30 Май

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОМПОЗИТЫ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ НА ИХ ОСНОВЕ ПРИЕМНО-ПЕРЕДАЮЩИХ АКУСТИЧЕСКИХ АНТЕНН




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

Как известно, передвижение объектов по земле сопровождается испусканием сейсмических колебаний, которые образуют низко частотные (10-15 Гц) акустические волны в грунте. Для детектирования этих акустических волн используют различные методы и средства, в том числе сейсмическую локацию [1, с.74]. В качестве сейсмических сенсоров используют, в основном, высокочувствительные приемно-передающие антенны на основе пьезоэлектрических датчиков.

Анализ зарубежных и отечественных научных работ [2, с.375] показывает, что для создания приемно-передающих акустических антенн необходимо использовать композиты с высокими электромеханическими, механическими свойствами. Кроме указанных параметров композиты должны обладать в режиме излучения высокой акустической мощностью. А в режиме приема акустических волн композиты должны иметь высокий пьезоэлектрический модуль (dij) и обладать большим значением диэлектрической проницаемостью (e), т.к.  dij » Pr×e,  где Pr – остаточная реориентационная поляризация. Однако, как показали многочисленные эксперименты, увеличение e сопровождается уменьшением пьезомодуля dij и пьезочувствительности, определяемой как gij = dij/e. Поэтому, при разработке принимающих акустических антенн необходимы материалы, учитывающие вышеуказанные требования. Следует также отметить, что эффективность создаваемых приемно-передающих антенн зависит не только от электромеханических и электрофизических свойств, но и механических характеристик: механическая добротность Qm, модуль упругости Юнга Y и механическая прочность sm.

Целью работы является   создание пьезоэлектрических материалов для разработки на их основе высокочувствительных и обладающих высокой акустической мощностью приемно-передающих антенн.  Для достижения этой цели надо разработать следующие более эффективные технологии:

— получение пьезоэлектрических материалов с высокими значениями пьезомодуля;

— получение пьезокерамические материалы с высокими диэлектрическими проницаемостью, не снижая при этом величину пьезомодуля композита;

—   получение пьезокерамических материалов с высокой стабильностью следующих параметров: dij, коэффициент электромеханической связи кij, gij, Qm, модуль упругости Юнга Y.

Методика эксперимента

Образцы композитов получены на основе порошков полимеров и сегнетопьезокерамики различных структур [3, с.63]. Были исследованы органические и неорганические двойные фазы композитов. В качестве сегнетоактивного твердого раствора были выбраны хорошо исследованные многокомпонентные структуры PZT систем PbTiO3-PbZrO3-PbNb2/3Zn1/3O3-PbNb2/3Mg1/3O3 [4, с.710]. После термообработки и сушки порошки подвергались магнитной сепарации. Из этих порошков путем механического смешивания получен однородный пресс-порошок. Затем, в специальную пресс-форму загружают пресс-порошок. Ячейка нагревается до температуры плавления. Охлаждение ячейки проводится в двух режимах: быстрое охлаждение со скоростью 2000 К/мин и медленное охлаждение со скоростью 2 К/мин. Образцы прессуются при давлении 100 МРа. Энергия электрического разряда W= 45 Дж.

Исследуемые композиты являются матричными (3-0). В качестве матрицы использованы полиолефины (полиэтилен, полипропилен) и фторсодержащие полимеры поливинилиденфторид (ПВДФ). В качестве диспергатора были использованы сегнетопьезокерамика типа PZT ромбоэдрической (Re), тетрагональной (Т) гетерогенной (Re+Т) структур.

Пьезомодули полученных композитов определены квазистатическим методом и методом резонанса-анти резонанса. Механические характеристики (модуль Юнга), механическая добротность, коэффициент электромеханический связи также определены методом резонанса-анти резонанса. Механическая прочность определена по зависимости механической долговечности lg(t) = f(sm) путем экстраполяции до пересечения с осью sm.

