Разработка двух- и трехкомпонентных пьезокомпозитов с улучшенными электромеханическими свойствами для акустических преобразователей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.06, кандидат наук Борзов Петр Алексеевич

• Борзов Петр Алексеевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Борзов Петр Алексеевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

С.

Введение

1 Пьезоэлектрические композиционные материалы, их 15 классификация, основные параметры и методы получения

1.1 Основные характеристики пьезокомпозитов, структурная 15 классификация, связность и ее эволюция

1.2 Прогнозирование электромеханических свойств, эффективные 21 параметры и потенциальные применения пьезокомпозитов

1.3 Методы изготовления пьезокомпозитов с различными 27 связностями

1.3.1 Изготовление пьезокомпозитов со связностью

1.3.2 Изготовление пьезокомпозитов со связностью

1.3.3 Изготовление пьезокомпозитов со связностью 0-3 30 2 Получение новых полимерсодержащих пьезокомпозитов типа 0-3 и исследование их параметров

2.1 Технологические аспекты получения новых пьезокомпозитов «СПК - полимер» со связностью типа

2.1.1 Выбор материалов компонентов для изготовления пьезокомпозитов

2.1.2 Получение пьезокомпозитов типа

2.2 Экспериментальное определение электрофизических параметров

пьезокомпозитов типа

2.3 Прогнозирование эффективных свойств пьезокомпозита типа

3 Получение новых пьезокомпозитов «СПК - корундовая керамика -воздух» типа 3-0 и исследование их параметров

3.1 Технологические аспекты получения пьезокомпозитов «СПК

корундовая керамика - воздух»

3.1.1 Материалы компонентов для изготовления корундсодержащих 63 пьезокомпозитов

3.1.2 Получение корундсодержащих пьезокомпозитов типа 3-0 64 3.2 Измерение, анализ и прогнозирование параметров 72 корундсодержащих пьезокомпозитов

3.2.1 Особенности микроструктуры

3.2.2 Концентрационные зависимости эффективных параметров

3.2.3 Модельные представления и прогнозирование эффективных 88 свойств пьезокомпозита типа

4 Параметры пьезокомпозитов для применений в акустических

преобразователях

Заключение

Список литературы

Приложение А. Список основных публикаций автора по теме 116 диссертации

Приложение Б. Сведения об апробации и использовании результатов 118 диссертации

Приложение В. Примеры электромеханических свойств СПК на 122 основе РЬ^г, ТГ)03

Приложение Г. Список сокращений и условных обозначений

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка двух- и трехкомпонентных пьезокомпозитов с улучшенными электромеханическими свойствами для акустических преобразователей»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования и степень ее разработанности.

Развитие пьезоэлектрического материаловедения и электронной техники связано с получением новых активных диэлектриков, которые обладают важными электромеханическими свойствами и демонстрируют стабильность этих свойств по отношению к внешним воздействиям [1-5]. В последние десятилетия наблюдается эффективное применение пьезоэлектрических материалов и устройств в различных областях техники и науки [3, 6-10]. К числу таких устройств относятся преобразователи, сенсоры, актюаторы, гидрофоны, акустические излучатели, антенны и т.д. [1, 7-10]. В каждом из устройств и приборов современной пьезотехники проявляется прямой (или обратный) пьезоэлектрический эффект, а с ним связано преобразование энергии из механической формы в электрическую и наоборот [1, 7, 8].

Подавляющее большинство современных пьезоэлектрических материалов обладает сегнетоэлектрическими свойствами [1, 3-7]. Как следует из многочисленных работ, выполненных в последние десятилетия (см., например, монографии [3-5, 7-11]), пьезоэлектрические материалы можно условно разделить на следующие группы: поляризованные сегнетокерамики, сегнето- и пьезоэлектрические кристаллы, тонкие сегнетоэлектрические пленки и композиты на основе сегнетоэлектриков. Пьезоактивные композиты (пьезокомпозиты) - гетерогенные диэлектрические материалы, в которых один или более компонентов обладают пьезоэлектрическими свойствами [3, 11]. Важной особенностью пьезокомпозитов является то, что их эффективные свойства могут варьироваться в широких интервалах, а отдельные параметры могут превосходить по величине аналогичные параметры компонентов [3, 10, 12]. В научном плане пьезокомпозиты представляют интерес вследствие сложных связей между составом, микрогеометрией и свойствами [3], а также благодаря различным возможностям получения новых материалов со

свойствами, превосходящими свойства отдельных компонентов [12]. В ряде случаев пьезокомпозиты рассматриваются как примеры материалов, связи между составом, структурой и свойствами в которых проявляются своеобразно [3] по сравнению, например, с сегнетопьезокерамиками (СПК) или сегнетоэлектрическими кристаллами. Это в значительной степени обусловлено микрогеометрическими особенностями пьезокомпозитов, их поляризованным состоянием и различиями между свойствами входящих в их состав компонентов.

Поиск оптимальных электромеханических (т.е. упругих, пьезо- и диэлектрических) свойств, прочностных, частотных, акустических и других характеристик материалов, применяемых в пьезотехнике, гидроакустике, неразрушающей дефектоскопии, медицинской диагностике и других областях привел к созданию различных пьезокомпозитов на основе СПК [12]. Среди этих пьезокомпозитов отметим двухкомпонентные материалы «СПК - полимер», «СПК - СПК», «сегнетоэлектрический кристалл - СПК», «СПК - пьезопассивная керамика» [7, 10, 12]. Однако в литературе практически отсутствуют подробные экспериментальные данные по электромеханическим свойствам и родственным параметрам трехкомпонентных композитов на основе СПК. Особое место среди рассматриваемых материалов занимают пористые материалы на основе СПК [13-15], которые характеризуются высокими значениями гидростатических (объемных) коэффициентов пьезоэлектрической чувствительности и

л*

большой анизотропией пьезомодулей а3. . Эти и другие параметры

способствуют активному использованию пористых материалов в качестве активных элементов приборов гидроакустики и дефектоскопии. Однако пористые материалы на основе СПК обладают рядом недостатков, что ограничивает применение пористых пьезоэлементов в пьезотехнике и других областях. Например, хрупкость пористой СПК матрицы делает проблематичным применение композитов типа «СПК - воздух» на больших

глубинах в гидроакустических приборах и устройствах [10]. Формирование сквозных каналов из крупных пор внутри СПК среды приводит к невозможности создания качественных электродов по технологии нанесения серебросодержащей пасты на образцы определенных геометрических размеров для высокочастотных датчиков неразрушающей дефектоскопии [7, 9]. Приведенные выше недостатки могут быть преодолены в таких материалах как пьезокомпозиты «СПК - полимер» [16-19] и «СПК -пьезопассивная керамика» [20, 21]. Однако для этих материалов в литературе имеются ограниченные экспериментальные данные по их свойствам, важным для прогнозирования ряда электрофизических параметров в широких концентрационных интервалах [3].

Настоящие диссертационные исследования выполнены как составная часть исследований в рамках следующих НИР НКТБ «Пьезоприбор» (Институт высоких технологий и пьезотехники) Южного федерального университета:

- научный проект в рамках проектной части госзадания Минобрнауки РФ «Создание комплекса, последовательно связанных между собой инновационных, экологически чистых технологий, включающих: низкотемпературные способы изготовления нано- и ультрадисперсных порошков сегнетофаз, технологии изготовления пьезокерамики и активных элементов пьезокомпозиционных материалов нового поколения, а также технологии изготовления на их основе пьезоэлементов, предназначенных для создания нового поколения пьезопреобразователей современных акустических и электромеханических систем, использующихся в различных областях науки и техники» (задание № 11.1627/2017/ПЧ, рег. номер НИОКТР АААА-А17-117031410023-5);

- комплексный проект «Разработка и создание высокотехнологичного производства мобильного гидроакустического комплекса освещения обстановки в различных акваториях Мирового океана на основе современных

пьезоэлектрических средств нового поколения» (Минобрнауки РФ, Договор № 03.G25.31.0276 от 29.05.2017).

