Пьезокомпозитные материалы: от истории до выбора под свою задачу

Пьезоэлектрические материалы постоянно совершенствуются. Однако у каждого из них есть свои плюсы и минусы, и ни один не может одновременно удовлетворить всем разным требованиям, которые предъявляют к пьезопреобразователям. Именно поэтому и были разработаны пьезокомпозитные материалы.

Что такое пьезокомпозитные материалы?

Пьезокомпозиты получают путем соединения пьезокерамики и полимера (например, эпоксидной смолы или активных полимеров) в определенном объемном или массовом соотношении, используя разные способы соединения.

Особенность таких материалов в том, что они сочетают отличные пьезоэлектрические свойства неорганических пьезоматериалов и прекрасную технологичность полимерных пьезоэлектриков. Им не нужны вытяжка или другие обработки, чтобы обрести пьезоэффект. Более того, внутри тонкой пленки этот эффект изотропен — то есть проявляется одинаково в любом направлении.

История пьезокомпозитных материалов

Пьезоэлектрические ультразвуковые преобразователи уже давно применяют в промышленном неразрушающем контроле, медицинской диагностике и биомедицинской инженерии. Их сердце — пьезоматериал — со временем заметно улучшило свои характеристики: электромеханическую связь, электрическую добротность, устойчивость к старению и ширину полосы частот.

Но у разных областей применения — свои требования. Например, промышленному ультразвуковому контролю нужны высокая чувствительность и хорошее отношение сигнал/шум. А гидрофонам — сильная чувствительность к гидростатическому давлению и согласование импеданса с водой.

В ответ на эти запросы пьезоматериалы и продолжали развиваться. Однако каждый из них имеет сильные и слабые стороны, и одновременно закрыть все потребности разных преобразователей невозможно.

Точкой отсчета истории пьезокомпозитов стал 1972 год. Тогда японец Накамура Китаяма разработал композит PVDF-BaTiO3. Сочетание двух материалов усилило их лучшие свойства. Позже Р.Э. Ньюнхэм из лаборатории материалов Университета Бингемтона (США) предложил пьезокерамико-полимерные композиты и ввел понятие «размерность связности» (connectivity). Согласно его подходу, пьезокомпозит получают соединением керамики и полимера в заданном объемном или массовом соотношении, с определенной геометрией связности фаз.

Типы пьезокомпозитных материалов

В зависимости от схемы соединения различают десять типов: 0-0, 0-1, 0-2, 0-3, 1-1, 1-2, 1-3, 2-2, 2-3 и 3-3. Первая цифра — размерность связности пьезокерамической фазы, вторая — полимерной.

На практике шире всего применяют тип 1-3. В нем одномерно связанные керамические колонны (ось Z) окружены трехмерно связанным полимером.

Полимер здесь снижает хрупкость и слабые места керамики, уменьшает её поперечную связь и повышает продольную электромеханическую эффективность композита. У такого материала:

• низкое акустическое сопротивление (легко согласуется с водой и кожей);
• малая диэлектрическая проницаемость и небольшая статическая емкость (преобразователю требуется более высокое входное сопротивление, а чувствительность по напряжению получается высокой).

Это делает PZT-композит 1-3 отличным выбором для гидрофонов — с высоким гидростатическим пьезоэлектрическим коэффициентом gh = dh/ε, низким эквивалентным уровнем шума и высокой чувствительностью. Однако из-за заметного затухания в полимере такие композиты подходят для широкополосных преобразователей с коротким импульсом и невысокой добротностью Qm.

Характеристики пьезокомпозитных материалов

1. Слабая поперечная вибрация и маленькое перекрестное звуковое давление.
2. Низкое значение механической добротности Q.
3. Широкая полоса пропускания (80–100%).
4. Высокий коэффициент электромеханической связи.
5. Высокая чувствительность, отношение сигнал/шум лучше, чем у обычных PZT-датчиков.
6. Стабильность свойств в широком диапазоне температур.
7. Можно делать датчики сложной формы — простыми методами резки и заливки.
8. Скорость звука, акустический импеданс, диэлектрическая проницаемость и электромеханический коэффициент легко менять (эти параметры зависят от объемной доли керамики).
9. Простое согласование с материалами, у которых разный акустический импеданс — от воды до стали.
10. Ультразвуковую чувствительность можно регулировать, меняя долю керамики по объему.

Как изготавливают пьезокомпозитные материалы

Для получения пьезокомпозитов типа 1-3 существует несколько методов: литье с позиционированием колонн, резка с последующей заливкой (cutting & filling), литье по выплавляемым моделям, инжекционное формование, непрерывное ламинирование, экструзия и лазерная ультразвуковая резка. На практике чаще всего используют два.

Первый — литье с позиционированием колонн (arrangement casting). Технология отработана и надежна. Керамические микроколонны по заданной схеме устанавливают на шаблон, затем в вакууме заливают эпоксидной смолой или другим полимером, отверждают при высокой температуре, режут или шлифуют до нужной толщины, наносят электроды и поляризуют. Колонны можно располагать даже с нерегулярным шагом, но из-за хрупкости керамики выход годного материала невысок.

Второй — резка и заливка (cutting and filling). Процесс проще: поляризованную керамическую заготовку прорезают на равномерные колонны, заливают эпоксидкой, вакуумируют, отверждают и шлифуют, удаляя неразрезанные участки. Толщина колонн может быть очень маленькой — 75–100 мкм, а их высота — гибкой. Минус: высокая себестоимость и неизбежный расход сырья в отходы.

Основные области применения пьезокомпозитных материалов

• Ультразвуковые датчики для неразрушающего контроля (NDT)
• Гидрофоны, сонарные преобразователи
• Управление потоками
• Воздушные ультразвуковые преобразователи
• Фазированные решетки (сонары, медицинская диагностика)
• Медицинские ультразвуковые датчики

Пьезокомпозиты уже широко используются в медицинском ультразвуке и подводных системах. В разных областях их преимущества перед обычной керамикой очевидны: высокая чувствительность и большой гидростатический пьезомодуль для подводных применений; в фотоакустической визуализации — заметно лучшее отношение сигнал/шум и ширина полосы; в медицинском УЗИ — снижение импеданса и рост фокусировки интенсивности.

Как выбрать пьезокомпозитный материал

Несмотря на выдающиеся достоинства и широкий круг применения, изготовление пьезокомпозитных ультразвуковых датчиков — процесс сложный. В разных областях объемная доля фаз и их структура будут различаться, а значит — и итоговые свойства материала. Поэтому для каждой задачи нужно подбирать свои оптимальные параметры, чтобы получить максимальную эффективность.

Кроме того, при механических или тепловых нагрузках материал может деформироваться, что серьезно сказывается на его акустическом излучении. А еще в структуре присутствуют непроводящие полимеры, и бывает трудно вывести электроды — это тоже ограничивает применение.

При проектировании композита важно правильно выбрать частоту и длину волны таким образом, чтобы они согласовывались и с пьезокерамикой, и с полимером.

Будущее пьезокомпозитных материалов

Применение пьезокомпозитов объединяет сразу несколько дисциплин: материаловедение, акустику, биомедицину, механику. Исследования фононных кристаллов вызывают огромный интерес ученых. А сами пьезокомпозитные материалы постепенно привлекают все больше внимания специалистов — и демонстрируют отличные перспективы.

Поэтому стоит в полной мере использовать их преимущества, дальше оптимизировать параметры пьезопреобразователей, расширять области применения — и максимально полно реализовывать промышленный потенциал этих материалов.