автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Разработка информационных композиционных материалов с использованием высокомодульных термостойких полимеров

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИИ И ИНФОРМАТИКИ

ГГБ ОД 1 з !П0Н ¿303

На правах рукописи

н -

Абдуразшаноя Вадим Ммрзабекопмч

УДК 537.226.86

Разработка информационных композиционных материалов с использованием высокомодульных термостойких полимеров.

Специатшость 05.02 0! - Материаловедение в мзшиносфоснии.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2000 г-.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

На правах рукописи

Абдурахманов Вадим Мнрзабекович

УДК 537.226.86

Разработка информационных композиционных материалов с использованием высокомодульных термостойких полимеров.

Специальность 05.02.01. - Материаловедение п машиностроении.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2000 г.

Работа выполнена в МОСКОВСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ АКАДЕМИИ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор

Лущейкин Г.А.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Блалтер М.С. (МГАПИ) доктор технических наук, профессор Ефашкии Г.В. (МГИЭМ)

Ведущая организация: Всероссийский Научно-исследовательский

Институт Авиационных Материалов (ВИАМ)

пУ Г\Х°

Защита состоится «<2с> икшя 2000 года в « ^ » часов на заседании

специализированного совета К063.93.01 Московской Государственной Академии Приборостроения и Информатики по адресу: 107076, Москва, ул. Стромынка, 20

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Московской Государственной Академии Приборостроения и Информатики.

Автореферат разослан «?<=» мая 2000 года.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, профессор Касаткин Н И.

СХЧ О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

В последние время в промышленности возрастает интерес к информационным материалам. Информационные материалы - это материалы, обеспечивающие возможность получения информации о состоянии конструкционного элемента, в котором они работают (влияние нагрузки, деформации, внутренних напряжении, дефектов). К этим материалам предъявляют новые требования: материалы должны быть достаточно эластичными, иметь высокую акустическою совместимость с материалом объекта, высокие пьезоэлектрические характеристики, обладап. достаточно широким температурным диапазоном работоспособности.

Одним из способов создания информационных материалов является разработка композиционных полимерных пьезоматериалов. Пьезоэлектрический эффект в композиционных полимерных материалах представляет значительный теоретический и особенно практический интерес в связи с тем. что композиционные пьезоэлекгрики обладают рядом преимуществ по сравнению с пьезокристаллами и пьезокерамнкой. В частности, меньшей хрупкостью, технологичностью изготовления и переработки. Также композиционные полимерные пьезоматериалы обладают большей пьезоэлектрической чувствительное! ью.

Использование в качестве матрицы композиционного материала высокомодульного термостойкого полимера представляется особенно интересным, так как пьезоэлектрические свойства такого композиционного материала не должны значительно изменяться при температурах, близким к диапазону работоспособности материала объекта. Поэтому важной задачей исследования при разработке нового композиционного материала являлось исследование свойств ароматических полиамидов, на основе которых изготовляются «органопластики» - материал, из которого изготовляют конструкционные элементы.

Работа выполнялась в рамках проекта «Создание интеллектуальных композитов конструкционного назначения», включенного в подпрограмму «Технология новых материалов» Президентской программы «Национальная технологическая база» (1947-2002 г.).

Цель работы:

Разработка информационных к'омшнишюнньгх мзгернатов с использованием высокомодульных термостойких полимеров

Научная новизна.

Разработана технология изготовления информационных композиционных полимерных материалов на основе высокомодульных термостойких полимеров.

Созданы новые термостойкие композиционные материалы с достаточно высокими пьезоэлектрическими характеристиками. Впервые исследованы их основные пьезо- и диэлектрические характеристики.

На основе полученных информационных материалов разработан экспериментальный макет пьезоэлемеята. Исследовшгы его частотные характеристики.

Практическая значимость.

Получены новые информационные пьезоэлектрические ПКМ с улучшенными свойствами. Исследованы их диэлектрические, пьезоэлектрические свойства и показана возможность их использования в качестве пьезоэлектрических датчиков.

Отработаны технологии получения пьезоэлектрических ПКМ в лабораторных условиях.

