Конечно-элементный анализ эффективных свойств корундосодержащей пьезокерамики c разномасштабными порами
Автор: Кудимова Анна Богдановна, Наседкин Андрей Викторович
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 1 т.13, 2020 года.
Бесплатный доступ
Рассматриваются задачи гомогенизации для определения эффективных модулей керамоматричных пьезокомпозитов с учетом разномасштабной пористости. Полагается, что пьезокомпозит состоит из пьезокерамической матрицы, более жестких упругих корундовых включений и пор. Применяются две модели пористости: для микропор и для мезопор. Микропорами называются распределенные в пьезокерамике поры с размерами, много меньшими размеров включений, а мезопорами - поры, сравнимые по размерам с включениями. Мезопоры в совокупности считаются отдельной фазой пьезокомпозита. При наличии микропористости задача гомогенизации решается на двух масштабных уровнях. Вначале вычисляются эффективные модули для микропористой пьезокерамики, в которой микропоры выступают как отдельная фаза двухфазного пьезокомпозита без включений, а затем реализуется задача гомогенизации для общего случая, то есть для трехфазного композита из микропористой пьезокерамики, включений и, возможно, мезопор. Для решения задач гомогенизации использован метод эффективных модулей в стандартной формулировке, метод конечных элементов и вычислительный комплекс ANSYS...
Пьезоэлектричество, трехфазный пьезокомпозит, гранулированное включение, пористость, эффективный модуль, представительный объем, метод конечных элементов
Короткий адрес: https://sciup.org/143170659
IDR: 143170659 | УДК: 519.3 | DOI: 10.7242/1999-6691/2020.13.1.4
Finite element analysis of the effective properties of corundum-containing piezoceramics with multiscale pores
The homogenization problems for determining the effective material modules of ceramicmatrix piezocomposites with respect to multiscale porosity are considered. The piezocomposite consists of a piezoceramic matrix, more rigid elastic corundum inclusions and pores. Two porosity models for micropores and for mesopores are used. Here the pores, distributed in piezoceramics with sizes much smaller than the sizes of inclusions, are called micropores, and the pores, comparable in size to inclusions, are called mesopores. Mesopores are considered as a separate phase of a piezocomposite. In the presence of microporosity, the homogenization problem is solved at two scale levels. First, we calculate the effective modules for microporous piezoceramics, where micropores are considered as a separate phase of a two-phase piezocomposite without inclusions, and then we solve the homogenization problem in the general case, i.e. for a three-phase composite consisting of microporous piezoceramics, inclusions and, possibly, mesopores...
Список литературы Конечно-элементный анализ эффективных свойств корундосодержащей пьезокерамики c разномасштабными порами
- Liu Y.G., Jia D.C., Zhou Y. Microstructure and mechanical properties of a lithium tantalate-dispersed-alumina ceramic composite // Ceram. Int. 2002. Vol. 28. P. 111-114.
- Yang B., Chen X.M. Alumina ceramics toughened by a piezoelectric secondary phase // J. Eur. Ceram. Soc. 2000. Vol. 20. P. 1687-1690.
- Borzov P.A., Filippov S.E., Topolov V.Yu., Brill O.E., Panich A.E. Elastic properties and frequency characteristics of a piezo-active 3-0-type corundum-containing composite // Adv. Compos. Hybrid Mater. 2018. Vol. 1. P. 558-566.
- Borzov P.A., Filippov S.E., Topolov V.Yu., Brill O.E., Panich A.E. Piezoelectric properties and related parameters of a novel 3-0-type composite // Funct. Mater. Lett. 2018. Vol. 11. 1850082.
- Borzov P.A., Topolov V.Yu., Bowen C.R. Relations between the piezoelectric performance and quality factors in a corundum-containing composite // Mater. Chem. Phys. 2019. Vol. 233. P. 194-202.