Приведенные выше аргументы показывают, что проблема получения и исследования эффективных электромеханических свойств новых двух- и трехкомпонентных пьезокомпозитов, способных составить конкуренцию известным монолитным и пористым пьезоэлектрическим материалам и обладающих комплексом важных электромеханических свойств и параметров, является актуальной.

Цель диссертационной работы - получение новых двух- и трёхкомпонентных пьезокомпозитов на основе СПК типа ЦТС, обладающих значительной пьезочувствительностью в полярном направлении, стабильностью резонансных и антирезонасных частот в заданных концентрационных интервалах и представляющих интерес для применений в акустических преобразователях.

Для достижения цели диссертационной работы решались следующие задачи:

- разработка технологических приемов получения новых двух- и трехкомпонентных пьезокомпозитов «СПК - полимер», «СПК -пьезопассивная керамика», «СПК - полимер - воздух», «СПК -пьезопассивная керамика - воздух»;

- исследование эффективных электромеханических свойств, пьезочувствительности, параметров анизотропии и акустических характеристик полученных пьезокомпозитов в зависимости от объёмной концентрации пьезопассивных компонентов, а также анализ роли воздушных пор и микрогеометрии при формировании пьезоэлектрического отклика пьезокомпозитов;

- прогнозирование эффективных электромеханических свойств и родственных параметров пьезокомпозитов в широком интервале объёмных концентраций компонентов с целью разработки оптимальных рецептур при получении новых пьезокомпозитов на основе СПК.

Объекты исследований. В настоящей диссертационной работе объектами исследований являются пьезокомпозиты «СПК - полимер -воздух» со связностью типа 0-3 и «СПК - пьезопассивная керамика -воздух» со связностью типа 3-0.

Связность как одна из важнейших микрогеометрических характеристик композита [3, 22] вообще показывает, вдоль скольких осей прямоугольной системы координат непрерывно распределен тот или иной компонент. Например, в случае индексов связности 0-3 первый компонент (часто СПК) распределен дискретно (т.е. нуль осей, вдоль которых он непрерывен), а второй компонент (например, полимер или стекло) распределен непрерывно вдоль всех трех координатных осей.

В проведенных диссертационных исследованиях в качестве СПК компонента используется ЦТС-19 на основе РЬ^г, ТГ)03 со структурой типа перовскита (см. полный набор электромеханических констант СПК в приложении В). В качестве полимерного компонента выступает фторопластовый материал Ф-2МЭ, а в качестве пьезопассивной керамики -вакуумплотная корундовая керамика ВК-94-1 (22ХС). Выбор упомянутых выше компонентов обусловлен наличием надежных литературных данных по свойствам и ограниченными данными по пьезокомпозитам, содержащим данные компоненты.

Научная новизна. В ходе выполнения диссертационной работы впервые:

- использованы фторопласт Ф-2МЭ и вакуумплотная корундовая керамика ВК-94-1 в качестве пьезопассивных компонентов новых пьезокомпозитов с прогнозируемыми электромеханическими свойствами;

- экспериментально и теоретически исследованы зависимости эффективных пьезоэлектрических свойств и родственных параметров пьезокомпозитов, содержащих фторопласт Ф-2МЭ, в широком концентрационном интервале;

- экспериментально исследованы зависимости электрофизических и акустических параметров пьезокомпозитов, содержащих вакуумплотную корундовую керамику ВК-94-1, в интервале малых объёмных концентраций корунда (менее 20 %), и проведено прогнозирование эффективных свойств этих композитов;

- определена связь между массовой долей вакуумплотной корундовой керамики и пористостью пьезокомпозитов типа 3-0, а также обосновано влияние воздушных пор и корундовых включений на анизотропию пьезомодулей и коэффициентов электромеханической связи;

- показано, что пористая матрица корундсодержащего пьезокомпозита в значительной степени существенно влияет на концентрационные зависимости фазовых скоростей звука в данном омпозите и приводи к изменению этих скоростей менее чем на 10 %.

Теоретическая и практическая значимость. Экспериментальные данные по свойствам новых пьезокомпозитов, апробированные технологические приемы их изготовления и результаты прогнозирования свойств представляются важными при получении новых пьезокомпозитов для акустических преобразователей и сенсоров с улучшенными параметрами анизотропии, с высокой пьезочувствительностью, со значительными коэффициентами электромеханической связи и другими параметрами. Результаты работы [А6] использованы в новой монографии [23] по микрогеометрии и пьезочувствительности пьезокомпозитов, имеется цитирование [А6] в главах 1 и 2 монографии [23].

В акте внедрения результатов настоящей диссертации (НКТБ «Пьезоприбор» ЮФУ, 2018 г.) отмечено, что применение технологических приёмов и методов прогнозирования свойств из диссертационной работы при получении в НКТБ «Пьезоприбор» ЮФУ новых композитов позволило повысить их пьезокоэффициент g'*3 на 20%, коэффициент электромеханической связи к* на 10-15%, фактор анизотропии

пьезомодулей на 20-30%, гидростатический пьезомодуль на 15%. Диссертационные материалы, связанные с работами [А1, А3], используются в учебном процессе в рамках дисциплины «Элементная база пьезоэлектрического приборостроения» (магистратура по направлению 12.04.01 «Приборостроение», Институт высоких технологий и пьезотехники ЮФУ).

Методология и методы исследования. Исследование электрофизических параметров (ЭФП) пьезокомпозитов проведено в соответствии с действующими ГОСТами и ОСТами на пьезоэлементы и пьезоматериалы. Измерение основных ЭФП проведено методом резонанса-антирезонанса, измерение продольного пьезомодуля осуществлено в квазистатическом режиме, измерение плотности образцов р* проведено геометрическим методом с учетом результатов взвешивания. Прогнозирование эффективных свойств пьезокомпозитов проведено в рамках метода эффективного поля, матричного метода и других методов микромеханики неоднородных электроупругих сред.

На защиту выносятся следующие научные положения.

1. Пьезокомпозиты типа 0-3 «сегнетопьезокерамика ЦТС-19 -фторопласт Ф-2МЭ - воздух» в интервале объёмных концентраций фторопласта 0,05< тр1< 0,50 характеризуются немонотонным поведением

о о

диэлектрической проницаемости в 33 и значительной

пьезочувствительностью (g'¡3 « (42,2 ... 67,5) мВм / Н, |g*1| « (15,3 ... 24,1)

мВ м / Н), что обусловлено эволюцией микрогеометрии пьезокомпозитов и присутствием в них системы воздушных пор.

2. Для пьезокомпозитов типа 3-0 «сегнетопьезокерамика ЦТС-19 -вакуумплотная корундовая керамика ВК-94-1 - воздух» при объёмных концентрациях корундовой керамики 0,05 < тс < 0,18 установлено, что

а) формирование изолированной пористости образцов и зеркальное поведение объёмных концентраций корунда и пор наблюдаются при

значительной разности коэффициентов усадки сегнетопьезокерамики и корунда;

б) в присутствии корунда со значительными модулями упругости достигаются относительно большой пьезомодуль композита d*3« (136 ... 299) пКл / Н и анизотропия пьезомодулей d*3 / | d * | « 2,97 ... 3,90 при толщинном и планарном коэффициентах электромеханической связи k*« 0,52 ... 0,58 и | k * |

« 0,20 ... 0,41 соответственно.

3. Значительная стабильность резонансных (f, ft) и антирезонансных (fa, fat) частот композита «сегнетопьезокерамика ЦТС-19 - корундовая керамика - воздух» при 0,05 < mc < 0,18 обусловлена коррелированным изменением плотности р*, упругой податливости SjE и модуля упругости C3D в условиях примерного равенства объёмных концентраций корунда и воздушных пор.