Показана работоспособность новых пьезоэлементсв - с их помощью определены коэффициенты звукопоглощения ряда новых шумопогло-щающих материалов; определены модули упругости ряда полимерных и композиционных материалов.

Апробация работы.

Результаты были доложены и обсуждены на:

международной научно-технической конференции "Моделирование и исследование сложных систем". (Севастополь 1998 г.);

научно-технической конференции «Технологические и материал о-ведчесхие проблемы в условиях рыночной экономики» (г. Москва 1998 г.);

XV всероссийской конференции по физике диэлектриков (г. Азов, 1999 г.);

научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» (г. Москва 2000 г.);

Материалы диссертации опубликованы в 4 статьях и материалах Всероссийских и международных конференций и семинаров.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из оглавления, введения, 3 глав (содержащих разделы), заключение, выводов, списка литературы и приложений.

Общий объем диссертации - 132 страниц, включая рисунки, таблицы и приложения. В списке литературы - 98 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

ВВЕДЕНИЕ

Во введении представлена решаемая проблема, сформулирована цель данной работы и обоснована ее актуальность. Определена научная новизна и практическая ценность результатов, полученных автором.

Глава 1.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

Рассмотрены различные способы получения композитов с различной связностью компонентов и приведены их сравнительные характеристики. Отмечено, что самыми простыми в изготовлении является композит типа 0-3.

Рассмотрены зависимости свойств полимеров и композиционных материалов от их диэлектрических свойств. Поведение диэлектрических материалов в переменных электрических нолях характеризуется диэлектрической проницаемостью и диэлектрическими потерями.

Рассмотрены различные виды пьезоэлектрических материалов, варианты их строения и сочетания свойств. Отмечено, что у многих материалов пьезоэлектрические свойства появляются после процесса поляризации. По способу создания электрического поля в образце методы поляризации можно разделить на контактные и беско1ггактные При контактном способе поляризации электрическое напряжение прикладывается к образцу, используя прижимные электроды или электроды из слоя металла нанесенного на обе поверхности пленки в вакууме. При бесконтактном способе поляризации неметаллизированная или односторонне металлизированная аченка подвергается воздействию коронного разряда (соответственно с двух или с одной стороны), создаваемого тонкой нитью или иглой. Видно, что пьезоэффект присущ не только природным материалам, таким как кварц, но также полимерам. Самыми известными полимерами, обладающими пьезо эффектом, являются полнвинилиденфторид (ПВДФ) и иоливи-нилхлорид (ПВХ). Значение пьезоэлектрического модуля сЬ3 у этих полимеров составляет порядка 30 пКл/Н (ПВДФ), 7 пКл/Н (ПВХ). Перспективным путем повышения пьезоэлектрических характеристик материалов является переход от однокомпонентных пьезоэлектрических материалов к композиционным. Применение композитов открывает новые возможности в пьезотехнике, в частности, создание элементов сложных конфигураций. Композиционные полимерные материалы получают смешиванием полимеров с пьезоактивными наполнителями, обычно с сегнетокерамнкон. Наиболее распространенными являются смеси с сегнетокерамикой типа цир-конат-титанат-свинца (ЦТС) Полимерные пьезоматериалы обладают достаточно высокими пьезоэлектрическими характеристиками, технологичны при переработке, значительно превосходят керамические материалы по стойкости к ударным нагрузкам. На их пьезоэлектрические показатели существенное влияние оказывают полярность полимера, модуль упругости,

5

коэффициент Пуассона, а также степень наполнения керамикой. Коэффициенты пьезочувствительности (отношение пьезомодуля к диэлектрической проницаемости (1/еео) У полимерных и композиционных материалов выше, чем у пьезокерамики или пьезокристаллов.

Пьезоэлектрические материалы находят широкое применение в хозяйственной деятельности. Основными областями практического применения пьезоматериалов являются:

— Приборостроение: это электромеханические преобразователи, работающие в статическом и динамическом режимах; работающие на изгиб (пьезолленки) и на сжатие; ультразвуковые детекторы дефектов в металлах или пластмассах; измерители механической деформации и много другое.

— Электронная промышленность в части применения в акустике: в гидрофонах, громкоговорителях, высокочувствительных микрофонах.

