Что такое пьезокомпозиты 1-3: структура, свойства и применение

В последние годы пьезокомпозитные материалы типа 1-3 привлекли широкое внимание как уникальный класс функциональных материалов. Такие композиты сочетают в себе полезные свойства пьезокерамики и полимерной фазы, давая значительные преимущества перед обычной пьезокерамикой. Параллельное расположение одномерно связанных пьезокерамических стержней внутри трёхмерно связанной полимерной матрицы обеспечивает:

• повышенную эффективность электромеханического преобразования;
• низкое акустическое сопротивление (импеданс);
• широкую полосу пропускания.

Благодаря этому пьезокомпозиты 1-3 хорошо подходят для многих применений: гидроакустика, фотоакустическая визуализация, оптоакустическая визуализация, биомедицинская инженерия.

Несмотря на сложность изготовления, более высокую стоимость и ограничения по рабочему диапазону температур, исследования в этой области продолжаются: учёные и инженеры оптимизируют свойства и расширяют сферы применения этих материалов.

Что такое пьезокомпозит 1-3

Пьезокомпозитный материал 1-3 состоит из одномерно связанных пьезокерамических фаз (стержней, расположенных параллельно) и трёхмерно связанной полимерной фазы, которая их окружает.

Добавление полимера позволяет решить несколько задач:

• устранить хрупкость керамики и повысить прочность;
• уменьшить поперечные паразитные связи (латеральную связь) керамики;
• увеличить продольную эффективность электромеханического преобразования композита.

Благодаря полимеру материал получает низкое акустическое сопротивление (импеданс), что упрощает согласование со средами вроде воды или кожи. Также у пьезокомпозита 1-3 низкая диэлектрическая проницаемость, малая статическая ёмкость, высокая чувствительность по напряжению в режиме приёма и высокий гидростатический пьезомодуль (gh=dh/ε). Это делает его пригодным для производства гидрофонов (подводных микрофонов). Дополнительные плюсы — низкий эквивалентный шум и высокая чувствительность.

Из-за большого затухания в полимере композит имеет низкую механическую добротность (Qm). Это свойство позволяет создавать широкополосные узкоимпульсные преобразователи (трансдьюсеры). Именно поэтому пьезокомпозит 1-3 — один из самых распространённых типов.

Виды пьезокомпозитов 1-3

На практике встречаются следующие разновидности:

• композиты 1-3, изготовленные методом «режь-и-заполняй» (Dice & Fill) — самый распространённый способ;
• композиты 1-3 с хаотично ориентированными волокнами;
• композиты 1-3 с регулярно ориентированными волокнами.

Преимущества пьезокомпозитов 1-3 по сравнению с обычной пьезокерамикой

1. Слабые поперечные паразитные колебания → низкое перекрёстное акустическое давление.
2. Низкая механическая добротность Qm.
3. Широкая полоса пропускания (80–100%).
4. Высокий коэффициент электромеханической связи.
5. Высокая чувствительность и лучшее отношение сигнал/шум, чем у стандартных PZT-датчиков.
6. Стабильность характеристик в широком диапазоне температур.
7. Возможность изготавливать датчики сложной формы методом резки и заполнения.
8. Лёгкость изменения параметров: скорости звука, акустического импеданса, относительной диэлектрической проницаемости, коэффициентов электромеханической связи — все они зависят от объёмной доли керамики.
9. Простота согласования с материалами, имеющими разный акустический импеданс (от воды до стали).
10. Регулировка ультразвуковой чувствительности изменением объёмной доли керамики.

Недостатки пьезокомпозитов 1-3

По сравнению с обычными пьезокерамическими компонентами у композитов есть два главных минуса: более высокая стоимость и ограниченный рабочий температурный диапазон.

Технология изготовления достаточно сложна. Объёмная доля и микроструктура двух фаз могут заметно различаться для разных применений, что приводит к разбросу свойств. Для каждой задачи приходится подбирать оптимальные параметры материала.

Кроме того, композит легко деформируется под внешней нагрузкой или при нагреве, что серьёзно влияет на акустические характеристики. Ещё одна проблема — трудности с подводом электродов из-за непроводящего полимера в структуре. Это тоже ограничивает применение.

