Разработка и исследование новых пьезоактивных керамоматричных композитов керамика/керамика

Анализ научно-технической и патентной литературы показывает, что свойства сегнетопьезоэлектрических материалов остаются лимитирующим фактором при разработке ультразвуковых преобразователей и пьезоустройств. Направленное изменение этих свойств с целью достижения экстремальных физических параметров активных материалов может обеспечить качественное улучшение функциональных характеристик приборов и устройств. В тоже время, возможности создания новых электрически активных материалов в настоящее время исчерпаны из-за практически полного использования существующих химических основ и способов их получения. В связи с этим актуален переход к многокомпонентным, структурированным на различных масштабных уровнях композиционным материалам, сочетающим принципиально различные физические свойства. За последние годы достигнут значительный прогресс в улучшении механических свойств керамических материалов с использованием технологии керамоматричных композитов (КМК). Функциональные КМК, в отличие от конструкционных, исследованы значительно меньше и их использование в электронной промышленности в настоящее время весьма ограничено. Сравнительно недавно эффективные механизмы упрочнения конструкционных керамик были перенесены в область функциональных керамик для улучшения их механических и электрических свойств. Однако проблема компромисса свойств, а именно ухудшения электрических свойств, в частности коэффициента электромеханической связи, оставалась нерешенной. Многофазные КМК являются весьма сложными объектами для теоретического описания, неразрушающего контроля и ультразвуковых измерений. Изменения химического и фазового состава на границе компонентов, а также появление микропористости в процессе совместного спекания компонентов композита могут существенно влиять на упругие и механические свойства композита. Пространственная дисперсия и рассеяние могут искажать характеристики ультразвуковых импульсов, делая ультразвуковые измерения неоднозначными. Целью настоящего проекта является разработка и исследование новых функциональных КМК керамика/керамика со свойствами, сочетающими и превосходящими лучшие параметры существующих пьезоматериалов, для их замены в ультразвуковых преобразователях и пьезоустройствах. Новые КМК представляют собой пьезокерамическую матрицу с наполнителем в виде частиц предварительно спеченной пьезокерамики с отличным от матрицы химическим составом и свойствами. В качестве материалов матрицы и наполнителя будут использованы химически и технологически совместимые пьезокерамические материалы на основе бессвинцовых соединений ниобата натрия-лития, ниобата натрия-калия и титаната натрия-висмута, а также твердых растворов системы ЦТС, мета- и магнониобата свинца. Химические составы матрицы и наполнителя, размер и концентрация частиц наполнителя, а также режимы спекания могут варьироваться для получения оптимальных электромеханических свойств КМК. Изменение концентрации частиц наполнителя с сильно отличающимися от матрицы диэлектрическими, упругими и пьезоэлектрическими свойствами приводит к перколяционным переходам, сопровождающимся резким увеличением указанных параметров материала матрицы вблизи соответствующих порогов перколяции. Исследование пьезоэлектрических, упругих и диэлектрических перколяционных переходов в керамоматричных композитах керамика/керамика будет проведено впервые и имеет несомненное научное и практическое значение. Реализация проекта позволит решить ряд фундаментальных проблем, связанных с установлением взаимосвязи микроструктуры, связности и электромеханических свойств, природой и механизмами несинфазного отклика материалов на внешние воздействия, особенностей перколяционных переходов, а также физических механизмов, ответственных за формирование экстремальных электромеханических свойств пространственно-неоднородных композиционных материалов.