Численный анализ эффективных свойств неоднородно поляризованной пористой пьезокерамики с легированными никелем стенками пор с учетом влияния объемных долей металла и пор
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2021.14.2.16Ключевые слова:
пьезоэлектрические композиты, пористая пьезокерамика, пьезоэлектрический металлокерамический композит, задача гомогенизации, эффективные свойства, метод конечных элементов, пьезоэлектрические преобразователи, неоднородная поляризацияАннотация
В работе рассматривается пористый пьезоэлектрический композит с металлическими слоями, нанесенными на границы раздела между пьезоэлектрической и вакуумной фазами. Такие металлические слои могут быть добавлены технологически для улучшения механических и электромеханических свойств композита. Для отыскания эффективных модулей анализируется простой представительный кубический объем (элементарная ячейка), состоящий из пьезоэлектрической матрицы с составной сферической порой в центре. В свою очередь составная пора включает собственно пору и полый металлический шар на ее поверхности. Все три фазы композита моделируются как пьезоэлектрические материалы, причем для пор задаются пренебрежимо малые модули, а для проводящего интерфейсного слоя принимаются очень большие диэлектрические проницаемости, малые пьезомодули и упругие свойства металла. Приводится математическая постановка краевой задачи гомогенизации с условиями полного контакта на интерфейсных границах, основанная на энергетическом критерии Хилла. Путем решения методом конечных элементов девяти краевых задач электроупругости с различными граничными условиями для перемещений и электрического потенциала устанавливается полный набор эффективных модулей пьезокомпозита. Отмечается важность учета неоднородной поляризации при наличии пор и металлических включений. Предлагается приближенный способ определения неоднородного поляризационного поля в пьезокерамической матрице, базирующийся на предварительном решении задачи электростатики диэлектриков и на нахождении элементных систем координат, повернутых вдоль вектора поляризации. Описываются результаты вычислительных экспериментов для пьезокомпозита, состоящего из пьезокерамической матрицы PZT-5H, пор и никелевых слоев на поверхностях пор. Проводится сравнение эффективных свойств данного композита, содержащего разные объемные доли металла, и обычного пористого пьезокомпозита в зависимости от пористости и неоднородности поляризации. Отмечается существенные отличия рассматриваемого композита в части значений некоторых пьезомодулей и диэлектрических проницаемостей, перспективных для практических приложений в пьезоактуаторах, работающих на использовании явления поперечного пьезоэффекта.
Скачивания
Библиографические ссылки
Vijaya M.S. Piezoelectric materials and devices: Applications in engineering and medical sciences. CRC press, 2012. 186 p. https://doi.org/10.1201/b12709">https://doi.org/10.1201/b12709
Elahi H., Munir K., Eugeni M., Abrar M., Khan A., Arshad A., Gaudenzi P. A review on applications of piezoelectric materials in aerospace industry // Integrated Ferroelectrics. 2020. Vol. 211. P. 25-44. https://doi.org/10.1080/10584587.2020.1803672">https://doi.org/10.1080/10584587.2020.1803672
Gripp J.A.B., Rade D.A. Vibration and noise control using shunted piezoelectric transducers: A review // Mech. Syst. Signal Process. 2018. Vol. 112. P. 359-383. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2018.04.041">https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2018.04.041
Wang L.-P., Wolf R.A., Wang Y., Deng K.K., Zou L., Davis R.J., Trolier-McKinstry S. Design, fabrication, and measurement of high-sensitivity piezoelectric microelectromechanical systems accelerometers // J. Microelectromech. Syst. 2003. Vol. 12. P. 433-439. https://doi.org/10.1109/JMEMS.2003.811749">https://doi.org/10.1109/JMEMS.2003.811749
