26
Materialelor compozite inteligente Prof. ing. Nicolae Gheorghe – Grupul Şcolar Costeşti, e-mail: [email protected] 1. Sisteme şi structuri inteligente 1.1. Definirea sistemelor şi structurilor inteligente Definiţia de structuri inteligente a fost o temă controversată între anii 1970 şi 1980. În anul 1988, US Army Reserch Office a ajuns la un consens în ceea ce priveşte terminologia de „sensors”, „actuators”, „control mechanism” şi „timely response” (răspusul în timp util) ce caracterizează sistemele şi structurile inteligente. Aceşti termeni au fost adoptaţi în special în laboratoarele, atelierele şi fabricile care se ocupau cu cercetarea, producerea şi utilizarea structurilor şi sistemelor inteligente. Acel sistem sau material care încastrează (include), un senzor sau mai mulţi senzori, un actuator sau mai mulţi actuatori şi un mecanism de control sau mai multe mecanisme de control, cu care este capabil să „sesizeze” anumiţi stimuli, să „răspundă” într-o manieră rapidă, şi să revină la structura, forma, starea iniţială, într-un timp cît mai scurt, după ce stimulii au fost îndepărtaţi, se numeşte sistem sau structură inteligentă.” Acordul de la Vardan and Vardan (2000), se referă la „smart system” (sisteme inteligente) ca fiind nişte dispozitive care pot sesiza schimbări ale mediului exterior şi pot da un răspuns optim prin schimbarea proprietăţilor materialului, geometriei, mecanicii sau printr-un răspuns electromagnetic. Cele două funcţii de senzor şi de actuator, cu propriul lor feedback, trebuie să fie bine integrate la nivelul structurii. Ar trebui de asemenea să fie urmărit faptul dacă răspunsul este prea încet sau prea rapid, cazuri în care sistemul şi-ar pierde aplicabilitatea sau ar deveni periculos (Takagi. 1990). În prealabil, cuvântul „intelligent”, „adaptive” şi „organic” a fost de asemenea folosit pentru a caracteriza materialele şi sistemele inteligente. Spre exemplu, Crawley şi de Luis (1987) introduceau termenii de „intelligent structures” deoarece aceste

Materiale Compozite Inteligente

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Materiale Compozite Inteligente

Citation preview

Page 1: Materiale Compozite Inteligente

Materialelor compozite inteligenteProf. ing. Nicolae Gheorghe – Grupul Şcolar Costeşti,

e-mail: [email protected]

1. Sisteme şi structuri inteligente

1.1. Definirea sistemelor şi structurilor inteligente

Definiţia de structuri inteligente a fost o temă controversată între anii 1970 şi 1980. În anul 1988, US Army Reserch Office a ajuns la un consens în ceea ce priveşte terminologia de „sensors”, „actuators”, „control mechanism” şi „timely response” (răspusul în timp util) ce caracterizează sistemele şi structurile inteligente. Aceşti termeni au fost adoptaţi în special în laboratoarele, atelierele şi fabricile care se ocupau cu cercetarea, producerea şi utilizarea structurilor şi sistemelor inteligente.

„Acel sistem sau material care încastrează (include), un senzor sau mai mulţi senzori, un actuator sau mai mulţi actuatori şi un mecanism de control sau mai multe mecanisme de control, cu care este capabil să „sesizeze” anumiţi stimuli, să „răspundă” într-o manieră rapidă, şi să revină la structura, forma, starea iniţială, într-un timp cît mai scurt, după ce stimulii au fost îndepărtaţi, se numeşte sistem sau structură inteligentă.”

Acordul de la Vardan and Vardan (2000), se referă la „smart system” (sisteme inteligente) ca fiind nişte dispozitive care pot sesiza schimbări ale mediului exterior şi pot da un răspuns optim prin schimbarea proprietăţilor materialului, geometriei, mecanicii sau printr-un răspuns electromagnetic.

Cele două funcţii de senzor şi de actuator, cu propriul lor feedback, trebuie să fie bine integrate la nivelul structurii. Ar trebui de asemenea să fie urmărit faptul dacă răspunsul este prea încet sau prea rapid, cazuri în care sistemul şi-ar pierde aplicabilitatea sau ar deveni periculos (Takagi. 1990).