В последнее время наметился переход от традиционного применения пьезоэлектриков в акустических приборах к применению их в качестве «интеллектуальных» материалов. Следует, однако, отметить, что в промышленности наиболее широко распространены пьезоэлементы на основе поляризованной пленки из поливинилиденфторида, главным недостатком которой является полное исчезновение пьезоэффекта при температурах выше 90 °С, либо на основе пьезокерамики, недостатком которой является хрупкость и трудность получения изделий сложной конфигурации. Дисперсно наполненные пьезокомпознты с матрицами из жееткоцепных термостойких полимеров лишены этих недостатков.

Глава 2.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

В диссертации исследовались диэлектрические и пьезоэлектрические свойства композиционных полимерных материалов на основе термостойких ароматических полиамидов Армос и СВМ с сегнетоэлектрнческим наполнителем цирконат-титанат-свинца (ЦТС-19), образцы которых были получении в АО «Химволокно».

В главе описана технология производства полимерных композиционных материалов, даны их основные свойства. В качестве матрицы использовали полимеры Армос и СВМ. Армос и СВМ • это высокопрочные термостойкие, ароматические полиамиды, различающиеся химическим строением.

В качестве наполнителя использовали сегнетокерамику ЦТС-19. Цирконат-титанат-свинца (ЦТС-19) имеет структуру: РЬйО-гРЬТЮз. ЦТС-19 обладает достаточно высокими диэлектрическими и пьезоэлектрическими свойствами: плотность р=7750 кт/м3, диэлектрическая проницаемость при 1 кГц е=1700, пьезомодуль с!зз=374 пКл/Н.

с

Измерения диэлектрической проницаемости е и тангенса угла диэлектрических потерь tgS проводились по ГОСТ 22372-77 в диапазоне частот 200 Гц - 100 кГц в диапазоне температур 20 °С - 300 °С.

Измерения удельного объемного сопротивления pv проводят по ГОСТ 6433.2-71 методом вольтметра-амперметра. Сущность метода заключается в измерении токов, проходящих через образец при приложении к нему постоянного электрического напряжения.

Поляризация образцов проводилась контактным способом. Суть способа состоит в приложении постоянного электрического напряжения к пленке, нагретой до определенной температуры, выдержке при указанной температуре и затем охлаждения до комнатной температуры в присутствии электрического поля.

Пьезомодуль d.u при одноосном сжатии определяли по ГОСТ 1237080. Сущность метода заключается в измерении заряда, возникающего на поверхности образца при приложении (снятии) статической нагрузки.

Электретно-термический анализ (ЭТА) (измерение тока ТСД) проводили по ГОСТ 25209-82. Измеряли разрядные токи во времени при программируемом нагреве. Измерения проводили в диапазоне температур 20 °С-220 С.

гт*1г»1 ^

ЭКПЕРИМЕНТАЛЫ1АЯ ЧАСТЬ.

3.1 ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ.

Исследовали диэлектрические свойства полимеров Армос, СВМ и композиционные материалы на основе этих полимеров: Армос+33% об. ЦТС-19, Армос+23% об. ЦТС-19, СВМ+33% об. ЦТС-19. Измеряли значения диэлектрической проницаемости е, тангенса угла диэлектрических потерь (fgS). Получено, что диэлектрическая проницаемость е составляет при 20±2 °С: Армос е«5, СВМ е»6, Армос+23% об. ЦТС-19 е*11, Армос+33% об. ЦТС-19 е*16, СВМ+33% об. ЦТС-19 е®17. В диапазоне температур от комнатной до 200 "С значения диэлектрической проницаемости е изменяются мало. При температурах выше 200 °С появляется рост е, связанный с релаксационной поляризацией - подвижностью сегментов макромолекул (рис.1). На температурных зависимостях tgS (рис.2,3) наблюдаются три области дисперсии - максимумы а, р и у. С повышением температуры до 100 °С значение tgS снижается. Однако для полимера Армос наблюдается небольшой максимум в области 60 "С (у-максимум), который, по-видимому, связан с подвижностью амндной группы. Из температурной зависимости тангенса угла диэлектрических потерь для композиционного материала Армос+23% об. ЦТС-19 можно увидеть четко выраженный максимум в районе 150 "С - 160 "С (0-максимум). Положение наблюдаемого Р-максимума tg5 на температурной шкапе смешается в сторону более высоких температур с увеличением частоты измерений, что характерно для

релаксационных поляризационных процессов. Также у полимера Армос наблюдается максимум tgS в районе 300 °С (а-махсимум).