Степень достоверности и апробация работы. Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается:

- использованием современного поверенного технологического и измерительного оборудования;

- использованием стандартизированных методов измерения ЭФП пьезоэлектрических материалов и элементов в строгом соответствии с действующей нормативно-технической документацией;

- соответствием результатов проведенных исследований фундаментальным теоретическим положениям, касающимся эффективных свойств пьезокомпозитов, их микрогеометрии и свойств отдельных компонентов;

- согласием между расчетными (модельными) и экспериментальными данными при применении различных методов прогнозирования эффективных свойств пьезокомпозитов с различными связностями.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на XXI и XXV Научных конференциях «Современные информационные технологии: тенденции и перспективы развития» (г. Ростов-на-Дону, Россия,

2014 и 2018 г.г.), на II Международной молодежной научной конференции «Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения» (г. Ростов-на-Дону, Россия, 2015 г.), на Международных конференциях "Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications" - PHENMA 2015 (г. Азов, Ростовская обл., Россия, 2015 г.), "Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications" - PHENMA 2016 (г. Сурабая, Индонезия, 2016 г.), "Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications" - PHENMA 2018 (г. Пусан, Республика Корея, 2018 г.), на 9 (14)-м Международном семинаре по физике сегнетоэластиков - ISFP 9 (г. Воронеж, Россия, 2018 г.).

Публикации по теме диссертации. Всего по теме диссертации опубликовано 17 научных работ. Список основных публикаций автора содержит 10 наименований [А1-А10], в том числе пять журнальных статей [А1-А5] в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, глава коллективной монографии [A6], изданной за рубежом, и четыре публикации в сборниках трудов научных конференций [А7-А10].

Личный вклад автора. Все основные результаты диссертационной работы получены лично автором. Автор непосредственно участвовал в планировании исследований, в выборе объектов исследований, в разработке технологии изготовления новых пьезокомпозитов, в проведении измерений их ЭФП, в интерпретации результатов и в прогнозировании эффективных параметров полученных пьезокомпозитов. Соавторами

публикаций [А1-А10] являются д.ф.-м.н., проф. Тополов В.Ю., д.т.н., проф. Панич А.Е., к.т.н. Филиппов С.Е., Воронцов А.А. и Брыль О.Е. (ЮФУ, г. Ростов-на-Дону).

Тема диссертационной работы предложена Тополовым В.Ю. Он осуществлял научное руководство, участвовал в прогнозировании свойств и других параметров пьезокомпозитов, в обсуждении и интерпретации экспериментальных результатов. Панич А.Е., Филиппов С.Е., Воронцов А.А. принимали участие в разработке технологических приемов получения новых пьезокомпозитов и в обсуждении полученных экспериментальных

результатов, Брыль О.Е. участвовала в исследовании микрогеометрии пьезокомпозитов.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 102 наименований и четырех приложений. Общее число страниц - 123, включая 25 рисунков и 19 таблиц.

Содержание работы. Во введении описана актуальность темы диссертационного исследования, сформулированы цель и задачи, указаны объекты исследования, новизна и практическая значимость работы, сформулированы основные научные положения, приведены сведения о степени достоверности и апробации результатов исследования, охарактеризованы основные публикации автора по теме диссертации, личный вклад автора, а также приведено краткое описание содержания глав диссертации.

В главе 1 проведен анализ литературных источников по современным пьезокомпозитам, по их основным ЭФП и механическим параметрам, связности, микрогеометрическим особенностям и методам изготовления пьезокомпозитов. Показана связь эффективных параметров пьезокомпозитов с их применениями, и рассмотрено влияние связности на характеристики пьезокомпозитов. Кратко охарактеризованы методы прогнозирования эффективных свойств пьезокомпозитов с определенными элементами связности.

Глава 2 посвящена получению новых смесевых пьезокомпозитов на основе СПК ЦТС-19 со связностью типа 0-3. В полимерной фторопластовой матрице этих пьезокомопзитов наблюдаются изолированные СПК включения. Описана технологическая процедура изготовления данных композитов, исследованы их электромеханичские свойства и родственные параметры в интервале объемных концентраций фторопластового компонента 0,05 < mpl < 0,50 с шагом 0,05. Проведено прогнозирование

эффективных свойств данных композитов типа 0-3, а также дано сравнение расчетных и экспериментальных параметров.

В главе 3 рассмотрены технологические приемы получения, свойства и параметры новых пьезокомпозитов типа 3-0. В качестве пьезопассивного компонента в них выступает вакуумплотная корундовая керамика ВК-94-1 (22ХС). Описан технологический процесс изготовления пьезокомпозитов, дана характеристика микрогеометрических особенностей, эффективных свойств и ряда параметров при объемной концентрации корундовой керамики 0,05 < тс < 0,18. Продемонстрировано влияние изолированной пористости на анизотропию пьезомодулей и коэффициентов электромеханической связи пьезокомпозитов. Прогнозирование их свойств осуществлено в рамках модели «композит в композите» с учетом особенностей пористости и микрогеометрии при различных объемных концентрациях тс.

В главе 4 дана краткая характеристика параметров исследованных пьезокомпозитов для применений в качестве активных элементов акустических преобразователей, а также показаны преимущества исследованных материалов в связи с их эффективными элктромеханическими свойствами.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертации.

В приложении А дан список основных публикаций автора по теме диссертации. В приложении Б представлены данные об апробации и использовании результатов диссертации. Приложение В содержит таблицу с полными наборами экспериментальных электромеханических констант СПК на основе РЬ^г, Т^03. Приложение Г содержит список сокращений и условных обозначений, использующихся в диссертации.

1 ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И МЕТОДЫ

ПОЛУЧЕНИЯ

В главе 1 рассматриваются пьезокомпозиты, содержащие в качестве одного из компонентов СПК; критерии классификации пьезокомпозитов, связности пьезокомпозитов и эволюция связностей, основные ЭФП ключевых типов пьезокомпозитов; методы изготовления и прогнозирования их эффективных свойств. Важной особенностью пьезокомпозитов является возможность достижения в них таких ЭФП и механических параметров, которые не присущи их компонентам по отдельности. Получение и изучение пьезокомпозитов как материалов со сложной микроструктурой, большим количеством возможных типов компонентов стали перспективными направлениями научных исследований и развития технологий в XXI веке.

1.1 Основные характеристики пьезокомпозитов, структурная классификация,

связность и ее эволюция

Пьезокомпозиты - гетерогенные диэлектрические материалы, которые содержат не менее двух компонентов (причем как минимум один из них должен обладать пьезоэлектрическими свойствами). Эти компоненты различны по своим химическим и физическим характеристикам, и между компонентами проходит ярко выраженная граница раздела [3, 11, 12]. Исходя из данного определения, пьезокомпозиты должны удовлетворять следующим требованиям [3]:

1) пьезокомпозиты - структурно неоднородные среды, в которых размер основного тела много больше размера структурных элементов, которые образуют компонент такого пьезокомпозита;

2) линейный размер структурного элемента пьезокомпозита значительно превышает размер отдельных молекул, а поведение структурного элемента можно описать с помощью методов механики и электродинамики сплошных сред.

Благодаря структурным особенностям пьезокомпозитов как микронеоднородных сред, их можно классифицировать по следующим признакам [3, 11, 12]:

1) по особенностям связности структурных элементов;

2) по размерам и форме структурных элементов;

3) по характеру взаимного расположения структурных элементов внутри пьезокомпозита.

По особенностям связности структурных элементов выделяют матричные пьезокомпозиты - те материалы, которые состоят из непрерывной матрицы одного компонента и изолированных включений других компонентов; каркасные пьезокомпозиты, в которых все компоненты представляют собой монолитные, взаимопроникающие каркасы; пьезокомпозиты без взаимного проникновения компонентов; комбинации вышеприведенных трех случаев.

По размерам и форме структурных элементов выделяют зернистые пьезокомпозиты - материалы, в которых все структурные элементы обладают сопоставимыми размерами в трех пространственных направлениях; волокнистые (армированные) пьезокомпозиты, у которых характерные размеры структурных элементов в одном пространственном направлении существенно превосходят размеры в двух других направлениях; пьезокомпозиты со слоистой структурой, где размеры структурных элементов в двух пространственных направлениях значительно превосходят размер в третьем направлении; комбинации описанных структур.