- Hwang H.J., Sekino T., Ota K., Niihara K. Perovskite type BaTiO3 ceramics containing particulate SiC: Part I. Structure variation and phase transformation // J. Mater. Sci. 1996. Vol. 31. P. 4617-4624.
- Hwang H.J., Niihara K. Perovskite type BaTiO3 ceramics containing particulate SiC: Part II Microstructure and mechanical properties // J. Mater. Sci. 1998. Vol. 33. P. 549-558.
- Malič B., Kosec M., Kosmač T. Mechanical and electrical properties of PZT-ZrO2 composites // Ferroelectrics. 1992. Vol. 129. P. 147-155.
- Rybyanets A.N., Rybyanets A.A. Ceramic piezocomposites: Modeling, technology, and characterization // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 2011. Vol. 58. P. 1757-1773.
- Rybyanets A.N., Konstantinov G.M., Naumenko A.A., Shvetsova N.A., Makar'ev D.I., Lugovaya M.A. Elastic, dielectric, and piezoelectric properties of ceramic lead zirconate titanate/α-Al2O3 composites // Phys. Solid. State. 2015. Vol. 57. P. 527-530.
- Thommerel E., Madigou V., Villain S., Musso J., Valmalette J.-C., Gavarri J.-R. Microstructure modifications and modulated piezoelectric responses in PLZT/Al2O3 composites // Mat. Sci. Eng. B. 2003. Vol. 97. P. 74-82.
- 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.
- IEEE Standard on piezoelectricity. ANSI-IEEE Std. 176-1987. New York: IEEE, 1988.
- Newnham R.E., Skinner D.P., Cross L.E. Connectivity and piezoelectric-pyroelectric composites // Mater. Res. Bull. 1978. Vol. 13. P. 525-536.
- Banno H. Effects of porosity on dielectric, elastic, and electromechanical properties of Pb(Zr,Ti)O3 ceramics with open pores: A theoretical approach // Jpn. J. Appl. Phys. 1993. Vol. 32. P. 4214-4217.
- Bowen C.R., Kara H. Pore anisotropy in 3-3 piezoelectric composites // Mater. Chem. Phys. 2002. Vol. 75. P. 45-49.
- Dunn M.L., Taya M. Electromechanical properties of porous piezoelectric ceramics // J. Am. Ceram. Soc. 1993. Vol. 76. P. 1697-1706.
- Dunn M.L., Taya M. Micromechanics predictions of the effective electroelastic moduli of piezoelectric composites // Int. J. Solid. Struct. 1993. Vol. 30. P. 161-175.
- Iovane G., Nasedkin A.V. Finite element modelling of ceramomatrix piezocomposites by using effective moduli method with different variants of boundary conditions // Mater. Phys. Mech. 2019. Vol. 42. P. 1-13.
- Iyer S., Alkhader M., Venkatesh T.A. On the relationships between cellular structure, deformation modes and electromechanical properties of piezoelectric cellular solids // Int. J. Solid. Struct. 2016. Vol. 80. P. 73-83.
- Iyer S., Venkatesh T.A. Electromechanical response of (3-0) porous piezoelectric materials: Effects of porosity shape // J. Appl. Phys. 2011. Vol. 110. 034109.
- Iyer S., Venkatesh T.A. Electromechanical response of (3-0, 3-1) particulate, fibrous, and porous piezoelectric composites with anisotropic constituents: A model based on the homogenization method // Int. J. Solid. Struct. 2014. Vol. 51. P. 1221-1234.
- Kudimova A., Mikhayluts I., Nadolin D., Nasedkin A., Nasedkina A., Oganesyan P., Soloviev A. Computer design of porous and ceramic piezocomposites in the finite element package ACELAN // Procedia Structural Integrity. 2017. Vol. 6. P. 301-308.
- Kudimova A.B., Nadolin D.K., Nasedkin A.V., Oganesyan P.A., Soloviev A.N. Finite element homogenization models of bulk mixed piezocomposites with granular elastic inclusions in ACELAN package // Mater. Phys. Mech. 2018. Vol. 37. P. 25-33.