Темпсратурж, *С —•—300 Гц ■ 1 «Гц —10 «Гц К 3 «Гц —И—30 «Гц —>00 «Гц

Рисунок I. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры у Армос.

Энергия активации Е» для максимумов tg5 в области температур 150 °С -220 °С составляет Еа=74,2 кДж/моль, а предэкспоненцналъный множитель ^Ю12 Гц. По-видимому, при этих температурах в полимере имеет место локальная подвижность, приводящая к механизму дипольно-групповых потерь. Энергия активации Е» в районе 300 °С составляет Е„=267,5 кДк/моль. Значение предэкспоненциального множителя ^»Ю26 Гц, что не имеет физического смысла и характерно для сегментальной подвижности (стеклования). Это говорит о том, что в районе 300 °С релаксация обусловлена дипольно-сегментальными потерями.

Для полимера Армос были рассчитаны не менее важные параметры, описывающие релаксацию: статическая диэлектрическая проницаемость es; диэлектрическая проницаемость при бесконечно большой частоте поля е», инкремент диэлектрической проницаемости Ае, параметр распределения времен релаксации по Коулу-Коулу (1-а), параметр распределения по Фу-оссу-Кирквуду к, эффективный дипольный момент мономерного звена При температуре Т 60 "С значения этих величин: es=5,18; £„=4,65, Де=0,53, (1-а)=0,56, Я.= 044, /у)ф=0,88х10"40 Кл*м. При температуре Т=160 °С: es=6,61, е^=4,3, Ае-2,31, (1-а)=0,24, Я=0,17, /^=2,13хЮ"30 Клфм. Величина /ty соответствует дипольному моменту кетонной группы С=0. По-видимому, при этой температуре происходит размораживание подвиж-

s

6 г

s.

Í,1 ■

p

fe 0.B1

0,091

»

59

2S0

100 150 200

Tí*mfp»i\pft. V

or« -»-I «Tu -»-lOri"« 3«Гц _»-SO«Tn

Рисунок2 Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры у Лрмос.

5

5 ..i

i £

0,01

СО 100 ISO 200 260 300 3Í0

Температур*, *С -»-гоагм -•- i «Гц «г» -«-а «Гц зс «ru -»-ioo«r« РисунокЗ Зависимость тангенса vma диэлектрических потерь от температуры у Ар-

мос+23%об. ЦТС-19.

ностн групп, полярность коюрых определяется, в основном. кетонмом группой.

Удельное объемное сопротивление (pv) снижается с ростом температуры, причем в координатах lgpv от 1/Т зависимость имеет вид ломаной, состоящей из ряда прямолинейных отрезков. Малое содержание ЦТС-19 (21% об.) у композиционного материала на основе полимера Армос практически не влияет на удельное объемное сопротивление. Введение 33% об. ЦТС-19 снижает pv в области 20 "С - 150 "С, но ниже 200 °С значение р.,

более стабильное. При введении в полимер СВМ 33% об. ЦТС-19 происходит снижение удельного объемного сопротивления в области 20 °С-110°С; при более низких температурах характер кривой р, практически не отличается от зависимостей для СВМ без добавок.

3.2 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛЯРИЗАЦИИ. ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ.

Поляризацию пленок композиционных материалов Армос+33% об. ЦТС-19, Армос+23% об. ЦТС-19, СВМ+33% об. ЦТС-19 проводили при температурах - 190 °С - 210 °С, где значение удельного объемного сопротивления композиционных материалов близко к удельному объемному сопротивлению керамики ЦТС-19 (Ю-8 Ом*м). При поляризации материалов Армос+33% об. ЦТС-19, СВМ+33% об. ЦТС-19 был проведен полный 3-х факторный эксперимент. В ходе эксперимента учитывалось влияние на пьезоыодуль dn трех факторов: напряженности поля поляризации Е,,, температуры поляризации Т„ и времени поляризации тп. По полученным значениям пьезоыодуля ¿л дня композиционных материалов Армос+33% об. ЦТС-19, СВМ+33% об. ЦТС-19 составили уравнения регрессии, из которых был сделан вывод о влиянии факторов поляризации на значение пьезоэлектрических свойств этих материалов. Получено, что при увеличении напряженности поля поляризации Ея значение пьезоэлектрических свойств повышаются, при возрастании температуры поляризации Т„ пьезоэлектрические свойства также увеличиваются. Полученные пьезоэлектрические свойства композиционных материалов приведены в таблице 1.

