The importance of piezoelectric composite materials

Применение пьезокерамики в пьезоэлектрических композитных материалах

Пьезоэлектрические материалы постоянно развиваются, однако каждый из них обладает уникальным набором преимуществ и недостатков. Зачастую невозможно удовлетворить разнообразные требования к характеристикам преобразователей, используя монолитный материал. Это привело к разработке пьезоэлектрических композитных материалов, которые комбинируют лучшие свойства своих компонентов для достижения превосходных электрофизических характеристик.

1. Что такое пьезоэлектрические композитные материалы?

Пьезоэлектрические композитные материалы изготавливаются путем совмещения пьезокерамики (например, на основе PZT) и полимерной матрицы (эпоксидная смола, PVDF) в определенном объемном или массовом соотношении с использованием различных геометрических конфигураций. Ключевая особенность этих материалов заключается в том, что они сочетают в себе высокие пьезоэлектрические свойства неорганической керамики и превосходную обрабатываемость, гибкость и ударную вязкость полимеров.

В отличие от некоторых полимерных пьезоматериалов, композиты не требуют сложных процессов, таких как растяжение, для проявления пьезоэффекта. Их пьезоактивность часто является изотропной в плоскости пленки, что обеспечивает стабильные свойства в различных направлениях.

2. История развития пьезокомпозитных материалов

Развитие пьезоэлектрических преобразователей для ультразвука, неразрушающего контроля и медицинской диагностики постоянно требовало улучшения таких параметров, как коэффициент электромеханической связи, добротность и частотные характеристики. Однако разные применения предъявляют противоречивые требования: высокая чувствительность для промышленного контроля, высокое статическое давление для гидрофонов, согласование импеданса с водой или биологическими тканями.

Прорыв произошел в 1972 году, когда японский исследователь Nakamura Kitayama разработал первый композит PVDF-BaTiO₃. Позже, R.E. Newnham из Университета Бингемтона предложил концепцию «связности» (connectivity), которая стала основой для классификации керамико-полимерных композитов и предопределила их дальнейшее развитие.

3. Типы и классификация пьезокомпозитных материалов

Классификация основана на концепции связности, описывающей размерность непрерывности каждой фазы в композите. Существует десять основных типов, обозначаемых как 0-0, 0-1, 0-2, 0-3, 1-1, 1-2, 1-3, 2-2, 2-3 и 3-3, где первая цифра относится к пьезоактивной фазе (керамика), а вторая — к полимерной матрице.

Наиболее распространенный тип: 1-3

Наиболее широко применяется конфигурация 1-3, где пьезокерамика представляет собой массив одномерно связанных столбиков или волокон, внедренных в трехмерно связанную полимерную матрицу. Данная структура обладает ключевыми преимуществами:

• Значительное снижение поперечной связи и акустического импеданса по сравнению с монолитной керамикой.
• Высокая эффективность электромеханического преобразования.
• Упрощенное согласование с такими средами, как вода и ткани человека.
• Низкая диэлектрическая проницаемость и малая статическая емкость, что обеспечивает высокую чувствительность по напряжению.
• Широкая полоса пропускания и короткая длительность импульса благодаря высокому затуханию в полимере.

4. Ключевые характеристики и преимущества

• Слабая поперечная вибрация: Минимальная перекрестная звуковая помеха.
• Низкая механическая добротность (Q_m): Способствует широкой полосе пропускания (до 80–100%).
• Высокий коэффициент электромеханической связи (k_t): Обеспечивает эффективное преобразование энергии.
• Превосходное соотношение сигнал/шум: Выше, чем у традиционных PZT-преобразователей.
• Температурная стабильность: Стабильные характеристики в широком диапазоне температур.
• Гибкость проектирования: Скорость звука, акустический импеданс и диэлектрическая проницаемость легко регулируются изменением объемной доли керамики.
• Упрощенное согласование импеданса: Возможность работы с материалами от воды до стали.

5. Методы изготовления композитов типа 1-3

Наиболее распространены два метода:

Метод литья с укладкой (Dice-and-Fill)

Это относительно простой и широко используемый процесс:

1. Монолитная поляризованная пьезокерамическая пластина разрезается на регулярную решетку столбиков.
2. Прорези заполняются полимером (эпоксидной смолой) под вакуумом.
3. Композит отверждается при повышенной температуре.
4. Задняя сторона шлифуется для удаления неразрезанного основания и формирования изолированных столбиков.

Преимущество: возможность создания столбиков толщиной 75–100 мкм. Недостаток: высокая стоимость и отходы материала.

Метод литья с укладкой (Place-Casting)

Более гибкий, но технологически сложный метод:

1. Отдельные керамические столбики вручную или автоматически укладываются на шаблон согласно desired геометрии.
2. Заливается полимерная матрица под вакуумом.
3. Композит отверждается и подвергается механической обработке.

Преимущество: гибкое нерегулярное расположение столбиков. Недостаток: низкий выход продукции due to хрупкости керамических элементов.

6. Основные области применения

• Медицинская ультразвуковая диагностика: Высокочастотные преобразователи для УЗИ-аппаратов.
• Подводная акустика и гидролокация: Гидрофоны и сонары с высокой чувствительностью и стойкостью к статическому давлению.
• Неразрушающий контроль (НК): Преобразователи для дефектоскопии материалов и конструкций.
• Фазированные решетки: Для точного управления акустическим лучом.
• Фотоакустическая визуализация: Улучшенное соотношение сигнал/шум и полоса пропускания.

7. Критерии выбора материала

Несмотря на преимущества, проектирование и изготовление пьезокомпозитов — сложная задача. При выборе необходимо учитывать:

• Объемную долю керамики: Определяет основные электроакустические свойства.
• Геометрию структуры (связность): Влияет на механическую прочность и характеристики.
• Термо-механическую стабильность: Разные коэффициенты теплового расширения фаз могут вызывать деформации.
• Сложность нанесения электродов: Наличие полимера осложняет создание непрерывного электрода.
• Резонансную частоту: Должна быть согласована с характеристиками как керамики, так и полимера.

8. Примеры продуктов от HE-SHUAI

• Пьезокомпозитные материалы типа 1-3 на основе PZT-5H.
• Пьезокомпозитные диски стандартных размеров (например, OD 11.96 мм).

9. Перспективы развития

Исследования в области пьезокомпозитных материалов находятся на стыке материаловедения, акустики и биомедицинской инженерии. Перспективными направлениями являются:

• Интеграция с фононными кристаллами для создания материалов с уникальными акустическими свойствами.
• Дальнейшая оптимизация параметров для специализированных применений.
• Расширение областей применения в энергогенерации (energy harvesting) и активных системах демпфирования вибраций.

Компания HE-SHUAI продолжает разработку и производство инновационных пьезокомпозитных материалов, предлагая индивидуальные решения для сложных технических задач.