пьезотехнических устройств, выпускаемых на базе НКТБ «Пьезоприбор» ЮФУ.
Объекты исследования. Основными объектами исследования являются двухкомпонентные пьезокомпозиты «СПК - полимер»,
8
«сегнетоэлектрический кристалл - СПК» и гибридные пьезокомпозиты
«кристалл релаксора-сегнетоэлектрика - СПК - полимер-1 - полимер-2»,
«кристалл релаксора-сегнетоэлектрика-1 - кристалл релаксора-
сегнетоэлектрика-2 - полимер-1 - полимер-2» и «кристалл релаксора-
сегнстоэлектрика - полимер-1 - полимер-2». Выбор объектов связан с тем,
что некоторые связности и типы композитов либо не исследовались до
недавнего времени, либо находят практическое применение и требуют более
детального изучения для улучшения их эффективных свойств. При
определении эффективных свойств пьезокомпозитов использовались
известные из литературы /2, 11-21/ экспериментальные упругие, пьезо- и
диэлектрические константы перовскитовых СПК (на основе РЬ(2г,Т1)Оз или
РЬТЮз), кристаллов твёрдых растворов рслаксоров-сегнетоэлсктриков
(ТРРС) со структурой типа псровскита (0,955РЬ^П|/зКЬ2/з)Оз-0,045РЬТЮз и
0,67РЬ(М§]/зЫЬ2/з)Оз-0,33РЬТЮз) и ряда полимеров. Вышеназванные СПК,
широко использующиеся в современной пьезотехнике /4/, обладают
различной пьезоактивностыо и пьезочувствительностью, а их
пьезоэлектрическая анизотропия изменяется в широком интервале.
Кристаллы ТРРС, составы которых близки к морфотропной границе /2/, <
характеризуются высокой по сравнению с перовскитовыми СПК пьезоактивностыо. В качестве пьезоактивных или пьезопассивных полимерных компонентов выступают материалы с упругими свойствами, варьирующимися в широком интервале.
Методы исследования. Решение поставленных задач проводилось с помощью методов гомогенизации физических свойств композитных материалов (метод эффективного поля, метод случайно-неоднородных сред, аналитические решения для периодических структур и т.д.). Для решения задач привлекались также методы линейной теории упругости анизотропного твердого тела и матричной алгебры, применимые к электроупругим средам.
Научная новизна. В диссертационной работе впервые • разработана схема усреднения упругих, пьезо- и диэлектрических свойств для пьезокомпозитов типа «СПК - полимер» со связностью 1-1 и исследованы эффективные свойства 1-1 -композита в зависимости от
9
объемной концентрации и электромеханических свойств компонентов;
• на основе представления об узловых связностях развита концепция эволюции связностей двухкомпонентных композитов, позволяющая проводить систематическое описание и прогнозировать эффективные свойства двухкомпонентных композитов, обладающих периодической структурой с плоскими границами раздела компонентов;
• для 0—3-композита «СГЖ на основе РЬТЮз — полимер» с периодическим расположением сфероидальных СПК включений проведено комплексное исследование поведения эффективных пьезокоэффициентов ву, (1\}, и Аз (/ = 1; 3) в зависимости от объёмной концентрации компонентов, анизотропии электромеханических свойств СПК, упругих свойств полимера и формы СПК включений;
• в рамках модели 0-3-композита «кристалл РЬТЮз - СПК (РЬи*Саг)ТЮз» получены и интерпретированы зависимости эффективных пьезокоэффициентов от объёмной концентрации и формы кристаллических включений, молярной концентрации х ионов кальция и характеристик состояния доменной структуры обоих компонентов;
• предложены схемы усреднения электромеханических свойств композитов «кристалл ТРРС - СПК - полимер-1 - полимер-2»,,«кристалл ТРРС-1 - кристалл ТРРС-2 — полимер-1 - полимер-2» и 1—2-2-композита типа «кристалл ТРРС - полимер-1 - полимер-2», с помощью которых исследованы особенности концентрационных зависимостей эффективных свойств и максимумы гидростатических пьезоэлектрических параметров данных композитов с учетом эволюции связности 1-3 —> 1-2-2 —> 0-0--2-2.