În prealabil, cuvântul „intelligent”, „adaptive” şi „organic” a fost de asemenea folosit pentru a caracteriza materialele şi sistemele inteligente. Spre exemplu, Crawley şi de Luis (1987) introduceau termenii de „intelligent structures” deoarece aceste structuri posedau calităţi de actuator, senzor şi reţele de procesare (processing networks).

Similar, profesorul H. H. Robertshaw preferă termenul „organic” (Rogers 1988) care sugerează similitudinea cu procesele biologice. Braţul omului, de exemplu, are o rigiditate variabilă ca actuator, a cărei mişcare este controlată după o lege inteligentă coordonată de creier.

Cercetătorii de la US Army Research Office au studiat diferenţele dintre termenii „intelligent”, „adaptive” şi „organic” faţă de termenul „smart”, constatând diferenţieri subtile.

Termenul „inteligence” spre exemplu, este asociat cu abstractele cuvinte, gândire sau învăţare, şi până la această dată nu a fost implementat în vreo formă adoptivă la un material sensibil sau structură. Oricum, mulţi cercetători folosesc termenul „smart” şi „intelligent” ca două cuvinte interschimbabile, iar termenii „adaptive” şi „organic” au rămas fără popularitate.

Ideea de „smart” sau „intelligent” pentru structuri a fosr adoptată şi pentru natură, unde toate organismele vii posedă stimuli – răspuns (stimules – response), ca o mare capabilitate (Rogers, 1990). Ţinta pentru cercetarea viitorului în acest câmp al structurilor şi sistemelor inteligente (smart systems/structures), este posibilitatea de a copia sistemele structurale ale organismelor vii,

1

Page 2: Materiale Compozite Inteligente

care posedă un vast sistem de senzori neuronali distribuiţi pe tot corpul, fiind monitorizaţi de creier, în diverse condiţii şi în toate punctele corpului.

Oricum, sistemele inteligente „smart sistems”, sunt mult inferioare materiei vii respectiv fiinţelor, întrucât nivelul lor de inteligenţă este mult mai primitiv.

În legătură cu „smart” sau „intelligent structures”, Rogers (1990) găseşte definiţia îmbunătăţită a termenilor, care a însemnat o clasificare mai completă a structurilor inteligente, la un nivel mai sofisticat. Relaţiile între aceste tipuri de structuri este clar explicată de Fig.1.

(a) Structuri senzoriale (Sensory Structures): Aceste structuri posedă senzori capabili să monitorizeze sisteme structurale respectiv caracteristici.

(b) Structuri adaptive (Adaptive Structures): Aceste structuri posedă actuatori capabili să modifice sisteme structurale sau caracteristici în mod controlat.

(c) Structuri controlate (Controlled Structures): Acestea rezultă dintr-o intersecţie (combinare) a senzorilor cu structurile adaptive ( (a) + (b)). Acestea posedă senzori şi actuatori integraţi prin feedback intr-o „arhitectură”cu scopul de a controla structura sistemului sau caracteristicile.

(d) Structuri active (Active Structures): Aceste structuri posedă atât senzori cât şi actuatori cu o înaltă (superioară) integrare în cadrul structurii şi etalează o structură funcţională având în plus un control al funcţionalităţii.

(e) Structuri inteligente (Intelliget Structures): Aceste structuri sunt bazate pe „structuri active”, posedând o înaltă (superioară) integrare a controlului logic şi electronic, acesta furnizând elementele cognitive în distribuţia ierarhică a arhitecturii de control.

A - Structuri senzoriale; B - Structuri adaptive; C - Structuri controlate; D - Structuri active; E - Structuri inteligente.

Fig.1 Clasificarea „Smart Structures”

Acestea pot fi considerate drept o combinaţie „sensor – actuator – controller”, care poate fi realizată fiecare, la nivel macroscopic (structură) sau la nivel microscopic (material).În consecinţă, putem avea structurile şi materialele respective. Conceptul de material inteligent este introdus în secţiunea următoare.

2

Page 3: Materiale Compozite Inteligente

1.2. Materiale inteligente (Smart Materials)

Materialele inteligente sunt noua generaţie de materiale excepţionale. Aceste materiale posedă capabilităţi adaptive la stimuli externi cum ar fi încărcările, sau la mediul înconjurător, cu o inteligenţă intrinsecă.