По взаимному расположению структурных элементов пьезокомпозиты можно условно разделить [3] на материалы с регулярной (детерминированной) структурой и нерегулярной (стохастической) структурой.

Приведенные выше особенности описываются концепцией связности композитов с детерминированной структурой и плоскими границами раздела

компонентов. Эта концепция впервые предложена профессором Ньюнэмом с сотрудниками [22] и стала в последние десятилетия лидирующей классификацией пьезокомпозитов. Критерием такой классификации является связность а — Р , где а,р = 0; 1; 2; 3 . Индексы а, Р соответствуют компонентам пьезокомпозита и показывают, вдоль скольких пространственных направлений соответствующий компонент распределен непрерывно. На рисунке 1.1 схематически показаны примеры 10 типов связности двухкомпонентного пьезокомпозита. Принято считать, что индекс а относится к пьезоактивному компоненту, а индекс Р - к пьезопассивному [3, 22, 24]. Например, связность 3-0 указывает на то, что в пьезоактивной матрице (непрерывно распределенной вдоль трех координатных осей) находятся изолированные включения (в этом случае нет осей координат, влоль которых такие включения непрерывно распределены), и эти включения являются пьезопассивными или проявляющими меньшую пьезоактивность по сравнению с матрицей. Учитывая, что = 0; 1; 2; 3, можно ввести для двухкомпонентного пьезокомпозита 16 связностей.

Внедрение композитов с прогнозируемыми пьезоэлектрическими свойствами в современную технику привело к масштабным исследованиям этих материалов. При этом большое распространение получили пьезокомпозиты «СПК-полимер» со связностями 0-3, 1-3, 2-2, 3-3 [16-19, 25-31], а также пористые пьезокомпозиты «СПК-воздух» [3, 32-42], которые можно отнести к связности типа 3-0 (умеренно пористые) или 3-3 (с высокой проникающей пористостью). Пьезокомпозиты с другими типами связности являются менее исследованными. По нашему мнению, это связано прежде всего с технологическими аспектами их получения, со сложностью микрогеометрии, с особенностями поведения ряда эффективных параметров [3, 12], а также со спецификой прогнозирования эффективных свойств подобных гетерогенных материалов при их сложной микрогеометрии [23, 38, 43].

Рисунок 1.1 - Схематическое изображение десяти типов связности а — Р двухкомпонентного пьезокомпозита [24]

Приведенная выше классификация Ньюнэма с сотрудниками [22] позволяет провести анализ эволюции связности пьезокомпозита, т.е. переход от связности а1 — к другой а2 — при определенных изменениях

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Борзов Петр Алексеевич, 2018 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Haertling, G.H. Ferroelectric ceramics: history and technology [Text] / G.H. Haertling // J. Am. Ceram. Soc.- 1999.- Vol. 82, N 4.- P.797-818.

2. Kong, L.B. Progress in synthesis of ferroelectric ceramic materials via high-energy mechanochemical technique [Text] / L.B. Kong, T.S. Zhang, J. Ma, F. Boey // Progr. Mater. Sci.- 2008.- Vol. 53.- P.207-322.

3. Topolov, V.Yu. Electromechanical properties in composites based on ferroelectrics [Text] / V.Yu. Topolov, C.R. Bowen.- London: Springer, 2009.- 202 p.: il.

4. Pardo, L. Multifunctional polycrystalline ferroelectric materials [Text] / L. Pardo, J. Ricote.- Dordrecht: Springer, 2011. - 782 p.: il.

5. Priya, S. Lead-free piezoelectrics [Text] / S. Priya, S. Nahm.- New York: Springer, 2012. - 528 p.: il.

6. Wilson, S.A. New materials for micro-scale sensors and actuators. An engineering review [Text] / S.A. Wilson, R.P.J. Jourdain, Q. Zhang // Materials Science and Engineering.- 2007.- Vol. 56.- P. 1-129.

7. Uchino, K. Ferroelectric devices [Text] / K. Uchino.- New York: Marcel Dekker Inc., 2000.- 309 p.:il.

8. Vives, A.A. Piezoelectric transducers and applications [Text] / A.A. Vives.-Berlin: Springer, 2008.- 532 p.: il.

9. Steinem, C. Piezoelectric sensors [Text] / C. Steinem, A. Janshoff.- Berlin: Springer, 2007.- 484 p.: il.

10. Sherman, C.H. Transducer and arrays for underwater sound [Text] / C.H. Sherman, J.L. Butler.- New York: Springer, 2007.- 610 p.: il.

11. Nielsen, L.F. Composite materials. Properties as influenced by phase geometry [Text] / L.F. Nielsen.- Berlin: Springer, 2005.- 259 p.: il.

12. Akdogan, E.K. Piezoelectric composites for sensors and actuator applications [Text] / E.K. Akdogan, M. Allahverdi, A. Safari // IEEE Trans. Ultrason., Ferroelec., a. Freq. Contr.- 2005.- Vol. 52, N 5.- P.746-775.

13. Rybyanets, A.N. Porous piezoelectric ceramics - a history overview [Text] / A.N. Rybyanets // Ferroelectrics.- 2011.- Vol. 419.- P.90-96.

14. Воронцов, А.А. Особенности пьезоэффекта и пьезочувствительности пористых керамик и композитов на основе Pb(Zr, Ti)O3 [Текст] / А.А. Воронцов, С.В. Глушанин, В.Ю. Тополов, А.Е. Панич // Перспективт задачi iнженерноi науки: Збiр. наук. праць / Пiд ред. B.I. Большакова. Вип. 5.- Дтпропетровськ: Gaudemaus, 2003.- С. 107-114.

15. Topolov, V.Yu. Piezoelectric response of porous ceramic and composite materials based on Pb(Zr, Ti)O3: experiment and modelling [Text] / V.Yu. Topolov, S.V. Glushanin, C.R. Bowen // Adv. Appl. Ceram.- 2005.-Vol. 104, N 6.- P.300-305.

16. Choi, Y.J Dielectric and piezoelectric properties of ceramic-polymer composites with 0-3 connectivity type [Text] / Y.J. Choi, M.J. Yoo, H.W. Kang // J. Electroceram.- 2013.- Vol. 30.- P.30-35.

17. Gowdhanam, P. Piezo, ferro and dielectric properties of ceramic-polymer composites of 0-3 connectivity [Text] / P. Gowdhanam, V. Annamalai, O.P. Thakur // Ferroelectrics.- 2016.- Vol. 493, N 1.- P. 120-129.

18. Annamalai, V. Dielectric and piezoelectric properties of various ferroelectric ceramic-polymer composites [Text] / V. Annamalai, S. Sundaram, P. Gowdhaman, P. Sampathkumar // J. Environ. Nanotechnol.-2014.- Vol. 3, N 3.- P.27-31.

19. Bowen, C.R. Piezoelectric sensitivity of PbTiO3-based ceramic / polymer composites with 0-3 and 3-3 connectivity [Text] / C.R. Bowen, V.Yu. Topolov // Acta Mater.- 2003.- Vol. 51, N 17.- P.4965-4976.

20. Filippov, S.E. Feautures of the piezoelectric effect in a novel PZT-type ceramic/clay composite [Text] / S.E. Filippov, A.A. Vorontsov, V.Yu. Topolov // Ferroelectrics Lett. Sec.- 2014.- Vol. 41, NN 4-6.- P.82-88.

21. Rybyanets, A.N. Ceramic piezocomposites: modeling, technology, and characterization [Text] / A.N. Rybyanets, A.A. Rybyanets // IEEE Trans. Ultrason., Ferroelec., a. Freq. Contr.- 2011.- Vol. 58, N 9.- P.1757-1773.

22. Newnham, R.E. Connectivity and piezoelectric - piroelectric composites [Text] / R.E. Newnham, D.P. Skinner, L.E. Cross // Mater. Res. Bull.-1978.- Vol. 13, N5.- P.525-536.

