К ВОПРОСУ О ПОЛУЧЕНИИ КОМПОЗИЦИОННЫХ  ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТОЛСТОПЛЁНОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ФОСФАТНЫХ СВЯЗУЮЩИХ И ПЬЕЗОКЕРАМИКЕ СИСТЕМЫ ЦТС

Глеб Александрович  Кошкин

doi:10.25712/ASTU.2072-8921.2022.4.2.015

Авторы

Глеб Александрович Кошкин АО «Научно-исследовательский институт физических измерений» https://orcid.org/0000-0001-8353-7812

DOI:

https://doi.org/10.25712/ASTU.2072-8921.2022.4.2.015

Ключевые слова:

пьезоэлектрическое покрытие, фосфатное связующее, фосфатная краска, пьезоэлектрический композит, цирконат-титанат свинца, ортофосфорная кислота, пассивация, электрическая ёмкость, диэлектрические потери, поляризация, пьезомодуль

Аннотация

В работе экспериментально подтверждена возможность получения пьезоэлектрического композиционного покрытия на основе фосфатного связующего и дисперсного пьезокерамического наполнителя на основе цирконата-титаната свинца. Дисперсный наполнитель получен предварительным спеканием керамики пьезокерамики до плотности 7,5 г/см³ и высокоэнергетическим помолом в планетарной шаровой мельнице. В качестве фосфатного связующего использована чистая ортофосфорная кислота и ортофосфорная кислота, пассивированная алюминием. Чистая и пассивированная ортофосфорная кислота введена в количестве 1, 5, 10, 15, 20 % сверх массы наполнителя. Компоненты смешаны и разбавлены водой до получения пастообразной консистенции. Паста нанесена на нержавеющую сталь методом трафаретной печати, высушена при комнатной температуре, покрыта графитовым электродом и поляризована в поле напряжённостью 1 кВ/мм при охлаждении от температуры 100 и 290 °C (температуры Кюри наполнителя). После каждого цикла поляризации измерены значения пьезомодуля d₃₃, электрической ёмкости C₀ и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ. Пьезоэлектрические характеристики обнаружены только для покрытия, содержащего 10 % активной жидкой фазы: при меньшем содержании покрытие имело низкую прочность, при более высоком — не проявляло пьезоэлектрических характеристик после поляризации. Поляризация при охлаждении от температуры Кюри привела к значительному повышению d₃₃, причём покрытие на основе пассивированной кислоты характеризуется вдове более высоким значением d₃₃. На основании полученных результатов предложены механизмы формирования структуры и характеристик пьезопокрытия рассматриваемой системы. Указаны основные способы управления характеристиками получаемого покрытия: пассивация ортофосфорной кислоты, регулирование содержания активной жидкой фазы и термическая обработка нанесённого покрытия. Предложены дальнейшие направления работ с целью получения пьезоэлектрических покрытий на основе фосфатных связующих и пьезокерамического наполнителя.

Библиографические ссылки

Giurgiutiu, V. Structural Health Monitoring with Piezoelectric Wafer Active Sensors. Academic Press, 2014. 1025 с.

Giurgiutiu V., Lin B. In situ fabricated smart material active sensors for structural health monitoring // Smart Materials III. SPIE, 2004. Т. 5648. С. 68–78. doi: 10.1117/12.582146.

Bhalla, S. Piezoelectric Materials: Applications in SHM, Energy Harvesting and Biomechanics. Piezoelectric Materials. John Wiley & Sons, 2016. 293 с.

Newnham, R.E., Safari A., Sa-Gong G., Giniewicz J. Flexible Composite Piezoelectric Sensors // 1984 IEEE Ultrasonics Symposium, IUS 1984. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 1984. – Т. 11. – С. 501–506. doi: 10.1109/ULTSYM.1984.198348.

White N.M., Turner J.D. Thick–film sensors: past, present and future // Meas. Sci. Technol. 1997. Т. 8. № 1. С. 1–20. doi: 10.1088/0957-0233/8/1/002.

Egusa S. N., Iwasawa N. Piezoelectric paints as one approach to smart structural materials with health-monitoring capabilities // Smart Mater. Struct. 1998. Т. 7. № 4. С. 438–445. doi: 10.1088/0964-1726/7/4/002.

Effect of exposure of piezoelectric paint to water and salt solution / P.N. Raptis, R. Stephenson, J.M. Hale, J.R. White // J. Mater. Sci. 2004. Т. 39. № 19. С. 6079–6081. doi: 10.1023/B:JMSC.0000041705.16488.85.

Li X., Zhang Y. Analytical study of piezoelectric paint sensor for acoustic emission–based fracture monitoring // Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. 2008. Т. 31. № 8. С. 684–694. doi: 10.1111/j.1460-2695.2008.01249.x.

Payo I., Hale J.M. Dynamic characterization of piezoelectric paint sensors under biaxial strain // Sens. Actuators Phys. 2010. Т. 163. № 1. С. 150–158. doi: 10.1016/j.sna.2010.08.005.

Yang C., Fritzen C.–P. Piezoelectric paint: characterization for further applications // Smart Mater. Struct. 2012. Т. 21. № 4. С. 1–8. doi: 10.1088/0964-1726/21/4/045017.

Study on Impact Monitoring Using a Piezoelectric Paint Sensor / K. Choi, D. Kang, S.–B. Park, L.–H. Kang // J. Korean Soc. Nondestruct. Test. 2015. Т. 35. № 5. С. 349–357. doi: 10.7779/JKSNT.2015.35.5.349.

Han D.–H., Kang L.–H. Piezoelectric properties of paint sensor according to piezoelectric materials // Funct. Compos. Struct. 2020. Т. 2. № 2. С. 1–11. doi: 10.1088/2631-6331/ab90e1.

Energy harvesting from piezoelectric paint films under biaxial strain / I. Payo, D. Rodriguez, J. Oliva, D. Valverde // Smart Mater. Struct. 2020. Т. 29. № 5. С. 1–13. doi: 10.1088/1361-665X/ab79b4.

Получение и исследование пьезоэлек-трического композита в системе «цирконат–титанат свинцаортофосфорная кислота» / Г.А. Кошкин, Ч.Г. Пак, А.Е. Розен, В.В. Кикот // Ползу-новский Вестник. 2022. № 1. С. 139–146. doi: 10.25712/ASTU.2072-8921.2022.01.019.

Судакас Л.Г. Фосфатные вяжущие систе-мы. СПб: Квинтет, 2008. 254 с.

Рез И.С., Поплавко Ю.М. Диэлектрики. Основные свойства и применение в электротех-нике. Москва: Радио и связь, 1989. 288 с.