г Таблица 1.

Результаты исследования пьезоэлектрических свонств'образцов (при 20 ± 2°С)

Образец h, мкм <1зз,пКлУН g33,MBM/H Уп ыкВ/Па

ЦТС-19 20 374 28 0,6

Армос 16 - - -

СВМ 18,5 - - -

Армос+23% об. ЦТС-19 23 0,2 2 0,04

Армос+33% об. ЦТС-19 31,5 13,1 93 2,9

СВМ+33% об. ЦТС-19 40 8,1 54 1,3

Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что самым перспективным для применения в качестве информационного материала является композиционный материал Армос+33% об. ЦТС-19, т.к. он обладает наиболее высокими пьезосвойствами. С целью определения стабильности пьезоэлектрических свойств изучали изменение пьезомодуля ёзз в процессе хранения. После старения поляризованных образцов в течении 12 месяцев повторно измерены значения пьезомодуля <Ьз у композиционного материала Армос+33% ЦТС-19. По полученным данным было составлено

ю

уравнение регрессии по которому судили о влияния времени поляризации на пьезоэлектрические свойства материала. Получено, что при повышении времени поляризации т„ наблюдается рост пьезоэлектрических свойств композиционного материала. Чтобы подтвердить этот вывод, провели измерения тока термостимулированной деполяризации (ТСД) образцов материала Армос+33% об. ЦТС-19 с различным временем поляризации. Результаты эксперимента показывают, что только при длительной поляризации (60 мин.) наблюдаются максимумы тока ТСД. Для композиционного материала Армос+33% об ЦТС-19 со временем поляризации 60 мин определили остаточный заряд 0,^, плотность остаточного заряда Стост и рассчитали время релаксации заряда при температуре максимума Т^. Значение Оост составило 1,104 * I О-6 Кл, а равно 2, 25* Ю"' Кл/м2. Время релаксации заряда при температуре максимума Тктк: имеет значение 1397 с. Значение энергии релаксации заряда \¥т составило 30,5 кДж/моль.

1,2-

1 • ------ ■ _ _ j___: fr^rX^-y. ----

сл-

V? •о ав-0,4 • 0,2-О- / Время выдержки 10 мин. / Время выдержки 60 мин. -•

о го *я ео so loo izo ив leo tea ию

Температура, °С

Рисунок 4. Температурная зависимость пьезомодуля d.u образцов Армос+33% об ЦТС-19 с различным временем поляризации

Также для подтверждения вывода о необходимости повышения времени поляризации т„, были проведены исследования временной стабильности пьезоэлектрических характеристик в диапазоне температур на образцах Армос+33% об. ЦТС-19 с различным временем выдержки в процессе поляризации т„. Полученные данные приведены на рисунке 4.

Из зависимости видно, что пьезомодуль мало изменяется с ростом температуры до 160 "С. Более стабильные значения пьезомодуля du достигаются при времени поляризации 60 мин,, их изменение в температурном диапазоне не превышает 5%. По полученным данным был выбран оптимальный режим поляризации, при котором было получено значение пьезо-

п

модуля для композиционного материала Армос+33% об. ЦТС-19 с!эз=20 пКл/Н.

3.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧАСТОТНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПЬЕЗОПЛЕНОК НА ОСНОВЕ

АРМОС.

Проводили исследования пьезоэлектрических параметров композиционных пьезопленок. Полученные данные представлены на рис.5.

Ofii

0,601

О,«¡01

У.м0/Лл

У^Ч/

Ш1

1 10 109 1000 10060 «¡0000

Частота/, Гц

- -Л - ПВДФ -К-Afwc+33% об. ЦТС-19

Рисунок 5. Частотная зависимость пьезочувствительности у пьеао пленки Ариос+33% об. ЦТС-19 в сравнении с пьезочувствительностью у пьезо пленки ПВДФ.