23. Topolov, V.Yu. Piezo-active composites. Microgeometry - sensitivity relations [Text] / V.Yu. Topolov, C.R. Bowen, P. Bisegna.- Cham: Springer Internat. Publ., 2018. - 179 p.:il.

24. Safari, A. Solid freeform fabrication of piezoelectric sensors and actuators [Text] / A. Safari, M. Allahverdi, E.K. Akdogan // J. Mater. Sci.- 2006.-Vol. 41, N 1.- P.177-198.

25. Sun, J. Development of 2-2 piezoelectric ceramic/polymer composites by direct-write technique [Text] / J. Sun, P. Ngernchuklin, M. Vittadello // J. Electroceram.- 2010.- Vol. 24, N 3.- P.219-225.

26. Rujijanagul, G. Effect of the particle size of PZT on the microstructure and the piezoelectric properties of 0-3 PZT/polymer composites [Text] // J. Mater. Sci. Lett.- 2001.- Vol. 20, N 21.- P.1943-1945.

27. Airimioaei, M. Effect of particle size and volume fraction of BaTiO3 powders on the functional properties of BaTiO3/poly(s-caprolactone) composites [Text] / M. Airimioaei, R. Stanculescu, V. Preutu // Mater. Chem. Phys.- 2016.- Vol. 182, N 1.- P.246-255.

28. Babu, I. Highly flexible piezoelectric 0-3 PZT-PDMS composites with high filler content [Text] / I. Babu, G. de With // Composites Sci. Technol.-2014.- Vol. 91, N 31.- P.91-97.

29. Guan, X. PZT/PVDF composites doped with carbon nanotubes [Text] / X. Guan, Y. Zhang, H. Li, J. Ou // Sensors a. Actuators A: Physical.- 2013.-Vol. 194, N 1.- P.228-231.

30. Zhang, Q. Structural characteristics of 0-3 ceramic/polymer composites [Text] / Q. Zhang, Q. Zhou, H.L.W. Chan // Ferroelectrics.- 2001.- Vol. 265, N 1.- P.69-74.

31. Hiroshitakeuchi. PZT/Polymer composites for medical ultrasonic probes [Text] / Hiroshitakeuchi, C. Nakaya // Ferroelectrics.- 1986.- Vol. 68, N 1.-P.53-61.

32. Kara, H. Porous PZT ceramics for receiving transducers [Text] / H. Kara, R. Ramesh, R. Stevens, C.R. Bowen // IEEE Trans. Ultrason., Ferroelec., a. Freq. Contr.- 2003. - Vol. 50, N 3.- P.289-296.

33. Praveenkumar, B. Study on microstructure, piezoelectric and dielectric properties of 3-3 porous PZT composites [Text] / B. Praveenkumar, H.H. Kumar, D. Kharat // J. Mat. Sci: Materials in Electronics.- 2006.- Vol. 17, N 7.- P.515-518.

34. Zhang, Y. Enhanced pyroelectric and piezoelectric properties of PZT with aligned porosity for energy harvesting applications [Text] / Y. Zhang, M. Xie, J. Roscow, Y. Bao, K. Zhou, D. Zhang, C.R. Bowen // J. Mater. Chem. A.- 2017.- Vol. 5.- P.6569-6580.

35. Yang, A. Microstructure and electrical properties of porous PZT ceramics fabricated by different methods [Text] / A. Yang, C.A. Wang, R. Guo, Y. Huang // J. Am. Ceram. Soc.- 2010.- Vol. 93, N 7.- P. 1984-1990.

36. Xu, T.T. Microstructure and electrical properties of porous PZT ceramics with unidirectional pore chanel structure fabricated by freeze-casting [Text] / T.T. Xu, C.A. Wang, R. Guo // Key Engin. Mater.- 2012.- Vol. 512-515.-P.1347-1350.

37. Stancu, V. Structural and microstructural properties of porous PZT films [Text] / V. Stancu, I. Boerasu, M. Lisca et al. // J. Optoelectron. Adv. Mater.- 2006.- Vol. 8, N 4.- P. 1492-1497.

38. Roscow, J.I. Understanding the peculiarities of the piezoelectric effect in macro-porous BaTiO3 [Text] / J.I. Roscow, V.Yu. Topolov, C.R. Bowen et al. // Sci. Technol. Adv. Mater.- 2016.- Vol. 17, N 1.- P.769-776.

39. Schult, M. Experimental studies on 3D printing of barium titanate ceramics for medical applications [Text] / M. Schult, E. Buckow, H. Seitz // Current Directions in Biomedical Engineering.- 2016.- Vol. 2, N 1.- P.95-99.

40. Wutcherer, L. Mechanical properties of BaTiO3 open-porosity foam [Text] / L. Wutcherer, J.C. Nino, G. Subhash // J. Europ. Ceram. Soc.- 2009.- Vol. 29, N 10.- P.1987-1993.

41. Zhang, Y. Aligned porous barium titanate/hydroxyapatite composites with high piezoelectric coefficients for bone tissue engineering [Text] / Y. Zhang, L. Chen, J. Zeng et al.// Mater. Sci. and Engin. C.- 2014. - Vol. 39.-P.143-149.

42. Bowen, C.R. Processing and properties of porous piezoelectric materials with high hydrostatic figures of merit / C.R. Bowen, A. Perry, A.C.F. Lewis, H. Kara // J. Europ. Ceram. Soc.- 2004.- Vol. 24, N 2.- P. 541-545.

43. Topolov, V.Yu. Evolution of connectivity patterns and links between interfaces and piezoelectric properties of two-component composites / V.Yu. Topolov, S.V. Glushanin // J. Phys. D: Appl. Phys.- 2002.- Vol. 35, N 16.- P.2008-2014.

44. Богуш, М.В. Пьезоэлектрические датчики для экстремальных условий эксплуатации [Текст] / М.В. Богуш.- Ростов н/Д.: Изд-во СКНЦ ВШ, 2006.- 346 с.: ил.

45. Янчич, В.В. Пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи (акселерометры) [Текст] / В.В. Янчич.- Ростов н/Д.: Изд-во ЮФУ, 2010.- 304 с.:ил.

46. Богуш, М.В. Проектирование пьезоэлектрических датчиков на основе пространственных электротермоупругих моделей [Текст] / М.В. Богуш.- М.: Техносфера, 2014.- 312 с.: ил.

47. Kara, H. Hydrophone arrays assembled from PZT ceramic foams [Text] / H. Kara, R. Ramesh, R. Stevens et al. // Integr. Ferroelectrics.- 2004.- Vol. 63.- P.201-206.

48. Li. H. Piezoelectric materials used in underwater acoustic [Text] / H. Li, D.Z. Deng, T.J. Carlson // Sensor Lett.- 2012.- Vol. 10, NN 3-4,- P.679-697.

49. Boumchedda K. Properties of a hydrophone produced with porous PZT ceramic [Text] / K. Boumchedda, M. Hamadi, G. Fantozzi // J. Europ. Ceram. Soc.- 2007.- Vol. 27, NN 13-15.- P.4169-4171.

50. Nateri, S.M. The effect of material properties on sensitivity of the micromechanical systems piezoelectric hydrophone [Text] / S.M. Nateri, B.A. Ganji // IJE Transactions C: Aspects.- 2017.- Vol. 30, N 12.- P.1848-1855.

51. Huang, J.H. Electroelastic Eshelby tensors for an ellipsoidal piezoelectric inclusion [Text] / J.H. Huang, S. Yu // Compos. Engin.-1994.- Vol. 4, N 11.- P.1169-1182.

52. Gayathiri, S. Piezoelectric ceramic-polymer composites as smart materials: an overview of preparation methods [Text] / S. Gayathiri, P. Gowdhaman, V. Annamalai // J. Environ. Nanotechnol.- 2017.- Vol. 6, N 3.- P.83-89.

53. Xu, D. Electromechanical properties of 2-2 cement based piezoelectric composite [Text] / D. Xu, C. Xin, H. Shifeng, J. Minhua // Curr. Appl. Phys.- 2009.- Vol. 9, N 4.- P.816-819.