Научная и практическая значимость. Результаты диссертационной работы расширяют возможности прогнозирования эффективных свойств пьезокомпозитов с различной связностью на основе сегнетопьезоактивных компонентов. Развитые методы исследования концентрационных зависимостей эффективных свойств и их анизотропии в композитах «СПК -полимер» и «сегнетоэлектрический кристалл - СПК» позволяют определять интервалы объёмных концентраций компонентов, в которых достигаются экстремумы эффективных пьезомодулей, параметров приема, коэффициентов
10
электромеханической связи и т.д. Получены новые знания о влиянии физических, кристаллографических и микрогеометрических факторов на пьезоактивность, пьезочувствительность и анизотропию пьезоэлектрических свойств в композитах «СПК - полимер» и «сегнетоэлектрический кристалл -СПК». Знание физических и микрогеометрических факторов, способствующих повышению пьезочувствительности, важно при создании пьезокомнозитных элементов современных сенсоров, сейсмоприемников, гидрофонов, датчиков медицинской техники и других пьезотехнических устройств. Полученные в диссертации данные по концентрационным зависимостям эффективных свойств иьезокоэффициентов £зз, zl и пьезомодулей ci;2, d\ новых композитов на основе кристаллов ТРРС представляются важными при выборе компонентов и создании гидрофонов и пьезопреобразователей.
Для расчета эффективных параметров пьезокомпозитов со связностями
1-3, 2-2, 1-1, 0-3, 1-2-2 и 0-0-2-2 разработаны компьютерные программы. Эти программы могут представлять интерес для специалистов, работающих в областях физики функциональных материалов, твердотельной и пьезоэлектрической электроники, пьезоэлектрической и медицинской техники, акустики и в смежных областях, і де применяются пьезоактивные материалы.
В недавних публикациях ученых из США /8/ и Финляндии /6/ цитировалась работа /A4/. Кроме того, работы /А 17, А18/ цитировались учеными из Гонконга /22/.
Результаты диссертации используются в учебном процессе на факультете высоких технологий Южного федерального университета при изучении современных пьезоэлектрических материалов и устройств на их основе (справка факультета высоких технологий ЮФУ № 63/56 от 22.11.2007 г.). Результаты диссертационных исследований двухкомпонентных пьезокомпозитов отражены в методических указаниях Тополова В.Ю., Турика A.B., Глушанина С.В. «Пьезоэлектрические композитные структуры: от микрогеометрии к эффективным свойствам» для студентов дневного отделения физического факультета и факультета высоких технологий (Ростов н/Д: Ростов, ун-т, 2005. - 39 с.). Результаты исследования пьезоэлектрических свойств двух-и четырехкомпонентных композитов представлены в книге «Основные научные
11
достижения Ростовского государственного университета. 4.1 - Естественные науки», Ростов н/Д: Изд-во Ростов, ун-та, 2005. - С.26-28.
Кроме того, результаты диссертации нашли практическое применение в Ростовском-на-Дону филиале НИИ физических измерений при отработке технологии выпуска пьезоэлементов из композиционных материалов «СПК — полимер» со связностями 0-3 и 2-2 (справка о внедрении № 44.1.0/63 от
26.11.2007 г.). Выработка рекомендаций по выбору компонентов и их объемной концентрации, микрогеометрии включений 0-3-композитов и ориентации границ раздела 2-2-композитов относительно направления поляризации позволила разработать пьезоактивные композиционные материалы, применение которых повысило в 1,5-2 раза чувствительность, быстродействие и точность датчиков давления, аппаратуры контроля вибрации, сейсмоприемников и акселерометров, выпускаемых на базе НКТБ «Пьезоприбор» ЮФУ (справка о практическом использовании № 4410/100 от
25.03.2008 г.).
