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 (d31∙ YE11)2, (К/м2)2 |
1,0 |
2,8 |
1,1 |
7,5 |
1,6 |
3,7 |
| Пьезоэлектрическая добротность Q, K2ij∙Qm | 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
- А.Козинный, А.Косарев, В.Матвеев Сейсмические средства обнаружения для охраны территориально распределенных объектов // Безопасность. Достоверность. Информация. 2006, №4 (67), с.74-77.
- 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
- 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.
- 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[schema type=»book» name=»ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОМПОЗИТЫ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ НА ИХ ОСНОВЕ ПРИЕМНО-ПЕРЕДАЮЩИХ АКУСТИЧЕСКИХ АНТЕНН » description=»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.» author=»Гашимов Эльшан Гияс оглы, Байрамов Азад Агалар оглы» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-03-12″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.05.2015_05(14)» ebook=»yes» ]