Совместно с зарубежными коллегами профессор Южного федерального университета Виталий Тополов выпустил новую монографию, важный акцент в которой сделан на связи между структурой исследованных композитов и их эффективными свойствами. Ученые привели результаты собственных научных исследований по современным пьезокомпозитам, впервые полученным в ЮФУ и за рубежом.
Виталий Тополов
Фото: Из личного архива
Виталий Тополов
Фото: Из личного архива
Сегодня в современной технике широко применяются материалы, характеризующиеся пьезоэффектом. Пьезоэлектричество связано с возникновением электрического заряда при механическом давлении в твердых диэлектрических материалах — например, в кристаллах, керамиках и композитах. Методы производства пьезоактивных композитов совершенствуются примерно с 80-х годов прошлого века и в основном ориентированы на получение материалов на основе сегнетопьезокерамики — сегнетоэлектрические керамики в поляризованном состоянии, обладающие важными физическими свойствами, сравнимыми со свойствами кристаллов аналогичного химического состава. Эти керамики являются наиболее распространенным классом пьезоэлектрических материалов на протяжении нескольких десятилетий.
По словам экспертов, наиболее инновационным методом получения композитов на основе сегнетопьезокерамики в настоящее время является быстрое прототипирование, или 3D-печать. Однако этот и другие подобные методы не применяются при получении пьезоактивных композитов на основе сегнетоэлектрических кристаллов или наночастиц.
Новая монография «Innovative piezo-active composites and their structure — property relationships» доктора Джеймса Роскау, профессора Виталия Тополова, профессора Кристофера Бауэна и доктора Хамиде Ханбаре, опубликованная в издательстве World Scientific (Сингапур, 2022), заполняет пробелы в знаниях о современных пьезоактивных композитах как об активных диэлектрических материалах с комплексом физических свойств, которые удается улучшить при определенных условиях. Результаты могут быть применены в пьезотехнике, медицинской технике, энергосберегающей сфере, гидроакустике, мехатронике и других областях.
Важной составляющей монографии являются результаты исследований, полученных в Институте высоких технологий и пьезотехники, НИИ физики, на физическом и химическом факультетах ЮФУ. Ученые не только ввели новый термин — innovative piezo-active composites, но и предложили три вида инновационных композитов на основе сегнетопьезокерамик: содержащие глину, корунд, а также композиты с двумя типами пор в керамических и полимерных слоях. Такие пьезокерамические материалы менее дорогостоящие, нежели пьезоэлектрические кристаллы, но при этом обладают свойствами, сравнимыми с кристаллами аналогичного состава. Создание новых композитов также облегчается легкодоступностью материалов, которую и используют в исследованиях ученые ЮФУ.
Уникальность монографии также состоит в систематическом описании пьезокомпозитов с прогнозируемыми свойствами.
Помимо международного сотрудничества профессор Виталий Тополов проводит на базе ЮФУ исследования гетерогенных активных диэлектрических материалов, в том числе композитов на основе сегнетоэлектриков и гетерофазных/полидоменных сегнетоэлектриков. Участвует в НИР ЮФУ «Разработка и материаловедческое обоснование создания материалов и изделий на основе пьезоэлектрической керамики с применением аддитивных технологий» и активно включен в реализацию программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030» ЮФУ.
Виталий Тополов, профессор кафедры общей физики физического факультета ЮФУ, ответил на вопросы «Ъ-Науки»:
— Расскажите подробнее о том, что такое пьезоэлектричество и чем оно отличается от обычного, привычного нам электричества?
— В большом числе кристаллических, керамических, композитных и тонкопленочных диэлектрических материалов благодаря особенностям их строения наблюдается пьезоэлектричество (пьезоэлектрический эффект, пьезоэффект). Пьезоэлектричество заключается в изменении поляризации данных материалов при механическом воздействии на них (прямой пьезоэффект) или в деформации образцов при воздействии электрического поля (обратный пьезоэффект). В обоих случаях отклик и воздействие линейно связаны друг с другом. Пьезоэлектричество часто рассматривают совместно с пиро- и сегнетоэлектричеством. Соответствующие три группы эффектов свойственны активным диэлектрикам, которые играют лидирующую роль среди диэлектрических материалов в последние десятилетия. При этом в пироэлектриках от природы существует спонтанная поляризация, а ее величина зависит от температуры. В сегнетоэлектриках эту же спонтанную поляризацию можно изменять не только за счет изменения температуры, но и за счет электрического поля. И пиро-, и сегнетоэлектрики проявляют пьезоэлектрические свойства как полярные диэлектрики. Это обстоятельство существенно обогащает палитру современных пьезоэлектрических материалов.