На защиту выносятся следующие основные научные иоложеншг.
1. Для 1-1-композитов «сегнетопьезокерамика - полимер» с двоякопериодической структурой, описывающейся точечной группой симметрии тт2, характерно сочетание большой пьезоэлектрической анизотропии (отношение пьезокоэффициентов / \ d\j\ > 10, е\ъ / \e\j\ > 10, У = 1; 2) и высокой пьезочувствительности / g^J > 10, где £з/
пьезокоэффициент СПК,/ = 1; 2; 3).
2. Описание двухкомпонентных композитов с плоскими границами раздела компонентов и периодической структурой может проводиться в рамках представлений об узловых связностях (2-2, 1-1, 1-3 и 3-1), определяющих эволюцию всей системы связности а-р-композитов и позволяющих рассчитывать их эффективные электромеханические свойства при введении системы параметров концентрации одного из компонентов.
3. Концентрационные зависимости пьезоэлектрических свойств 0-3-композитов с вытянутыми в направлении поляризации сфероидальными включениями из сегнетопьезокерамики модифицированного РЬТЮз в полимерной матрице, характеризуются минимумом пьезомодуля и
12
скоррелированными минимумом пьезокоэффициента £3] и максимумом пьезокоэффициента g]>7>. Это связано с положительными пьезокоэффициентами е^С) сегнстопьезокерамики и различиями упругих свойств компонентов.
4. Пьезоэлектрический отклик 0-3-композитов «кристалл РЬТЮ3 — сегнетопьезокерамика (РЬ^СаДТЮз» характеризуется сочетанием монотонных и немонотонных концентрационных зависимостей пьезокоэффициентов с1^ и езу, соответственно, а также существенным изменением отношения «С) при изменении формы включений для интервала их объемной концентрации [0,02; 0,5]. Имеет место сильная зависимость отношения еу/е^С) от состояния доменной структуры включений и остаточной поляризации пьезокерамической матрицы.
5. Присутствие кристаллов твёрдых растворов релаксоров-сегнето-электриков и слоистой полимерной матрицы в пьезокомпозитах со связностями 0-0-2-2 и 1-2-2 позволяет достичь значения гидростатических пьезокоэффициентов (1*к « 800 пКл / Н, £,* « (600 ... 800) мВ’м/Н и квадрата гидростатического параметра приема (О,*)2 « (120 ... 150)-10'2 Па'1, превосходящие на порядок параметры известных 1-3- и 2-2-композитов «сегнетопьезокерамика - полимер».
Достоверность н обоснованность научных положений и выводов диссертации обусловлены корректной постановкой физической задачи для различных связностей и применением надежных алгоритмов для
моделирования физических свойств и компьютерных расчетов. Достоверность и обоснованность положений, результатов и выводов работы подтверждаются хорошим согласованием полученных расчетных и известных
экспериментальных (см., например, /2, 13, 17, 23, Л13/) результатов, а также иллюстрируются хорошей корреляцией между концентрационными
зависимостями ряда эффективных параметров, определенных различными методами, в том числе при переходе к предельным случаям и от связности к связности (например, 1—1 —> 1—3, 1-1 —> 2—2). В пользу достоверности расчетов концентрационных зависимостей электромеханических свойств, выполненных в диссертации, дополнительно свидетельствуют результаты
13
сравнительного анализа моделей пьезокомпозитов и методов определения эффективных свойств (глава 4 и работа /Л 13/) пьезокомпозитов с учетом границ применимости использованных теоретических подходов для прогнозирования эффективных свойств.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных совещаниях и конференциях: 10-м Международном совещании по ссгнетоэлектричеству (Мадрид, Испания, 2001 г.); Всероссийских научных конференциях студентов-физиков и молодых учёных - ВНКСФ-7 и ВНКСФ-8 (С.-Петербург, 2001 г.;
Екатеринбург, 2002 г.); Международных конференциях студентов,
аспирантов и молодых учёных «Ломоносов» (Москва, 2002-2005 гг.); 7-м Международном симпозиуме по сегнетоэлектрическим доменам и мезоскопическим структурам (Жьян, Франция, 2002 г.); 4-й Международной научной конференции «Перспективные задачи инженерной науки» (Игало, Черногория, 2003 г.); 5-м Международном конгрессе по ультразвуку (Париж, Франция, 2003 г.); Международной конференции по электрокерамике и её применениям «Электрокерамика-1Х» (Шербур, Франция, 2004 г.); 17-й Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (Пенза, 2005 г.); 6-й Международной конференции по вибротехнике (Каунас, Литва, 2006 г.).