 

Экспериментальные результаты и обсуждения

В таблице 1 приведены результаты измерений электромеханических и электрофизических параметров композитов для двух случаев: 1) композиты подвергнуты только термической кристаллизации и 2) композиты кристаллизованы под действием плазмы электрического разряда.

Таблица 1

Электромеханические и электрофизические параметры композитов

Параметры

Пьезоэлектрические композиты

ПВДФ-об.50%

PZT-5A

ПВДФ-об.50%

PZT-5H

ПВДФ-об.50%

PZT-75

  I II I II I II
eT33/e0 108 115 180 186   118
K33 0,26 0,32 0,27 0,51 0,28 0,42
d31∙1012, К/Н 56 70 60 76 50 50
d33∙1012, К/Н 120 152 114 167 89 135
Qm 160 30 12 48 18 42
YE11 ∙10-10, Пa 1,7 2,4 1,72 3,6 2,5 3,12
Удельная акустическая мощность (d31YE11)2, (К/м2)2  

1,0

 

2,8

1,1  

7,5

1,6  

3,7

Пьезоэлектрическая добротность Q, K2ijQm 0,41 0,9 0,35 4,2 0,44 2,63
Диаметр пластин композитов, 10-3 м 20 20 20 20 20 20
Толщина пластин композитов, 10-6 м 270 270 360 360 360 360
Диаметр частиц пьезофазы,

10-6 m

160-200 160-200 160-200 160-200 160-200 160-200
Структура пьезофазы Ромбоэдрическая Re Гетерогенная Re+T Тетрагональная T

На основе полученных результатов, приведенных в таблице 1, можно прийти к заключению, что композиты, предварительно кристаллизованные под действием плазмы электрического разряда, обладают более высокими электромеханическими и электрофизическими свойствами по сравнению с композитами, кристаллизованными только термически. И. таким образом, полученные на их основе акустические приемно-передающие антенны будут обладать более высокой чувствительностью и мощностью.

 Список литературы

  1. А.Козинный, А.Косарев, В.Матвеев Сейсмические средства обнаружения для охраны территориально распределенных объектов // Безопасность. Достоверность. Информация. 2006, №4 (67), с.74-77.
  1. M.K.Kerimov, M.A.Kurbanov, A.A.Bayramov, A.I.Mamedov Matrix Active Micro- and Nanocomposites Based on the Polymer, Semiconductive and Ferropiezoceramic Materials. Nanocomposites and Polymers with Analytical Methods / Book 3. Book edited by: John Cuppoletti, 2011, INTECH Open Access Publisher. pp.375-404
  1. M.A.Kurbanov, A.A.Bayramov, T.G.Mammadov, M.M.Kuliev Piezoelectric properties of polymer composite dielectrics // Journal “Fizika”, 2013 v.XIX, N1, sec: En., pp. 63-66.
  1. М.К.Kerimov, М.А.Kurbanov, F.G.Agaev, S.N.Musaeva, E.А.Kerimov Pyroelectrical effect in composites crystallized in conditions of electrical discharge plasma acting. // Physics of the Solid State, 2005, 47(4), pp.710-714
    ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОМПОЗИТЫ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ НА ИХ ОСНОВЕ ПРИЕМНО-ПЕРЕДАЮЩИХ АКУСТИЧЕСКИХ АНТЕНН
    Целью работы является создание пьезоэлектрических композитных материалов для разработки на их основе высокочувствительных и обладающих высокой акустической мощностью приемно-передающих антенн. Установлено, что предварительная кристаллизация под действием плазмы электрического разряда повышает электромеханические и электрофизические свойства композитных материалов по сравнению только термической, что приводит к улучшению характеристик акустических антенн.
    Written by: Гашимов Эльшан Гияс оглы, Байрамов Азад Агалар оглы
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 03/12/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.05.2015_05(14)
    Available in: Ebook