Численный анализ эффективных свойств неоднородно поляризованной пористой пьезокерамики с легированными никелем стенками пор с учетом влияния объемных долей металла и пор
Автор: Наседкин Андрей Викторович, Нассар Мохамед Элсайед
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 2 т.14, 2021 года.
Бесплатный доступ
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.
Пьезоэлектрические композиты, пористая пьезокерамика, пьезоэлектрический металлокерамический композит, задача гомогенизации, эффективные свойства, метод конечных элементов, пьезоэлектрические преобразователи, неоднородная поляризация
Короткий адрес: https://sciup.org/143174607
IDR: 143174607 | УДК: 519.3 | DOI: 10.7242/1999-6691/2021.14.2.16
Numerical analysis of the effective properties of inhomogeneously polarized porous piezoelectric ceramics with Ni-doped pore walls taking into account the influence of volume fractions of metal and pores
The paper considers a porous piezoelectric composite with metal layers deposited on the interface between the piezoelectric and vacuum phases. Such metal layers can be added technologically to improve the mechanical and electromechanical properties of the composite. To find the effective moduli, we designed a simple representative cubic volume of a unit cell consisting of a piezoelectric matrix with a compound spherical pore in its center. In turn, the compound pore includes the pore itself and a hollow metal sphere on its surface. The composite's three phases were all modeled as piezoelectric materials. The conducting interface layer was modeled as a piezoelectric material with very high dielectric constants, small piezoelectric moduli, and elastic properties of the employed metal, while the vacuum pore was modeled as a piezoelectric material with marginal moduli. The mathematical formulation of boundary value homogenization problems with full contact conditions on the interface boundaries, based on the Hill energy criterion, was described. By solving nine boundary value problems of electroelasticity with different boundary conditions for displacements and electric potential by the finite element method, a complete set of effective moduli of the piezoelectric composite is determined. The importance of considering the inhomogeneous polarization due to the presence of pores and metallic inclusions was discussed. An approximate method was proposed for determining the inhomogeneous polarization field in a piezoceramic matrix, based on a preliminary solution of the electrostatic problem for dielectrics and locating the element coordinate systems rotated along the polarization vector. The paper describes the results of computational experiments for a piezocomposite consisting of PZT-5H piezoceramic matrix, pores, and nickel layers on the pore surfaces. Comparisons between the effective properties of this composite with different volume fractions of metal and the conventional porous piezocomposite were provided, depending on the porosity and taking into account the inhomogeneous polarization. Significant differences were observed for some piezomoduli and dielectric constants, which are promising for various practical applications of the considered composites in piezoactuators using the phenomenon of the transverse piezoelectric effect.
Список литературы Численный анализ эффективных свойств неоднородно поляризованной пористой пьезокерамики с легированными никелем стенками пор с учетом влияния объемных долей металла и пор
- Vijaya M.S. Piezoelectric materials and devices: Applications in engineering and medical sciences. CRC press, 2012. 186 p. 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- Rybyanets A. N., Shvetsov I.A., Lugovaya M.A., Petrova E.I., Shvetsova N.A. Nanoparticles transport using polymeric nanoand 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