54. Yue, Q. Design and fabrication of relaxor-ferroelectric single crystal PIN-PMN-PT/epoxy 2-2 composite based array transducer [Text] / Q. Yue, D. Liu, J. Deng et al. // Sensors and Actuators A: Physical.- 2015.- Vol. 234, N 1.- P.34-52.

55. Livneh, S.S. Development of fine scale and large area piezoelectric ceramic fiber/polymer composites for transducer applications [Text] / S.S. Livneh, M. Ting, A. Safari // Ferroelectrics.- 1994.- Vol. 157, N 1.- P.421-426.

56. Schileo, G. Multiferroic and magnetoelectric properties of Pb0.99[Zr0.45Ti0.47(Nii/3Sb2/3)0.08]O3-CoFe2O4 multilayer composites fabricated by tape casting [Text] / G. Schileo, C. Pascual-Gonzalez, M. Alguero et al. // J. Europ. Ceram. Soc.- 2018.- Vol. 38, N 4.- P.1473-1478.

57. Turcu, S. Piezoelectric properties of novel oriented ceramic-polymer composites with 2-2 and 3-3 connectivity [Text] / S. Turcu, B. Jadidian,

S.C. Danforth, A. Safari // J. Electroceram.- 2002.- Vol. 9 N 3.- P.165-171.

58. Choy, S.H. Study of BNKLBT-1.5 lead-free ceramic/epoxy 1-3 composites [Text] / S.H. Choy, W.K. Li, H.K. Li // J. Appl. Phys.- 2007.- Vol. 102, N 11.- P.167-175.

59. Choy, S.H. Study of 1-3 PZT fibre/epoxy composite force sensor [Text] / S.H. Choy, H.L.W. Chan, M.W. Ng, P.C.K. Liu // Applied Physics A.-2005.- Vol. 81, N 4.- P.817-821.

60. Zhang, D. Piezoelectric 1-3 composites for high frequency ultrasonic transducer application [Text] / D. Zhang, B. Su, T.W. Button // Ferroelectrics.- 2004.- Vol. 304, N 1.- P.201-205.

61. Gebhardt, S. Fine scale 1-3 composites fabricated by the soft mold process: preparation and modeling [Text] / S. Gebhardt, A. Schonecker, R. Steinhausen, T. Hauke, W. Seifert, H. Beige // Ferroelectrics.- 2000.- Vol. 241, N 1.- P.67-73.

62. Wilson, S.A. Structure modification of 0-3 piezoelectric ceramic/polymer composites through dielectrophoresis [Text] / S.A. Wilson, G.M. Maistros, R.M. Whatmore // J. Phys. D: Appl. Phys.- 2005.- Vol. 38, N 2.- P.175-182.

63. Seema, A. PVDF-PZT-5H composites prepared by hot press and tape casting techniques [Text] / A. Seema, K.R. Dayas, J.M. Varghese // J. Appl. Polym. Sci.- 2007.- Vol. 106, N 1.- P.156-151.

64. Chaipanich, A. Effect of PZT particle size on the electromechanical coupling coefficient of 0-3 PZT-cement composites [Text] / A. Chaipanich, N. Jaitanong // Ferroelectrics Lett. Sec.- 2009.- Vol. 36, NN 1-2.- P.37-44.

65. Лущейкин, Г.А. Полимерные пьезоэлектрики [Текст] / Г.А. Лущейкин.- М.: Химия, 1990.- 176 с.: ил.

66. ГОСТ 5539-73 Глет свинцовый. Технические условия [Текст].- М.: Изд-во стандартов, 1973.- 26 с.

67. ГОСТ 2821-75 Стронций углекислый. Технические условия [Текст]. -М.: Изд-во стандартов, 1975. - 34 с.

68. ГОСТ 21907-76 Циркония двуокись. Технические условия [Текст]. -М.: Изд-во стандартов, 1976.- 26 с.

69. ГОСТ 23620-79 Ниобия пятиокись. Технические условия [Текст]. - М.: Изд-во стандартов, 1979.- 14 с.

70. Jaffe, B. Piezoelectric ceramic [Text] / B. Jaffe, W.R. Cook, H. Jaffe.-London: Academic Press INC., 1971.- 317 p.: il.

71. Окадзаки, К. Технология керамических диэлектриков: пер. с яп. [Текст] / К. Окадзаки.- М.: Энергия, 1976.- 327 с.: ил.

72. Глозман, И.А. Пьезокерамика [Текст] / И.А. Глозман.- М.: Энергия, 1967. - 272 с.: ил.

73. Гороховатский, Ю.А. Трехслойная структура сегнетоэлектрических фторполимерных пленок [Текст] / Ю.А. Гороховатский, Л.Б. Анискина, Б.А. Тазенков // Изв. РГПУ им. А. И. Герцена.- 2004.- Т.4, N 8.- C.34-51.

74. Rybjanets, A.N. Properties of PZT/PZT ceramic piezocomposites [Text] / A.N. Rybjanets // Bull. Russ. Acad. Sci. Physics.- 2010.- Vol. 74, N 8.-P.1100-1103.

75. Хорошун, Л.П. Прогнозирование эффективных свойств пьезоактивных композитных материалов [Текст] / Л.П. Хорошун, Б.П. Маслов, П.В. Лещенко.- Киев: Наукова думка, 1989.- 208 с.: ил.

76. Levassort, F. Modeling of highly loaded 0-3 piezoelectric composites using a matrix method [Text] / F. Levassort, M. Lethiecq, C. Millar // IEEE Trans. Ultrason., Ferroelec., a. Freq. Contr.- 1998. - Vol. 45, N 6.- P.1497-1505.

77. Venkatragavaraj, E. Piezoelectric properties of ferroelectric PZT-polymer composites [Text] / E. Venkatragavaraj, B. Satish, P.R. Vinod // J. Phys. D: Appl. Phys.- 2001.- Vol. 34, N 4. P.487-492.

78. Babu, I. Processing and characterization of piezoelectric 0-3 PZT/LCT/PA composites [Text] / I. Babu, D.A. van den Ende, G. de Wit // J. Phys. D: Appl. Phys.- 2010.- Vol. 43, N 42.- P.425402-10 p.

79. Van den Ende, D.A. Properties of quasi 1-3 piezoelectric PZT-epoxy composites obtained by dielectrophoresis [Text] / D.A. Van den Ende, B.F. Bory, W.A. Groen // Integr. Ferroelectrics.- 2010.- Vol. 114.- P. 108-118.

80. Каталог продукции ОАО «НИИ «Элпа» [Электронный ресурс] / http://www.elpapiezo.ru/Catalogs/Catalog_of_piezoceramic.pdf

81. MatWeb: Material Property Data [Электронный ресурс] / www.matweb.com

82. Filippov, S.E. Microgeometry, piezoelectric sensitivity and anisotropy of properties in porous materials based on Pb(Zr, Ti)O3 [Text] / S.E. Filippov, A.A. Vorontsov, O.E. Brill, V.Yu. Topolov // Funct. Mater. Lett.- 2014. -Vol. 7, N 3.- P.1450029-6 p.

83. Земляков, В.Л. Методы и средства измерений в пьезоэлектрическом приборостроении [Текст] / В.Л. Земляков.- Ростов н/Д.: Изд-во ЮФУ, 2009.- 180 с.: ил.

84. Dunn, M.L., Electromechanical properties of porous piezoelectric ceramics [Text] / M.L. Dunn, M. Taya // J. Am. Ceram. Soc.- 1993.- Vol. 76 N 7.-P.1697-1706.

85. Chan, H.L.W. Simple model for piezoelectric ceramic/polymer 1-3 composites used in ultrasonic transducer applications [Text] / H.L.W. Chan, J. Unsworth // IEEE Trans. Ultrason., Ferroelec., a. Freq. Contr.- 1989.-Vol. 36 N 4.- P. 434-441.

