Связность исследованного пьезоактивного материала 2–1–2 ранее не рассматривалась учеными. При этом новый композит такого рода можно применить, например, для пьезоэлектрических сенсоров, приборов для приема звука и ультразвука под водой, а также акустических преобразователей.
Классическая диаграмма связностей композитов по Роберту Ньюнэму / ©Пресс-служба ЮФУ
При произношении слова «композитный», у большинства из нас возникают ассоциации с чем-то современным и инновационным. Например, мы можем представить обшивку для сухого суперджета или новой версии скоростного автомобиля. Помимо этого, люди часто представляют, что композитные материалы — это основа любых современных бытовых предметов, будь то раковина или пломба для зуба. Однако мы редко задумываемся над тем, что композиты появились несколько тысяч лет назад, и история их создания уходит своими корнями в Древний Египет.
Композит — это материал, состоящий из двух или более компонентов с различными физическими и химическими свойствами. При этом в сочетании друг с другом они создают новый материал или улучшают характеристики одного из присутствующих компонентов. Композитом можно назвать железобетон, включающий в себя металлическую сетку и бетон. Его примечательной чертой является хорошо различимая граница между двумя материалами в его составе, что и является основной характеристикой любого композита. Кроме того, в его составе часто выделяют матрицу и наполнитель. Изменяя их состав и объемные доли, можно получить разнообразие новых материалов с различными свойствами.
В июне этого года профессор Физического факультета ЮФУ Виталий Тополов опубликовал новую статью в журнале Smart Materials and Structures (Издательство Института физики – IOP Publishing). Она знакомит с новым, разработанным ученым, пьезоактивным композитом. Он содержит бессвинцовые компоненты (два кристаллических и полимерный) и демонстрирует высокую пьезочувствительность в сочетании с большими значениями гидростатических параметров. Связность исследованного материала 2–1–2 ранее не рассматривалась в литературе и может быть интересной с точки зрения микрогеометрии, анизотропии электромеханических свойств и ряда потенциальных применений. К таким применениям относятся пьезоэлектрические сенсоры, гидрофоны и акустические преобразователи.
«Предложенный трехкомпонентный пьезоактивный композит сочетает в себе черты традиционных слоистых и волокнистых композитов и обладает рядом параметров, которые выше, чем у слоистых или волокнистых композитов типа “кристалл – полимер”. Прежде всего, у нашего композита достигаются высокая продольная пьезочувствительность и связанные с ней гидростатические чувствительность и параметр приема. При этом большие значения эффективных параметров достигаются в присутствии всех бессвинцовых компонентов, что указывает на преимущества предложенного композита по сравнению с традиционными пьезоактивными композитами на основе свинецсодержащих сегнетокерамик типа PZT или ЦТС», – рассказал Виталий Тополов.
Связность композита в данной работе представлена индексами 2–1–2. Каждый индекс указывает, вдоль скольких осей координат непрерывно распределен конкретный компонент композита (концепция профессора Роберта Ньюнэма конца 1970-х годов). Предложенный Виталием Тополовым композит состоит их трех компонентов: первый образует слои сегнетоэлектрического кристалла, они непрерывны вдоль двух осей координат. Второй – образует стержни пьезоэлектрического кристалла, и эти стержни имеют форму эллиптического цилиндра и непрерывны вдоль одной оси координат. Третьим компонентом является полимер, который выступает как матрица для стержней и одновременно как система слоев, непрерывных вдоль двух осей координат.
«Данное исследование значимо, во-первых, вследствие описания активной роли бессвинцовых компонентов в формировании высоких значений параметров композитов, то есть бессвинцовые компоненты начинают конкурировать с известными свинецсодержащими. Во-вторых, из-за анализа характеристик нового композита, сформированного на основе двух распространенных связностей – 2–2 для слоистых и 1–3 для волокнистых композитов.
Нужно подчеркнуть и то, что трехкомпонентные композиты, подобные рассмотренному в работе, важны с точки зрения улучшения ряда параметров композитов для пьезотехнических, сенсорных и гидроакустических применений. Это важный шаг вперед после исследований и апробации двухкомпонентных композитов», – отметил ученый.
Доктор физико-математических наук, профессор Физического факультета ЮФУ Виталий Тополов имеет на своем счету 237 научных работ, включенных в БД Скопус, и занимает второе место по цитированию среди всех сотрудников факультета. По его словам, данная работа стала следующим логическим шагом после издания монографии по инновационным пьезоактивным композитам в World Scientific (Сингапур, 2022).