La US Army Research Office Wokshop (1988), materialele inteligente (smart materials) se defineau ca: „materiale care posedă abilităţi pentru a-şi schimba proprietăţile într.o manieră specifică cu un răspuns specific la stimulii de intrare.” Stimulii ar putea fi: presiunea, temperatura, câmpul electric şi câmpul magnetic, radiaţiile chimice sau radiaţiile nucleare. Prin asocierea schimbărilor proprietăţilor fizice, se poate schimba forma, rigiditatea, vâscozitatea sau vibraţia.

Programarea inteligenţei materialului depinde de compoziţia materialului, procesarea specifică a acestuia, introducerea de defecte sau modificând microstructura, astfel încât să se adapteze la diferite niveluri de stimuli într-un mod controlat.

Takagi (1990) definea ca material inteligent acel material care răspunde la schimbările mediului înconjurător în condiţiile cele mai optime cu ajutorul funcţiilor proprii, în raport cu mediul înconjurător. Funcţiile feedback-ului din cadrul materialului sunt combinate cu proprietăţile şi funcţiile materialului.

Fibrele optice, polimerii piezoelectrici şi ceramicele piezoelectrice, fluidele electro-.rheologice (ER), materialele magnetostrictive şi aliajele cu memoria formei (SMA), fac parte din categoria materialelor inteligente. Fig.2 ne arată asocierea „stimuli” şi „răspuns” ale materialelor inteligente. Datorită acestor abilităţi speciale de a răspunde la stimuli, s-a găsit pentru ele un câmp larg de aplicaţii ca senzor şi actuator. O foarte detaliată descriere a materialelor inteligente (smart materials) este acoperită de Gandhi şi Thompson (1992).

1.3. Materiale inteligente (Smart Materials) active şi pasive

Materialele inteligente pot fi active sau pasive. Fairweather (1998) definea ca materiale inteligente active, acele materiale care posedă capacitatea de modificare a propriei geometri sau a proprietăţilor materiale sub acţiunea electrică, termică sau a câmpului magnetic, prin aceasta achiziţionând o inerentă capacitate de transformare a energiei.

Materialele piezoelectrice, SMAs, fluidele ER, şi materialele magneto-strictive sunt materiale inteligente (Smart Materials) active.

Caracterul activ al lor este exprimat prin transformarea într-o forţă actuatoare. Spre exemplu SMAs au o mare forţă de revenire la forma iniţială de ordinul a700 Mpa care pot fi utilizaţi ca forţă actuatoare. Similar, materialele piezoelectrice, care transformă energia electrică în energie mecanică (forţă mecanică) sunt de asemenea „active”.

Materialele inteligente, care nu sunt active, se numes materiale inteligente (Smart Materials) pasive. Deşi inteligent (smart), acest neajuns de a nu fi „activ”, care este inerent, nu dă capabilitatea de transformare a energiei. Materialul fibrei optice este un bun exemplu de material inteligent (smart material), pasiv. Aceste materiale pot fi folosite ca senzori dar nu ca actuatori.

3

Page 4: Materiale Compozite Inteligente

Fig. 2. Asocierea stimuli – răspuns la „Smart Material”

1.4. Aplicaţii ale materialelor piezoelectrice

Întrucât această temă este de mare interes, vom prezenta câteva aplicaţii pe scurt, ale acestor materiale piezoelectrice. Tradiţional, materialele piezoelectrice au fost cunoscute pentru utilizarea lor pentru accelerometre, senzori de tensiune (Sirohi şi Chopro,2000), emisia şi recepţia undelor ca rezultat al solicitărilor (Giurgiutiu 2000 şi Boller 2002), senzori de distribuţie a vibraţiilor (Choi şi Chang1996, Kaviecki,1998), actuatori (Sirohi şi Chopra, 2000), şi traductoare de presiune (Zhu,2003). În deceniile din urmă materialele piezoelectrice, dispozitive şi structuri derivate ale acestora au fost angajate într-o dezvoltare continuă sub formă de actuatori pentru turbo-maşini, amortizarea vibraţiilor şi controlul activ static şi dinamic al vibraţiilor structurilor (helicopter blades, Chopra, 2000). Materialele piezoelectrice s-au arătat foarte promoţătoare în controlul activ al structurilor. Controlul structural al marilor structuri este de asemenea o mare tentaţie (Kamada, 1997). Alte noi aplicaţii se referă la absorbţia (amortizarea) acustică subacvatică (underwater acoustic absorbtion), robotică, poziţionarea precisă şi învelişuri inteligente pentru submarine (precision positioning and smart skins for submarines)(Kumar, 1991). Senzorii tactili care utilizează efectul piezoelectric pentru sesizarea temperaturilor şi presiunilor au fost şi ei studiaţi (Rogers 1990). Recent, materialele piezoelectrice au fost angajate în producerea de micro şi nano sisteme şi traductoare interdigitale fără fir „wireless inter digital transducers” (IDT), folosite la sisteme tehnologice avansate, prin încastrare, care îşi găsesc numeroase aplicaţii în microelectronică, bio-medicină şi SHM (Structural Health