86. Ситало, Е.И. Технология изготовления и свойства пористой пьезокерамики [Текст] / Е.И. Ситало, В.Г. Смотраков, В.В. Еремкин // Сб. докл. Международ. научно-практ. конф. «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения» - Пьезотехника 2002. 17-21 сентября 2002 г. г. Тверь.- Тверь, 2002.- С.305-308.

87. Свердлин, Г.М. Прикладная гидроакустика [Текст]: Учеб. пособие.- 2-е изд. / Г.М. Свердлин.- Л.: Судостроение, 1990.- 320 с.: ил.

88. Damjannovic, D. Electromechanical anisotropy in modified lead titanate ceramics [Text] / D. Damjanovic, T.R. Gururaja, S.J. Jang, L.E. Cross // ISAF'86: Proc.6th IEEE Internat. Symp. Applications of Ferroelectrics, Bethlehem, PA, 8-10 June, 1986.- New York, NY, 1986.- P.344-347.

89. Ichinose, N. Piezoelectric anisotropy in the modified PbTiO3 ceramics [Text] / N. Ichinose, Y. Fuse, Y. Yamada, R. Sato // Jap. J. Appl. Phys.-1989.- Vol. 28, Suppl.28-2.- P.87-90.

90. Turik, A.V. Ferroelectric ceramics with a large piezoelectric anisotropy [Text] / A.V. Turik, V.Yu. Topolov // J. Phys. D: Appl. Phys.- 1997.- Vol. 30, N 11.- P.1541-1549.

91. Желудев, И.С. Физика кристаллических диэлектриков [Текст].- М.: Наука, 1968.- 464 с.: ил.

92. Гориш, А.В. Пьезоэлектрическое приборостроение [Текст] / А.В. Гориш, В.П. Дудкевич, М.Ф. Куприянов и др.- Т.1. Физика сегнетоэлектрической керамики.- М.: Издат. предпр. ред. жур. «Радиотехника», 1999.- 368 с.: ил.

93. Pardo, L. Theoretical treatment of ferroelectric composites using Monte Carlo calculations [Text] / L. Pardo, J. Mendiola, C. Alemany // J. Appl. Phys.- 1988.- Vol. 64, N 10.- P. 5092-5097.

94. Gibiansky, L.V. Optimal design of 1-3 composite piezoelectrics [Text] / L.V. Gibiansky, S. Torquato // Struct. Optimization.- 1997.- Vol. 13, N 1.-P. 23-30.

95. Левин, В.М. Об эффективных свойствах пьезоактивных матричных композитных материалов [Текст] / В.М. Левин // ПММ.- 1996.- Т. 60, N 2.- С. 313-322.

96. Bowen, C.R. Modern piezoelectric energy-harvesting materials [Text] / C.R. Bowen, V.Yu. Topolov, H.A. Kim.- Cham: Springer Internat. Publ. Switzerland, 2016.- 152 p.: il.

97. Choi, Y.J. Dielectric and piezoelectric properties of ceramic-polymer composites with 0-3 connectivity type [Text] / Y.J. Choi, M.-J. Yoo, H.-W. Kang et al. // Journal of Electroceramics. - 2013.- Vol. 30, N 1.- P. 30-35.

98. Guan, X. PZT/PVDF composites doped with carbon nanotubes [Text] / X. Guan, Y. Zhang, H. Li, J. Qu // Sensors and Actuators A - Physical.-

2013.- Vol. 194.- P.228-231.

99. Babu, I. Highly flexible piezoelectric 0-3 PZT-PDMS composites with high filler content [Text] / L. Babu, G. de With // Compos. Sci. a. Technol.-

2014.- Vol. 91, N 1.- P. 91-97.

100. Данцигер, А.Я. Высокоэффективные пьезокерамические материалы [Текст]: Справочник / А.Я. Данцигер, О.Н. Разумовская, Л.А. Резниченко и др.- Ростов н/Д: Книга, 1994.- 32 с.

101. Акопьян, В.А. Методы и алгоритм определения полного набора совместимых материальных констант пьезокерамических материалов [Текст] / В.А. Акопьян, А.Н. Соловьев, С.Н. Шевцов.- Ростов н/Д: Изд-во ЮФУ, 2008.- 144 с.: ил.

102. Topolov, V.Yu. Inconsistencies of the complete sets of electromechanical constants of relaxor-ferroelectric single crystal [Text] / V.Yu. Topolov, C.R. Bowen // J. Appl. Phys.- 2011.- Vol. 109.- P. 094107-5p.

ПРИЛОЖЕНИЕ А - СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

A1. Борзов П.А. Пьезоэлектрический отклик и особенности микрогеометрии нового композита на основе сегнетопьезокерамики ЦТС-19 [Текст] / П.А. Борзов, В.Ю. Тополов, А.А. Воронцов // Нано- и микросист. техника.- 2015.- N 6.- С.22-26.

A2. Borzov, P.A. Piezoelectric sensitivity and electromechanical coupling in a novel corundum-containing 3-0 type composite [Text] / P.A. Borzov, S.E. Filippov, V.Yu. Topolov, O.E. Brill, A.E. Panich // Ferroelectrics Lett. Sec.- 2018.- Vol. 45, NN 1-3.- P.22-29.

A3. Борзов П.А. Электромеханические свойства и акустические характеристики композита «сегнетопьезокерамика - корундовая керамика - воздух» [Текст] / П.А. Борзов, С.Е. Филиппов, В.Ю. Тополов, О.Е. Брыль, А.Е. Панич // Нано- и микросист. техника.-2018.- Т. 20, N 7. - C. 415-421.

A4. Borzov, P.A. Piezoelectric properties and related parameters of a novel 3-0-type composite [Text] / P.A. Borzov, S.E. Filippov, V.Yu. Topolov, O.E. Brill, A.E. Panich // Funct. Mater. Lett.- 2018.- Vol. 11, N 4.-P. 1850082-4 p.

A5. Borzov, P.A. Elastic properties and frequency characterestics of a piezo-active 3-0-type corundum-containing composite [Text] / P.A. Borzov, S.E. Filippov, V.Yu. Topolov, O.E. Brill, A.E. Panich // Advanced Composites and Hybrid Materials.- 2018. - Vol. 1, N 1.- P.558-566.

A6. Borzov, P.A. Piezoelectric performance and features of microgeometry of novel composites based on ferroelectric ZTS-19 ceramics [Text] / P.A. Borzov, V. Yu. Topolov, A.A. Vorontsov, O.E. Brill // Proceedings of the 2015 International Conference on «Physics, Mechanics of New Materials and Their Applications», Devoted to the 100th Anniversary of the Southern Federal University New York: Nova Science Publishers, 2016.- P.115-122.

A7. Борзов, П.А. Проблема выбора сегнетопьезоактивных компонентов для пьезокомпозитов и информационные аспекты проблемы [Текст] / П.А. Борзов, В.Ю. Тополов, А.А. Воронцов // Сб. тр. XXI Научной конференции «Современные информационные технологии: тенденции и перспективы развития» 17-18 апреля 2014 г. г. Ростов-на-Дону.- Ростов н/Д: Изд-во ЮФУ, 2014.- С.63-67.

A8. Борзов, П.А. Микрогеометрия и пьезоэлектрические характеристики свойств композита «сегнетопьезокерамика ЦТС-19 - полимер» [Текст] / П.А. Борзов, А.А. Воронцов, В.Ю. Тополов, О.Е. Брыль // Сб. тр. II международной молодежной научной конференции «Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения» Т.1. 6-10 сентября 2016 г. г. Ростов-на-Дону.- Ростов н/Д: Изд-во ЮФУ, 2015.- С. 102-105.

A9. Borzov, P.A. Features of elastic properties and frequency characteristics of a ferroelectric PZT-type ceramic / corundum ceramic / air composite [Text] / P.A. Borzov, S.E. Filippov, V.Yu. Topolov, O.E. Brill, A.E. Panich // PHENMA 2018: Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications. August 9-11th, 2018 Korea Maritime and Ocean University. Busan, Republic of Korea / Eds. Y.-H. Kim, I.A. Parinov, S.-H. Chang.-Busan, 2018.- P. 81-82.