Публикации. Всего по теме диссертации опубликована 31 работа. Список основных публикаций автора диссертации (в дальнейшем они приводятся с буквой «А») приведен в приложении 1 и содержит 19 наименований /А1-А19/, в том числе 9 статей в российских и 5 статей в зарубежных реферируемых научных изданиях, а также 3 статьи в сборниках трудов научных конференций.
Объём и структура работы. Объём работы - 154 страницы, включая 34 рисунка и 13 таблиц. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 180 наименований и трех приложений.
Во введении показана актуальность темы диссертации, сформулированы цель, задачи исследования и основные положения, выносимые на защиту, указана новизна полученных результатов, приводятся сведения о научной и практической ценности, апробации, объёме и структуре работы.
14
В первой главе проведен обзор литературы по теме диссертации. Показано, что при формировании эффективных свойств пьезокомпозитов важную роль играют электромеханические взаимодействия между отдельными компонентами и их микрогеометрия (связность). Анализ литературных данных по этому вопросу показывает, что известные теоретические методы расчёта электромеханических свойств пьезоактивных композитов в большинстве случаев разработаны для двухкомпонентных систем, а пьезоактивные композитные структуры с тремя или большим числом компонентов имеют ограниченное теоретическое описание.
При прогнозировании эффективных электромеханических свойств большое внимание уделено проблеме определения эффективных констант композитов “пьезоактивное включение - матрица” с помощью методов эффективной среды и эффективного поля. Определение эффективных свойств таких композитов в зависимости от объёмной концентрации пьезоактивных включений проводится в рамках моделей, в которых отдельные изолированные включения представляются в виде сферы, параллелепипеда или цилиндра. Далее в первой главе кратко излагается современное состояние аналитических методов усреднения электромеханических свойств волокнистых и слоистых пьезоактивных структур с учётом и без учёта электропроводности компонентов, а также в рамках динамического подхода.
Во второй половине первой главы рассмотрены современные технологии получения пьезоактивных композитов, а также приведены отдельные экспериментальные данные по их электромеханическим свойствам. Особое внимание уделено современным методам создания композитов «СПК - полимер» с предварительно задаваемой сложной микрогеометрией путем послойного синтеза и селективного лазерного спекания. Также приведено описание технологии создания композитов типа “кристалл - керамика” с двумя сегнетоактивными компонентами.
В заключительной части первой главы дано обоснование выбора использованных в диссертации расчетных методов для определения эффективных свойств пьезокомпозитов с планарной и криволинейной микрогеометрией. При этом показаны преимущества матричных методов,
15
применяющихся обычно для прогнозирования эффективных свойств 2-2- и 0-3-композитов с одним или двумя пьезоактивиыми компонентами.
Во второй главе приводятся результаты прогнозирования эффективных электромеханических свойств двух компонентных композитов “СПК - полимер” и анализа системы связностей а-/?. Предложен метод расчёта эффективных свойств 1-1-пьезокомпозитов с двояко-периодической структурой. Расчёты эффективных параметров данных композитов в зависимости от объёмной концентрации СПК основаны на матричном методе /24/ и свидетельствуют об оригинальном перераспре-делении внутренних электрических и механических полей в данных композитах. Кроме того, проведено сравнение пьезоэлектрических свойств 1-1- и 1-3-композитов в широком интервале объёмных концентраций СПК.