- Levassort F., Lethiecq M., Desmare R., Tran-Huu-Hue L.P. Effective electroelastic moduli of 3-3(3-0) piezocomposites // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 1999. Vol. 46. P. 1028-1034.
- Martinez-Ayuso G., Friswell M.I., Adhikari S., Khodaparast H.H., Berger H. Homogenization of porous piezoelectric materials // Int. J. Solid. Struct. 2017. Vol. 113-114. P. 218-229.
- 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.
- Nguyen B.V., Challagulla K.S., Venkatesh T.A., Hadjiloizi D.A., Georgiades A.V. Effects of porosity distribution and porosity volume fraction on the electromechanical properties of 3-3 piezoelectric foams // Smart Mater. Struct. 2016. Vol. 25. 125028.
- Odegard G.M. Constitutive modeling of piezoelectric polymer composites // Acta Mater. 2004. Vol. 52. P. 5315-5330.
- Паньков А.А. Статистическая механика пьезокомпозитов. Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2009. 480 с.
- Perry A., Bowen C.R., Mahon S.W. Finite element modelling of 3-3 piezocomposites // Scripta Materialia. 1999. Vol. 41. P. 1001-1007.
- Хорошун Л.П., Маслов Б.П., Лещенко П.В. Прогнозирование эффективных свойств пьезоактивных композитных материалов. Киев: Наукова Думка, 1989. 208 c.
- Kudimova A., Nasedkin A. Analysis of porosity influence on the effective moduli of ceramic matrix PZT composite using the simplified finite element model // J. Adv. Dielectr. 2019. Vol. 9. 1950043.
- Iovane G., Nasedkin A.V. Finite element study of ceramic matrix piezocomposites with mechanical interface properties by the effective moduli method with different types of boundary conditions // Wave dynamics, mechanics and physics of microstructured metamaterials / Ed. M. Sumbatyan. Springer, 2019. P. 163-179.
- Iovane G., Nasedkin A.V. Numerical modelling of two-phase piezocomposites with interface mechanical anisotropic effects // Dynamical processes in generalized continua and structures / Eds. H. Altenbach, A. Belyaev, V. Eremeyev, A. Krivtsov, A. Porubov. Springer, 2019. P. 293-304.
- Наседкин А.В., Корниевский А.С. Конечно-элементное моделирование эффективных свойств анизотропных упругих материалов со случайной наноразмерной пористостью // Вычисл. мех. сплош. сред. 2017. Т. 10, № 4. С. 375-387.
- Eichhorn F., Biggemann J., Kellermann S., Kawai A., Kato K., Kakimoto K., Fey T. Influence of cell size on mechanical and piezoelectric properties of PZT and LNKN ceramic foams // Adv. Eng. Mater. 2017. Vol. 19. 1700420.
- Kumar B.P., Rawal B., Rajan K.M. Characterization of high porous PZT piezoelectric ceramics by different techniques // Def. Sci. J. 2018. Vol. 68. P. 500-504.
- Tajima K.-I., Hwang H.J., Sando M., Niihara K. Electric-field-induced crack growth behavior in PZT/Al2O3 composites // J. Am. Ceram. Soc. 2000. Vol. 83. P. 651-653.
- 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. 13-131.
- Lewis R.W.C., Dent A.C.E., Stevens R., Bowen C.R. Microstructural modelling of the polarization and properties of porous ferroelectrics // Smart Mater. Struct. 2011. Vol. 20. 085002.
- 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.
- Nan C.-W., Weng G.J. Influence of polarization orientation on the effective properties of piezoelectric composites // J. Appl. Phys. 2000. Vol. 88. P. 416-423.
- Zhang Y., Roscow J., Lewis R., Khanbareh H., Topolov V.Yu., Xie M., Bowen C.R. Understanding the effect of porosity on the polarisation-field response of ferroelectric materials // Acta Mater. 2018. Vol. 154. P. 100-112.