4

Page 5: Materiale Compozite Inteligente

Monitoring)(Varadon, 2002). Recent cercetările explorează capacitatea piezo-fibrelor versatile, de a putea fi integrate în structuri compozite de acţionare şi SHM (Boller 2002).

Cele mai remarcabile aplicaţii ale materialelor piezoelectrice în SMH au fost sub forma de tehnică EMI (Electro-Mechanical Impedance). Aceasta este principala temă de care ne vom ocupa în detaliu în secţiunea care urmează.

1.5. Smart Materials: Aplicaţiile viitorului

Experienţele cercetătorilor pun în dezbatere adesea viziuni despre viitorul materialelor inteligente în conferinţe şi seminarii. Potrivit Prof. Rogers, ar putea avea loc următoarele progrese în câmpul materialelor inteligente (smart materials) precum şi al structurilor:

• Materiale, care pot opri propagarea fisurilor prin producerea de solicitări de compensare in mod automat, în jurul fisurii „arestul avariilor”(Damage arrest).

• Materiale, care pot distinge dacă încărcarea este statică sau dinamică (şoc) şi poate genera o forţă suficient de mare împotriva solicitărilor de şoc „absorbţia (amortizarea) şocurilor”(Shock absorbes).

• Materiale capabile de a se repara singure, care pot să-şi repare avariile în timp util „materiale care se vindecă singure”(Self-healing materials).

• Materiale utilizabile la temperaturi foarte ridicate (asemănător cu cele întâlnite la navetele spaţiale când acestea reintră în atmosfera pământului din spaţiul extraterestru), cu posibilitatea de schimbare directă a compoziţiei „atenuare termică” (thermal mitigation)

Takagi, un alt cercetător, desfăşoară in mod similar proiecte cu materiale care au un înalt grad de: „a recunoaşte”, „a deosebi”, „a ajusta”, „a se autodiagnostica”, „şi „a se autoînvăţa”.

1.6. Senzori piezoelectrici

1.6.1. Piezoelectricitatea şi materialele piezoelectrice

Cuvântul „piezo” este preluat din limba greacă şi înseamnă presiune. Fenomenul piezoelectric a fost descoperit în 1880 de Pierre şi Paul-Jacques Curie. Fenomenul piezoelectric are loc într-un cristal fără centru de simetrie, ca de exemplu quartz (SiO2), Lithium Niobate (LiNbO3), PZT [Pb(Zr1-xTi x)O3], şi PLZT [(Pb1-xLa x)(Zr1-yTi y)O3], la care dipolii electrici (deci suprafaţa încărcată) sunt generaţi când cristalul este încărcat printr-o deformaţie mecanică. Asemănător cristalul suferă deformaţii mecanice atunci când este supus unui câmp electric.În cazul cristalelor cu centru de simetrie (centrate simetric), deformaţia asupra cristalului nu induce un moment dipolic (dipole moment), arătat în Fig.3.

Fig.3. Cristal cu centru simetric ( = Dipole moment)

5

Page 6: Materiale Compozite Inteligente

La cristalele fără centru de simetrie (necentrate simetric), solicitarea de deformare conduce la o reţea de momente dipol (dipole moment) ilustrate în Fig.4. Asemănător, prin aplicarea unui câmp electric se produc tensiuni (deformaţii) mecanice la cristalul fără centru de simetrie.