Анализ микрогеометрии двухкомпонентных пьезокомпозитов и их систем границ раздела компонентов привел*к построению схемы.эволюции связностей а-р (а, р~ 0; 1; 2; 3). Предложенная схема демонстрирует связи между так называемыми узловыми связностями 2-2, 1—1, 1-3, 3-1 и всеми остальными связностями а-р. Обсуждены особенности эволюции связностей и способы формирования а~Р~композитов “СПК - полимер” с планарной микрогеометрией.
Помимо этого, во второй главе проведено теоретическое исследование пьезоэлектрического отклика 0-3-композитов с вытянутыми сфероидальными включениями СПК на основе РЬТЮэ и проанализированы концентрационные зависимости эффективных пьезокоэффициентов , (1^, g*ЪJ и */г3у (/ — 1; 3), которые определяются методом эффективного поля как функции объёмной концентрации СПК и отношения длин полуосей сфероидальных включений. Установлено, что упругие свойства полимерной матрицы и пьезокоэффициенты 4?> > 0 включений приводят к формированию нетривиального пьезоэлектрического отклика 0-3-композитов на основе модифицированного РЬТЮз-
В третьей главе предложены модели для прогнозирования физических свойств сегнетопьезоактивных композитов “кристалл - керамика” (СККК) на основе твёрдых растворов (РЬ|.*Саг)ТЮз. Результаты экспериментальной работы /25/ стимулировали разработку модели 0-3-композита, содержащего
16
кристаллические включения в форме параллелепипеда или диска в СПК матрице. В рамках предложенных моделей рассмотрены особенности поведения эффективных пьезокоэффициентов . и еЪ] 0-3-композитов “кристалл РЬТЮз - СПК (РЬ|_*Сз*)ТЮз” с моно- и полидомеными включениями в зависимости от их объёмной концентрации и микрогеометрических характеристик. Установлено существенное влияние 90°-ной доменной структуры кристаллитов СПК и кристаллических включений, а также остаточной поляризации СПК на немонотонное поведение пьезокоэффициентов е\} и (Г3] в зависимости от ряда факторов.
Во второй половине третьей главы рассматриваются композиты “кристалл ТРРС - СПК - полимер-1 - полимер-2” и “кристалл ТРРС-1 -кристалл ТРРС-2 - полимер-1 - полимер-2” со связностью 0-0-2-2 и композиты “кристалл ТРРС - полимер-1 - полимер-2” со связностью 1-2-2. Данные композиты состоят из слоистых (связность 0-0-2-2) или однородных (связность 1-2-2) стержней и слоистой полимерной матрицы. Установлено, что использование кристаллов релаксора-сегнетоэлектрика 0,67РЬ^,/зЫЬ2ц)Оз-0,ЗЗРЬТЮз и/или 0,955РЬ(2п1/зПЪ2/3)03-0,045РЬТ10з в качестве компонентов слоистой структуры стержней и анизотропия упругих свойств слоистой полимерной матрицы играют решающую роль в формировании высокой гидростатической пьезочувствительиости трёх- и четырёхкомпонентных композитов, а микрогеометрия их пьезоактивных компонентов способствует наилучшей поляризации вдоль длины стержней.
В четвертой главе проведен сравнительный анализ расчётных концентрационных зависимостей эффективных электромеханических свойств двухкомпонентных пьезокомпозитов. На примере 2-2-композитов рассмотрены концентрационные зависимости их эффективных упругих, пьезо- и диэлектрических свойств, рассчитанные различными методами. Полученные результаты позволяют говорить о надёжности матричного метода для прогнозирования эффективных электромеханических свойств пьезокомпозитов “СПК - полимер” и “СПК-1 - СПК-2” с планарной микрогеометрией в полустатическом приближении (шйМс по терминологии работы /24/). Показано хорошее согласие расчётных и
- Київ+380960830922