A10. Borzov, P.A. Features of piezoelectric properties and electromechanical coupling in a ferroelectric PZT-type ceramic / corundum ceramic / air composite at small volume fractions of corundum / P.A. Borzov, S.E. Filippov, V.Yu. Topolov, O.E. Brill, A.E. Panich // Ibid.- P. 82-83.

ПРИЛОЖЕНИЕ Б - СВЕДЕНИЯ ОБ АПРОБАЦИИ И ИСПОЛЬЗОВАНИИ

РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИИ

МИНОВРНАУКИ РОССИИ федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

В Диссертационный совет Д 212.304.09 по техническим наукам

Институт высоких технологий и пьезотехники (ИВТ и ПТ ЮФУ)

ул. Мильчакова.Ю. г. Ростов-на-Дону, 344090 тел.: [phone]; факс; 243-48-44;

е-111 а]I; рIеей йРис!и . ш; Ь11р:№IV. р\е д>. $ I'с с!II.г»

К) ж но-Российский государственный пЩштехнический университет (НИИ) имени М.И.Платова ул. Проевещенйя, 132 346428. г. Новочеркасск Ростовская обл.

На №

Об использовании результатов кандидатской диссертации

Настоящим подтверждается, что материалы кандидатской диссертации Борзова Петра Алексеевича но специальности 05.27.06 - Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники используются в учебном процессе и рамках дисциплины «Элементная база пьезоэлектрического приборостроения» для студенток 1-го года обучения магистратуры Института нысоких технологий и пьезотехники ЮФУ, направления магистратуры 12.04.01 «Приборостроение». В частности, это относится к научным результатам по современным дьезокомпозитам, что опубликовано в двух статьях Борзйва П.А. с сотрудниками в журнале «Нано- и Микросистемная техника», 2015 и 2018 гл

Зам.директора

по учебной работе ИВТи! ГГ ЮФУ

Г.Г. Гусенко

УТВЕРЖДАЮ Заместитель директора НКТБ «Пьезоприбор» ФГАОУ ВО «Южный феде| университет», кандидат;

4 сентября 2018 АКТ

внедрения результатов диссертационной работЁг ьор^ооапетра Алексеевича на тему «Разработка двух- и трехколшонентных пьезоком побито в с улучшенными электромеханическими свойствами для акустических преобразователей», представленной па соискание ученой степени кандидата технических наук: но специальности 05.27.06-

Технологни и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники

Комиссия в составе: директора - главного конструктора НКТБ «Пьезоприбор» ЮФУ Панина A.A. (председатель), начальника опытного производства НКТБ «Пьезоприбор» ЮФУ Филиппова Е.В. (член комиссии), доцента Кафедры космического приборостроения и инновационных технологий Института высоких технологий и пьезотехники ЮФУ Олншевекого Д.П. (член комиссии) составили настоящий акт в том, что результаты, представленные в главах 2 и 3 диссертационной работы Борзова Петра Алексеевича, использованы при выполнении в НКТБ «Пьезоприбор» ЮФУ следующих проектов:

1) научный проект в рамках проектной части госзадания Минобрнауки РФ «Создание комплекса, последовательно Связанных между собой инновационных, экологически чистых технологий, включающих: низкотемпературные способы изготовления нано- и ультрадисперсных порошков сегнетофаз, технологии изготовления пьезокерамики и активных элементов пьезо ком позиционных материалов нового поколения, а также технологий изготовления на их основе пьезоэлементов, предназначенных для создания нового поколения пьезопреобразователей современных акустических и электромеханических систем, использующихся в различных областях науки и техники» (задание № 11.1627/201 7/ПЧ, регистрационный номер НИОКТР: A AAA-А] 7-117031410023-5);

2) комплексный проект «Разработка и создание высокотехнологичного производства мобильного гидроакустического комплекса освещения обстановки в различных акваториях Мирового океана на основе современных пьезоэлектрических средств нового поколения» (Минобрнауки РФ, Договор № 03.G25.31.0276 от 29.05.2017).

^ Применение технологических приемов и методов прогнозирования свойств из диссертационной работы Борзо за П.А. при получении в НКТБ «Пьсзоприбор» ЮФУ новых композитов позволило повысить их пьезокоэффициент £3з* на 20%, коэффициент электромеханической связи к,* на Ю 15%, фактор анизотропии пьезомодулей d3/ на 20-50% гидростатический пьезомодуль dh* на 15%.

Научные результаты, опубликованные в статьях Борзова П.А. с сотрудниками (журнал «Надо- и микросистемная техника», 2015, №6, с.22~ 26: 2018, №7, с.415-424; журнал "Functional Materials Letters", 2018, v.lY N4. 1850082-4 p.), используются о отчетах по упомянутым выше проектам 1 и 2.?

Директор -главный конструктор НКТБ «11ьезоприбор» ЮФУ, д.т.н.

Начальник опытного производства НКТБ «Пьез о прибор» ЮФУ

Доцента Кафедры космического приборостроения и инновационных технологий ИВТ и ПТ ЮФУ

А.А. Панич

Е.В. Филиппов

Д. П. Олишевский

ПРИЛОЖЕНИЕ В - ПРИМЕРЫ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

СПК НА ОСНОВЕ РЬ(&, Т)03

Таблица П.В.1 - Модули упругости сЕаЪ (в 1010 Па), пьезокоэффициенты еу (в Кл/м2) и относительные диэлектрические проницаемости ерр / е 0 СПК на основе РЬ^г, Ti)O3 при комнатной температуре [3, 75, 100]

СПК сй сЕ 12 сЕ с13 сЕ 33 сЕ 44 е31 е33 е15 еп /е0 е13 / е 0

ПКР-1 16,0 10,1 9,6 13,3 2,58 -3,7 11,1 10,8 570 300

ПКР-7 12,5 8,4 8,1 12,1 2,36 -9,0 28,3 17,9 1430 1350

ПКР-7М 13,3 9,2 9,1 12,5 2,28 -9,5 31,1 20,0 1980 1810

ПКР-8 14,4 8,5 7,7 11,6 2,83 -7,5 13,6 11,6 830 740

ПКР-73 17,3 13,3 12,5 14,4 2,29 -9,1 29,2 22,4 2220 2380

ПКР-62 12,7 4,5 8,0 11,3 4,70 -6,6 8,9 6,0 560 590

PZT-5A 12,1 7,54 7,52 11,1 2,11 -5,4 15,8 12,3 916 830

PZT-7A 14,8 7,62 7,42 13,1 2,53 -2,10 9,50 9,3 450 235

PZT-5H 12,6 7,95 8,41 11,7 2,30 -6,55 23,3 17,0 1700 1470

ЦТС-19 10,9 6,1 5,1 9,3 2,4 -4,9 14,9 10,6 820 840

Примечание. Электромеханические константы СПК как пьезоэлектрической среды в общем виде представлены в уравнениях (1.1). СПК характеризуется симметрией «тт, а её модуль упругости с66 удовлетворяет условию с66 = 0,5( с^ - сЕ2 ) [1, 3, 7, 10]. При экспериментальном определении полного набора электромеханических констант СПК [3, 75, 100] учтены требования совместимости [101, 102] при переходе от одной группы констант пьезоэлектрической среды к другой группе, см. уравнения (1.1) - (1.4).

ПРИЛОЖЕНИЕ Г -

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВК-94-1 (22ХС), марка корундовой керамики СПК, сегнетопьезокерамика

Ф-2МЭ, марка фторопласта (полимерного компонента)

ЦТС, состав сегнетопьезокерамики на основе цирконата-титаната свинца

Pb(Zr, Ti)O3 ЭФП, электрофизический параметр

PVDF, polyvinylidene fluoride, фторид поливинилидена (полимерный компонент)

* Звездочка используется для обозначения эффективных свойств и параметров пьезокомпозита