Fig.4. Cristal fără centru simetric ( = Dipole moment)

1.6.2. Relaţiile constitutive

Relaţiile constitutive ale materialelor piezoelectrice, supuse unor câmpuri de acţiuni, sunt următoarele (IEEE standard).

Fig. 5. Reprezentări schematice a efectului direct şi de a efectului invers, piezoelectric: (a) un câmp electric aplicat provoacă variaţii semnificative de formă; (b) o solicitare pe

materialul provoacă o încărcare electrică pe suprafaţă.

Relaţiile constitutive liniare privind efectul direct şi efectul invers piezoelectric sunt următoarele:

6

Page 7: Materiale Compozite Inteligente

(1), (2)

Prima relaţie se numeşte „efectul direct” (direct effect), la care o solicitare mecanică exterioară (presiune) induce o încărcare electrică (polarizare) a materialului piezoelectric, în timp ce a doua ecuaţie reprezintă „efectul invers” (converse effect) la care un câmp electric induce o tensiune mecanică în interiorul materialului piezoelectric. Aplicaţia bazată pe „efectul direct” conferă calitatea de senzor a materialului piezoelectric, iar aplicaţia bazată pe „efectul invers” conferă calitatea de actuator .Când un senzor este supus unei solicitări, el generează un răspuns proporţional cu încărcarea, şi poate fi măsurat. Când un actuator are structura supusă unui câmp electric exterior, în structura acestuia apare o tensiune (încordare) urmată de o deplasare între anumite limite dar oarecum proporţională cu mărimea câmpului electric aplicat. Mai departe ecuaţia generală de mai sus se poate rescrie matricial astfel:

(3)

unde[D] (3x1) ( ) este vectorul electric de deplasare, [S] (3x3) este tensorul tensiune, [E] (3x1) ( ) vectorul de aplicare al câmpului electric şi [T] (3x3) ( tensorul solicitare.[ ( este permitivitatea electrică a tensorului sub o solicitare constantă, [ ( şi[ ( al treilea (ordin) coeficient de tensiune al tensorului de natură piezoelectrică, şi [( ) al patrulea termen (ordin) de capacitate elastică al tensorului de câmp electric constant.

Datorită avantajului simetriei, tensorii pentru solicitare şi tensiune, se pot reduce de laordinul (3x3) la ordinul de mărime (6x1). Astfel, [S] şi asemănător[T] . Prin urmare, coeficienţii tensiunilor piezoelectrice pot fi reduşila o formă de ordin secundar al tensorilor, [ (3x6) şi . Exponenţii „d” şi „c” suntiniţiale ce înseamnă „direct” şi „converse” efect piezoelectric. Similar, al patrulea ordin decapacitate elastică al tensorului [ poate fi redus la (6x6). Literele „T” şi „E” indică parametri care au fost măsuraţi la o solicitare constantă (în graniţele de libertate mecanică) şi câmp electric constant. Bara de deasupra anumitor parametri semnifică natura complexă a termenului (măsurarea se face în condiţii dinamice). Coeficientul de tensiune piezoelectric defineştetensiunea mecanică pe unitatea de câmp electric sub o slicitare mecanică constantă (zero) şi care defineşte deplasarea electrică pe unitatea de solicitare sub un câmp electric constant (zero). În practică cei doi coeficienţi sunt egali. reprezintă direcţia câmpului electric iar reprezintă direcţia tensiunilor mecanice asociate. Spre exemplu, termenul semnifică o aplicare a câmpului electric pe direcţia „3” şi că tensiunea este măsurată pe direcţia „1”.

7

Page 8: Materiale Compozite Inteligente

Pentru o foaie subţire de material piezoelectric, arătată în Fug.6, direcţia de polarizare este pe o direcţia grosimii care corespunde direcţia axei 3. Axele 1 şi 2 se află în planul foii piezoelectrice.

Matricea [ depinde de structura cristalului. Spre exemplu, ea este diferită pentru PZT şi quarţ.