После статической обработай зависимостей были получены усредненные значения пьезочувстаительноста у:

для композиционного материала Армос+33% об. ЦТС-19 2,86±0,75 мкВ/Па, для пленки ПВДФ 2,63±0,93 мкВ/Па. Из полученных данных видно, что значение пьезочувствительности композиционного материала Армос+33% ЦГС-19 несколько выше, чем у пьезопленок на основе полимера ПВДФ.

Исследовали электрофизические свойства в области поперечных и продольных колебаний. Получено, что поперечных колебаниях наблюдается резонанс при частоте ff=91,43 кГц. Скорость звука при радиальных колебаниях ь плоскости образца равняется Vp-1100 м/с. Модуль упругости Еуп при поперечных колебания равен Еуц=3,85 ГПа. Значение коэффициента электромеханической связи при поперечных колебаниях ¿л=0,01287; пьезоэлектрический модуль du при поперечных колебаниях для композиционного материала Армос+33% об, ЦТС-19 составляет <1з!=1,87 пКл/Н, а значение пьезочувствительности gsi=22,9 мВм/Н (при частоте 91,43 кГц). При продольных колебаниях резонанс наблюдается при частоте 9,63 МГц.

Значение козффнцне!гга электромеханической связи к^=0,0666. Скорость звука при продольных колебаниях У,=1354 м/с. Продольный пьезомодуль без учета вклада поперечных колебаний при частоте 9,63 МГц составляет (Ззз=7,44 пКл/Н, 1,3 мВм/Н. Пьезомодуль всестороннего сжатия (объемный пьезомодуль) <4=7,44-2x1,87=3,7 пКл/Н. Пьезочувствитель-ностъ при всестороннем сжатии ^=45,4 мВм/Н.

3.4 СОЗДАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТА НА ОСНОВЕ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

АРМОС

С целью возвожности использования пьезо пленки в пьезодатчиках из поляризованных образцов изготавливали гибкие пьезоэлементы би-морфной структуры (рис. 6). Чувствительный элемент пьезодатчика представляет собой сложенную пьезопленку с четным числом слоев. Элемент имел следующие размеры: длнна - 15 мм, ширина - 12 мм, толщина - 0,1 мм (вместе с защитной оболочкой). Емкость элементов составляла около

1 - пьезопленка, 2 - электрод, 3 - внешний экранирующий электрод, 4 - изолятор

снимали посредством коаксиального кабеля, например РК 75-11, экран которого соединяли с электродом, выходящим на внешнюю поверхность чувствительного элемента, а экранированный провод ~ с внутренним электродом.

Провели исследования пьезоэлектрических свойств пьезоэлемента в широком диапазоне частот - от 10 Гц до 10 МГц с целью более точного определения пьезоэлектрических характеристик элементов и самого композиционного материала (Армос+33% об. ЦТС-19). Результаты исследований приведены нарнс. 7.

Анализируя полученные зависимости, найти основные характеристики экспериментальной модели пьезоэлемента. резонансная частота при поперечных колебаниях =91,43 кГц, при продольных колебаниях ./¿2=9,63 МГц; рабочая полоса частот А/ 10 Гц - 5 МГц; среднее значение чувствительности в рабочей полосе уль~ - 103,4±0,5 дБ ге I В/Пл.

7 д Я, -«Б « » ЕЛЬ

139

110

$0

70

ПВЙ®

Лршх*М% об. ЦТС-1»

—г—

10

100

' I

1000

10000 Частот« Гц

100000 1000000 10000000

Рисунок 7. Частотная зависимость пьезочувствнтельностн у, в мкВ/Па и в -дБ ге 1 В/Па

3.5 АКУСТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТА. С целью проверки работоспособности разработанных пьезоэлемен-тов провели ряд акустических исследований с использованием экспериментального макета пьезоэлемента - определение механических свойств материалов: частоты резонанса модуля упругости Еу и тангенса угла механических потерь 1§8мех,