Brownjohn J.M.W. Structural health monitoring of civil infrastructure // Phil. Trans. R. Soc. A. 2007. Vol. 365. P. 589-622. https://doi.org/10.1098/rsta.2006.1925">https://doi.org/10.1098/rsta.2006.1925
Smith W.A. The role of piezocomposites in ultrasonic transducers // Proc. IEEE Ultrasonics Symp. 1989. Vol. 2. P. 755-766. https://doi.org/10.1109/ULTSYM.1989.67088">https://doi.org/10.1109/ULTSYM.1989.67088
Della C.N., Shu D. The performance of 1–3 piezoelectric composites with a porous non-piezoelectric matrix // Acta Mater. 2008. Vol. 56. P. 754-761. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2007.10.022">https://doi.org/10.1016/j.actamat.2007.10.022
Iyer S., Venkatesh T.A. Electromechanical response of porous piezoelectric materials: Effects of porosity connectivity // Appl. Phys. Lett. 2010. Vol. 97. 072904. https://doi.org/10.1063/1.3481416">https://doi.org/10.1063/1.3481416
Iyer S., Venkatesh T.A. Electromechanical response of (3-0) porous piezoelectric materials: Effects of porosity shape // J. Appl. Phys. 2011. Vol. 110. 034109. https://doi.org/10.1063/1.3622509">https://doi.org/10.1063/1.3622509
Yoon S.-J., Moon J.H., Kim H.-J. Piezoelectric and mechanical properties of Pb(Zr0.52Ti0.48)O3–Pb(Y2/3W1/3)O3(PZT–PYW) ceramics // J. Mater. Sci. 1997. Vol. 32. P. 779-782. https://doi.org/10.1023/A:1018516608868">https://doi.org/10.1023/A:1018516608868
Mehta K., Virkar A.V. Fracture mechanisms in ferroelectric‐ferroelastic lead zirconate titanate (Zr: Ti=0.54:0.46) ceramics // J. Am. Ceram. Soc. 1990. Vol. 73. P. 567-574. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1990.tb06554.x">https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1990.tb06554.x
Liu W., Li N., Wang Y., Xu H., Wang J., Yang J. Preparation and properties of 3–1 type PZT ceramics by a self-organization method // J. Eur. Ceram. Soc. 2015. Vol. 35. P. 3467-3474. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2015.06.007">https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2015.06.007
Xiang P.-H., Dong X.-L., Chen H., Zhang Z., Guo J.-K. Mechanical and electrical properties of small amount of oxides reinforced PZT ceramics // Ceram. Int. 2003. Vol. 29. P. 499-503. https://doi.org/10.1016/S0272-8842(02)00193-1">https://doi.org/10.1016/S0272-8842(02)00193-1
Zhang H.L., Li J.-F., Zhang B.-P. Fabrication and evaluation of PZT/Ag composites and functionally graded piezoelectric actuators // J. Electroceram. 2006. Vol. 16. P. 413-417. https://doi.org/10.1007/s10832-006-9890-4">https://doi.org/10.1007/s10832-006-9890-4
Takagi K., Li J.-F., Yokoyama S., Watanabe R. Fabrication and evaluation of PZT/Pt piezoelectric composites and functionally graded actuators // J. Eur. Ceram. Soc. 2003. Vol. 23. P. 1577-1583. https://doi.org/10.1016/S0955-2219(02)00407-7">https://doi.org/10.1016/S0955-2219(02)00407-7
Rybyanets A. N., Shvetsov I.A., Lugovaya M.A., Petrova E.I., Shvetsova N.A. Nanoparticles transport using polymeric nano-and microgranules: novel approach for advanced material design and medical applications // J. Nano- Electron. Phys. 2018. Vol. 10. 02005. https://doi.org/10.21272/jnep.10(2).02005">https://doi.org/10.21272/jnep.10(2).02005
Rybyanets A.N., Naumenko A.A. Nanoparticles transport in ceramic matriсes: A novel approach for ceramic matrix composites fabrication // J. Mod. Phys. 2013. Vol. 4. P. 1041-1049. https://doi.org/10.4236/jmp.2013.48140">https://doi.org/10.4236/jmp.2013.48140