Coeficienţii se referă la tensiunile normale pe direcţiile 1,2 şi 3, respectiv la direcţia câmpului electric pe direcţia de polarizare 3. Pentru cristalele PZT, coeficientul se referă la tensiunile de forfecare în planul format de direcţiile 2 şi 3 ale câmpului electric . Nu este posibil să se producă forfecarea în planul format de direcţiile 1 şi 2 doar prin aplicarea unui câmp electric, întrucât toţi termenii din rândurile trecute din matricea [ sunt zero. Asemănător, solicitarea la forfecare în planul format pe direcţiile 1 şi 2 nu poate să generete un răspuns electric. În toţi polii materialului piezoelectric , este negativ şi este pozitiv. Pentru un senzor bun, suma algebrică dintre şi ar trebui să fie maximă şi în acelaşi timp,

ar trebui să fie minim.

Fig.6. Foiţă de material piezoelectric şi axele convenţionale 1, 2 şi 3.

Matricea de elasticitate are următoarea formă.

8

Page 9: Materiale Compozite Inteligente

(5)

Din considerente energetice , matricea elastică este simetrică, şi va avea doar 21 de coeficienţi independenţi. Mai departe, pentru materialele iztropice, acolo avem doar doi coeficienţi independenţi, şi expresiile de mai jos (restul termenilor sunt zero).

unde este modulul complex de elasticitate al lui Young (la un câmp electric constant), modulul complex de forfecare (la un câmp electric constant) şi V este raportul lui Poisson.Aceştia pot fi notaţi ca moduli statici, şi , ce formează relaţia:

Matricea electrică primitivă poate fi scrisă astfel:

Pentru argumente energetice, matricea primitivă poate fi prezentată în formă simetrică, prin reducerea numărului de coeficienţi independenţi la 6. Mai departe, datorită avantajului configuraţiei cristalului, putem obţine mai multe simplificări. Spre exemplu, putem lua forma simplă monoclinică, cubică sau ortorombică a cristalului.

9

Page 10: Materiale Compozite Inteligente

1.6.3. Materiale piezoelectrice comercialeÎn primul rând, cristalele piezoelectrice, care sun fragile au o largă importanţă, şi se folosesc

cel mai mult în practică. Oricum, acum comercializarea materialelor piezoelectrice se referă la cele ceramice şi cele polimerice., care pot fi tăiate într-o varietate de forme şi mărimi şi pot fi uşor lipite.

Piezoceramicele

FIGURA 7. Reprezentarea schematică a procesului de polarizare a ceramicelor piezoelectrice: (a) în absenţa unui câmp electric, domeniile de polarizare au orientare

aleatorie, (b) polarizarea în domenii sunt aliniate în direcţia câmpului electric.

Perovskite este numele dat unui grup de materiale cu ABO3, formula generală având aceeaşi structură ca titanatul de calciu (CaTiO3). Ceramica piezoelectrică are în această structură inclus titanat de bariu (BaTiO3), (PbTiO3), (PbZrxTi1-xO3, or PZT), [Pb1-xLax(ZryT1-y)1-x/4O3, or PLZT], [PbMg1/3Nb2/3O3, or PMN].

PZT (oxid de plumb zirconat titanat) are compoziţia chimică [Pb(Zr1-xTix)O3], şi este cel mai utilizat tip de piezoelectric. El este o soluţie solidă din zirconat de plumb şi titanat de plumb, adesea dopată cu alte materiale pentru obţinerea de proprietăţi specifice. El este fabricat prin încălzirea unui amestec (mixtură) de plumb, pulbere de oxid de zirconiu şi titan la 800 – 1000 ºC obţinînd prima dată o pulbere de perovskite PZT, care amestecată cu un liant şi sinterizată într-o formă dorită. Celulele rezultate în urma unirii sunt alungite într-o direcţie şi expuse umui moment dipol permanent în lungul axei. Oricum, ceramica constă în multe domenii asemănătoare orientate la intâmplare, ce nu au reţeaua polarizată. Aplicarea unui câmp electric înalt, produce alinierea axelor polare ale celulelor unite alungite , prin aceasta are loc reorientarea cea mai puternică a tuturor domeniilor. Acest proces se numeşte polarizare (poling) ce împarte cristalul într-o reţea permanentă de polarizare.