Типичные области применения пьезокомпозитов 1-3

Гидроакустические преобразователи

Пьезокомпозиты 1-3 отлично зарекомендовали себя в гидроакустике. Для улучшения свойств материала чаще всего используют метод резки и заполнения. Исследования показывают:

• Максимум пьезоэлектрической постоянной dh достигается при объёмной доле керамики от 40% до 60%.
• Чем меньше отношение ширины к высоте керамического столбика (то есть чем тоньше столбик), тем выше чувствительность гидроакустического преобразователя.
• Уменьшая размер поперечного сечения пьезофазы или увеличивая ширину пазов между столбиками, можно снизить объёмную долю керамики — это делает композит 1-3 ещё более подходящим для гидроакустики.

Фотоакустическая и оптоакустическая визуализация

В последние годы композиты 1-3 активно применяются в фотоакустической (PA) и оптоакустической визуализации. Например, группа исследователей под руководством Ли Яня разработала миниатюрный эндоскопический датчик на основе PMN-PT/эпоксидного композита 1-3. Новый ультразвуковой преобразователь показал улучшенную полосу пропускания и более высокое отношение сигнал/шум как в фотоакустическом, так и в ультразвуковом режиме.

Такой датчик обладает:

• высоким пьезомодулем d33;
• высоким коэффициентом электромеханической связи Kt;
• низкими диэлектрическими потерями.

Это существенно повышает чувствительность традиционных PA/US-систем.

Влияние температуры

Температура заметно влияет на свойства композита. Для материала PZT-5 эпоксидная смола в диапазоне 20–120°C:

• диэлектрические постоянные, пьезомодули и коэффициенты электромеханической связи растут с температурой;
• коэффициенты упругой жёсткости и резонансные частоты снижаются;
• диэлектрические потери сначала растут, затем падают, и снова растут.

Если сменить пьезофазу на PZT-PZM-PZN, то диэлектрические потери монотонно растут с температурой. Общие закономерности для диэлектрической проницаемости и коэффициентов связи сохраняются, а поведение потерь может различаться. Эти данные помогают расширить применение композитов 1-3 в высокотемпературных преобразователях.

Роль полимерной фазы

Не только керамическая фаза влияет на свойства. Выбор полимера тоже важен. Из-за наличия полимера низкая механическая добротность мешала использовать композиты 1-3 в мощных ультразвуковых преобразователях. Однако исследования показали: если выбрать полимер с низкими потерями и низким модулем упругости, можно улучшить и электромеханическую связь, и механическую добротность. Это позволило успешно применять композиты 1-3 в мощных ультразвуковых излучателях.

Биомедицинская инженерия

Ультразвуковые преобразователи стали одной из самых горячих тем в ультразвуковой медицинской диагностике. Исследователи разработали фокусирующие датчики на основе пьезокомпозита 1-3 с оболочкой. По сравнению с обычными керамическими датчиками они дают:

• более широкую полосу пропускания;
• более высокий коэффициент электромеханического преобразования;
• более низкий импеданс.

Это сыграло ключевую роль в повышении эффективности высокоинтенсивного фокусированного медицинского оборудования.

Кроме того, композиты 1-3 стали применять для внутрисосудистой ультразвуковой визуализации. Из-за малого диаметра сосудов обычное внутрисосудистое УЗИ даёт низкое поперечное разрешение. Фокусирующие датчики из PZT эпоксидного композита 1-3 успешно решают эту проблему. Таким образом, у датчиков на основе пьезокомпозита 1-3 — большое будущее в биомедицинской инженерии.

Вывод

Пьезокомпозитные материалы 1-3 показывают выдающийся потенциал в самых разных областях: гидроакустика, фотоакустическая и оптоакустическая визуализация, биомедицинская инженерия. Объединяя лучшие свойства пьезокерамики и полимеров, эти композиты дают значительные преимущества перед обычной керамикой: повышенную эффективность преобразования, низкий акустический импеданс, широкую полосу пропускания.

Несмотря на сложность изготовления, высокую стоимость и температурные ограничения, продолжаются активные исследования по оптимизации свойств и расширению областей применения. По мере углубления знаний о пьезокомпозитах 1-3 их использование будет расти, внося вклад в развитие перечисленных направлений техники и медицины.