В отличие от перечисленных эффектов и порождаемых электрических свойств материалов, электричество в традиционном смысле слова связано с направленным движением электрических зарядов по проводам и с переносом энергии в компактной форме от генератора или аккумулятора к потребителям. Итак, пьезоэлектричество позволяет накопить заряды в определенной области непроводящего образца (следовательно, сконцентрировать энергию в нем), тогда как традиционное электричество ассоциируется с переносом зарядов и энергии по проводникам.
— Почему материалы, созданные на основе сегнетопьезокерамики, считаются лучшими?
— Керамические образцы сегнетоэлектриков в поляризованном состоянии — сегнетопьезокерамики — получают, исследуют и применяют около 80 лет. У композитов на основе сегнетопьезокерамики более короткая история, насчитывающая менее 50 лет. Однако именно эта группа пьезоактивных композитов хорошо зарекомендовала себя и в академическом, и в практическом смысле слова благодаря большому выбору известных сегнетопьезокерамических компонентов, возможностям формирования самых разнообразных композитных структур с участием этих компонентов, а также хорошей воспроизводимости свойств последних. Отдельно упомянем, что сегнетопьезокерамики производят в промышленных масштабах, тогда как кристаллы аналогичного состава — в ограниченных, при использовании дорогостоящего лабораторного оборудования. Применения метода быстрого прототипирования и 3D-печати в последнее десятилетие укрепили важный статус сегнетопьезокерамических компонентов как основы ряда инновационных пьезоактивных композитов.
— Что предложили ученые в своей монографии? Расскажите подробнее про три вида инновационных композитов.
— Наша монография рассказывает о современных пьезоактивных композитах как об активных диэлектрических материалах с комплексом физических свойств, которые удается улучшить за счет ряда факторов. В частности, в монографии обсуждаются результаты исследований инновационных пьезоактивных композитов, полученных в Институте высоких технологий и пьезотехники, НИИ физики, на физическом и химическом факультетах ЮФУ. Ученые ЮФУ предложили три вида инновационных композитов на основе сегнетопьезокерамик: содержащие глину, корунд, а также композиты с двумя типами пор в керамических и полимерных слоях. В глинсодержащих композитах сегнетопьезокерамика является значительно более жестким компонентом по сравнению с глиной, а в корундсодержащих композитах — наоборот, корунд значительно жестче сегнетопьезокерамики. В обеих группах композитов присутствуют также воздушные поры. Композиты с двумя типами пор стали первым примером подобного рода пьезоактивных материалов со слоистой структурой. Благодаря пористости удается эффективно управлять пьезо-, диэлектрическими свойствами, параметрами приема и гидростатическими параметрами в данных инновационных композитах.
— Расскажите, как именно результаты исследования могут быть применены в медицинской технике, энергосберегающей сфере и гидроакустике.
— Рассмотренные в монографии инновационные пьезоактивные композиты, включая упомянутые выше, обладают определенными физическими свойствами, прежде всего пьезоэлектрическими, а также параметрами, связанными с пьезоэффектом. Зная эти параметры и улучшая их, мы можем рекомендовать конкретные материалы для тех или иных применений. В частности, в медицинской технике полезными оказываются композиты с большой анизотропией пьезомодулей. В этом случае воздействие на образец внешнего электрического поля вдоль оси поляризации не будет вызывать ощутимых деформаций образца в поперечном направлении, то есть целесообразно сконцентрировать внимание на продольном пьезоэффекте. В энергосберегающей сфере важны значительные по величине параметры приема и коэффициенты электромеханической связи, которые позволяют судить об эффективности преобразования энергии из электрической формы в механическую и наоборот. В гидроакустике важное применение касается гидрофонов, преобразующих энергию акустических волн внутри водоема в электрическую энергию. При этом наиболее востребованные параметры — гидростатические пьезокоэффициенты и параметры приема.
Таким образом, целенаправленный выбор эффективных компонентов, задание определенной структуры пьезоактивного композита и улучшение ряда его параметров обычно нацелены на конкретные применения данного материала.
Подготовлено при поддержке Южного федерального университета.