10

Page 11: Materiale Compozite Inteligente

Efectul piezoelectric în BaTiO3 a fost descoperit în anii 1940, şi a devenit primele ceramice piezoelectrice dezvoltate. Aceasta a înlocuit sarea Rochelle, pentru că este mult mai stabil, are o gamă mai largă de temperatură de funcţionare, şi este uşor de manufacturat. Punctul Curie, T0, este de aproximativ 130 ° C. Mai sus de 130 ° C, rezultă o fază cubică nonpiezoelectrică care este stabilă, în care centrul de sarcină pozitivă (BA2+ şi Ti4+) coincide cu centrul de sarcină negativă (O2-) (Figura 2.8.(a)). Răcită sub punctul Curie, rezultă o structură tetragonală (se arată în figura 2.8.(b)) ionii de bariu şi titan din centrul de sarcină pozitivă, ese deplasează în raport cu ioni O2-, care duce la formarea de dipoli electrici. Titanault de bariu are o constantă relativă dielectrică de 1400 când nu este polarizată, şi 1900 când este polarizată,. Coeficienţilor şi de BaTiO3 sunt 270 şi 191x10-12 NC-1, respectiv. K pentru BaTiO3 este de aproximativ 0,5. Deoarece constanta dielectrică a titanatului de bariu nu se modifică la variaţii mari de temperatură, a dus la utilizarea largă a acestuia în aplicaţii de condensator multistrat.

Titanault de plumb, PbTiO3, raportatat ca fiind feroelectric, în 1950 , are o structură similară cu BaTiO3, dar cu o temperatură Curie (T0 = 490 ° C). Titanatul de plumb pur este dificil de fabricat. Când răcirea trece prin punctul Curie, grăunţii treac din faza cubică în faza tetragonală, conducând la tensiuni mari şi de fracturare ceramică. Aceste tensiuni spontane pot descreşte prin adăugarea de elemente chimice dopante ca de exemplu Ca, Sr, Ba Sn, şi W. Doparea cu calciu a PbTiO3 are o constantî dielectrică = 200, = 65x10-12 C/N, şi k = 0,5. Adaosul de calciu duce la o scădere a punctului Curie la 225 °C. Principalele aplicatii ale titanatului de plumb sunt hidrofoane şi geamanduri sonore.

FIGURA 8. Structura cristalului BaTiO3: (a) mai sus de punctul Curie, celula este cubică;(b) sub punctul Curie, celula este tetragonală cu Ba2+ şi ioni Ti4+ strămutate în raport cu ionii O2-.

Zirconat de titanat de plumb (PZT) este o soluţie solidă binară de PbZrO3 (o structură ortorombică antiferoelectrică) şi PbTiO3 (o structură de perovskit tetragonală feroelectrică). Ea are o structura perovskite, cu ionii de Zr4+ şi de Ti4+ ocupă poziţia B din structura ABO3 la întâmplare. La limita de fază morphotropică (MPB), care separă fazele tetragonal şi orthorhombic, PZT arată proprietaţi piezoelectrice excelente. La temperatura camerei, MPB având raportul rezultă un piezoceramic cu o polarizare foarte uşoară. Piezoelectricele PZT la la limita de fază MPB sunt, de obicei dopate cu o varietate de ioni, pentru a forma ceea ce sunt cunoscute sub numele de "hard" si "soft" PZTs. Hard PZT este dopat cu ioni acceptor, cum ar fi K+ sau Na la site-ul A, sau

11

Page 12: Materiale Compozite Inteligente

Fe3+, AL3+, sau MN3+ la site-ul B. Dopajului reduce proprietăţile piezoelectrice, şi face PZT mai dificil de polarizat sau depolarizat. Proprietăţile tipice la piezoelectricele PZT includ: Punctul Curie T0 = 365 °C, =1700-1750 (polarizat), coeficient de încărcare piezoelectric d33=360 -- 370 x10-12 N·C-1, şi k = 0.7. PZT soft este dopat cu ioni de donatori, cum ar fi La3+ pe site-ul A, sau Nb5+ sau Sb5+ la site-ul B. Aceasta a ridicat foarte mult proprietăţile piezoelectrice, şi este uşor de polarizat sau depolarizat. Proprietăţile tipice la piezoelectricele de PZT soft includ: punctul Curie, T0 = 210 °C, constantă dielectrică relativă 3200-3400 (polarizată), un d33 =580 - 600 x10-12 N·C-1, şi coeficient de cuplare k33 = 0.7.