Определение механических свойств ряда материалов. Исследовали механические свойства полимеров: образцы ненаполненного полипропилен (ПП) и полипропилена содержащего 25% талька, 30% стекловолокна

60

ВО 40 3020 10 0

Частота I. «Гм

- пгнккталы —

Рисунок 8. Частотные зависимости угла сдвига фаз для подвешенных лопаток из полипропилена, ПП+25°/оТалька, ПЛ+30%Стекловолокна

Таблица 2

Гпулыягы резонансных шмсрсннй продольных, нпибных колебаний стгржмгй

№ Материал Длина, мм Плотность, кг/м3 г !рсь кГц Еу, Па Еу, Па (Статический)

! полпропилен 80 910 3,36 2,6*10" 2,8* 10У

2 Полпропилен+25% Талька 80 1097 4,415 5,4*10Ч 5,2*10У

3 Полпропилеи+30% стеловолокна 80 1125 4,6 6*10* 6,1*10"

(рис. 8, Таблица 2). Результаты показали, что полученные данные совпадают с литературными.

Отдельной задачей являлось определение коэффициента звукопоглощения ряда разработаных композитов, в том числе сотосодержашнх Оказалось, что лучшие звукопоглощающие материалы обладают коэффициентом звукопоглощения -65,5+2,6 дБ/см, что выше чем звукопоглощение у сотопластов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении приведены основные обобщенные результаты, полу чснные в ходе выполнения поста пленной цели.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Изготовлены образцы новых термостойких композиционных сегнетоэлектрнческих материалов. Впервые исследованы диэлектрические свойства термостойких полиамидов и композиционных сегнетоэлектрнческих материалов на их основе.

2. По совокупности пьезоэлектрических и диэлектрических свойств выбран оптимальный материал для создания пьезоэлемента.

3. Разработана лабораторная технология поляризации композиционных сегнетоэлектрнческих материалов. Получены пьезоэлектрические композиционные материалы и исследованы их пьезоэлектрические свойства.

4. Методом планирования многофаеторного эксперимента проведена оптимизация технологических параметров поляризации с целью повышения пьезоэлектрических свойств и их стабильности в диапазоне температур (до 180 "С).

5. Изучены частотные характеристики композиционного пьезоэлектрического материала (КПП). Показано нхчичие резонанса при продольных и поперечных колебаниях в области высоких частот, рассчитаны механические и пьезоэлектрические пзраметры по резонансным характеристикам.

6. Разработан и изготовлен макет пьезоэлемента биморфной структуры. Показано, что пьезоэлектрические свойства полученного пьезоэлемента сравнимы и по некоторым параметрам превышают свойства элементов, выпускаемых промышленностью.

7. Показано работоспособность полученных пьезоэлементов, на примере исследования механических свойств полимеров и композиционных материалов.

8. Анализ полученных в ходе исследований результатов позволяет рекомендовать разработанный экспериментальный пьезоэлемент в качестве пьезодатчика для акустических исследований материалов и получения информации об акустической эмиссии при работе конструктивных элементов в машино- (приборо-) строении.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ОПУБЛИКОВАНЫ:

1. Крашенинников А.И., Лущейкин Г.А., Абдурахманов В.М., Щетинин А.М., Машинская Г.П. «Получение и исследование диэлектрических свойств информационных композиционных материалов». Труды международной научно-технической конференции «Моделирование и исследование сложных систем» Москва 1999, с.70 - 75.

2. Лущейкин Г.А., Абдурахманов В.М. «Композиционные и полимерные пьезоэлектрические пленки» Тезисы докладов XV всероссийской конференции по физике диэлектриков Росгов-на-Дону 1999, с.196.

3. Лущейкин Г.А., Абдурахманов В.М. «Получение и исследование пьезоэлектрических свойств информационных композиционных материалов» Материалы научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» Москва 2000, с.53 55

4. Абдурахманов В.М., Гуляев И.Н. «Влияние времени поляризации на пьезоэлектрические свойства информационных материалов» Материалы научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» Москва 2000, с.5б - 58.

Подписано к печати2УМ.1400г. Формат 60 х 84. !'16. Объсч {,0 11.Л. Тираж 100 ж» Злкач Л»

Московская Государственная Академия приборостроения и информатики