Newnham R.E., Skinner D.P., Cross L.E. Connectivity and piezoelectric-pyroelectric composites // Mater. Res. Bull. 1978. Vol. 13. P. 525-536. https://doi.org/10.1016/0025-5408(78)90161-7">https://doi.org/10.1016/0025-5408(78)90161-7
Nasedkin A., Nassar M.E. Effective properties of a porous inhomogeneously polarized by direction piezoceramic material with full metalized pore boundaries: Finite element analysis // J. Adv. Dielect. 2020. Vol. 10. 2050018. http://doi.org/10.1142/S2010135X20500186">http://doi.org/10.1142/S2010135X20500186
Наседкин А.В., Наседкина А.А., Нассар М.Э. Гомогенизация пористых пьезокомпозитов с экстремальными свойствами на границах пор методом эффективных модулей // Изв. РАН. МТТ. 2020. № 6. С. 82-92. http://doi.org/10.31857/S057232992005013X">http://doi.org/10.31857/S057232992005013X
Martínez-Ayuso G., Friswell M.I., Khodaparast H.H., Roscow J.I., Bowen C.R. Electric field distribution in porous piezoelectric materials during polarization // Acta Mater. 2019. Vol. 173. P. 332-341. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.04.021">https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.04.021
Gerasimenko T.E., Kurbatova N.V., Nadolin D.K., Nasedkin A.V., Nasedkina A.A., Oganesyan P.A., Skaliukh A.S., Soloviev A.N. Homogenization of piezoelectric composites with internal structure and inhomogeneous polarization in ACELAN-COMPOS finite element package // Wave dynamics, mechanics and physics of microstructured metamaterials / Ed. M. Sumbatyan. Springer, 2019. P. 113-131. https://doi.org/10.1007/978-3-030-17470-5_8">https://doi.org/10.1007/978-3-030-17470-5_8
Nasedkin A.V., Nasedkina A.A., Rybyanets A.N. Numerical analysis of effective properties of heterogeneously polarized porous piezoceramic materials with local alloying pore surfaces // Materials Physics & Mechanics. 2018. Vol. 40. No. 1. P. 12-21. http://dx.doi.org/10.18720/MPM.4012018_3">http://dx.doi.org/10.18720/MPM.4012018_3
Nasedkin A.V., Shevtsova M.S. Improved finite element approaches for modeling of porous piezocomposite materials with different connectivity // Ferroelectrics and superconductors: Properties and applications / Ed. I.A. Parinov. New York: Nova Science Publ., 2011. P. 231-254.
Kudimova A.B., Nasedkin A.V. Limit transitions in plane homogenization problems for two-phase dielectric composites with extreme material properties of one phase // J. Phys.: Conf. Ser. 2021. Vol. 1847. 012039. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1847/1/012039">https://doi.org/10.1088/1742-6596/1847/1/012039
Кудимова А.Б., Наседкин А.В. О предельных переходах в пространственных задачах гомогенизации двухкомпонентных диэлектрических композитов с экстремальными модулями одной из фаз // Изв. вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2021. № 1. С. 25-32. https://doi.org/10.18522/1026-2237-2021-1-25-32">https://doi.org/10.18522/1026-2237-2021-1-25-32
Hori M., Nemat-Nasser S. Universal bounds for effective piezoelectric moduli // Mech. Mater. 1998. Vol. 30. P. 1-19. https://doi.org/10.1016/S0167-6636(98)00029-5">https://doi.org/10.1016/S0167-6636(98)00029-5
Wang J., Li W. A new piezoelectric hollow cylindrical transducer with multiple concentric annular metal fillers // Mater. Res. Express. 2019. Vol. 6. 055701. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab0318">https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab0318
Du H., Lin X., Zheng H., Qu B., Huang Y., Chu D. Colossal permittivity in percolative ceramic/metal dielectric composites // Journal of Alloys and Compounds. 2016. Vol. 663. P. 848-861. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.12.171">https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.12.171
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2021 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.