1.6.4.Procesarea ceramicelor piezoelectrice

Proprietăţile electromecanice ale ceramicelor piezoelectrice sunt în mare măsură influenţate de condiţiile de prelucrare a acestora. Fiecare etapă a procesului trebuie să fie atent controlată pentru a produce cel mai bun produs. Figura 9 este o diagramă a unui proces tipic de fabricaţie de oxid de ceramică piezoelectrică. Materiale prime de înaltă puritate sunt cântărite cu precizie în funcţie de raportul dorit din punct de vedere mecanic sau chimic. În timpul pas calcinarea, fazele solidă a reacţiona la randamentul faza de piezoelectrice. După calcinare, amestecul solid este trabsformat în particule fine prin măcinare. Formarea (Shaping) se realizează printr-o varietate de tehnici de prelucrare ceramică, inclusiv compactare pulbere, de turnare în bandă, turnare de alunecare, sau extrudare. În timpul operaţiunii de modelare, materiale organice sunt de obicei adaugate în pulberile ceramice pentru a îmbunătăţi caracteristicile. Aceste organice sunt eliminate la o temperatură scăzută (500 la 600 °C).

După Burnout, structura ceramică este sinterizată la o densitate optimă la o temperatură ridicată. Pentru piezoelectrice de ceramică ce conţin plumb (PbTiO3, PZT, PLZT), sinterizarea se realizează în creuzete sigilate cu o atmosfera PbO optimizată. Acest lucru se datorează faptului că pierderea de plumb are loc în aceste ceramice la temperaturi mai mari de 800 °C. Prin aplicarea unui câmp electric puternic la temperatură înaltă, ceramica este polarizată. În acest moment, piezoelectricele ceramice sunt gata pentru finisare şi stabilirea caracteristicilor.

Materii prime Amestecare Calcinare Măcinare Formare

Caracterizare Polarizare Aplicare Sinterizare Ardereelectrozi liant

Fig. 9. Procesul de prelucrare a ceramicii piezoelectrice.

1.6.5. Polimeri piezoelectrici

Comportamentul piezoelectricelor din polimeri a fost pentru prima dată experimentat în 1969. Acest comportament este caracteristic în regiunile de cristalin format în aceşti polimeri în timpul solidificarii după topire. În cazul în care polimerul este întins, regiunile polare devin, şi pot fi polarizate prin aplicarea unui înalt câmp electric. Polimerii cei mai cunoscuţi sunt piezoelectricele de fluorură de poliviniliden, de asemenea, cunoscute sub numele de PVDF, de

12

Page 13: Materiale Compozite Inteligente

fluorură de poliviniliden - copolimer trifluoroetilenă, sau P (VDF-TrFE), şi impar-Nylons număr, cum ar fi Nylon-11

Proprietăţile electromecanice ale polimerilor piezoelectrici sunt semnificativ mai mici decât cele ale ceramicii piezoelectrice. Constanta d33 are valori pentru PVDF şi P (VDF-TrFE) de aproximativ (33x10-12 N·C-1), şi constantă dielectrică cuprinsă în intervalul 6 - 12. Ambele au un coeficient de cuplare (k) de 0.20, şi un punct de Curie (T0) de aproximativ 100 °C. Pentru Nylon-11, este de aproximativ 2, în timp ce k este de aproximativ 0,11.

1.6.6. Compozitele ceramic/polimer

După cum sa menţionat mai sus, un singur cristal, ceramică, materiale polimerice prezintă un comportament piezoelectric. În plus faţă de materiale de monolit, compozitele din ceramice piezoelectrice cu polimeri, au avantajele şi dezavantajele fiecărui tip de material. Ceramicele sunt mai puţin costisitoare şi mai uşor de fabricat decât polimerii sau compozitele. Ele au, de asemenea constante dielectrice relativ ridicate şi o bună cuplare electromecanică. Cu toate acestea, ele au o înaltă impedanţă acustică, şi prin urmare, au un slab semnal acustic sub apă. De asemenea, deoarece acestea sunt rigide şi friabile, ceramicele monolit nu pot fi formate cu suprafeţe curbe, fapt ce limitează flexibilitatea de proiectare. În cele din urmă, ele au un grad ridicat de zgomot asociate cu modurile lor de rezonanţă. Polimeri piezoelectrici se comportă acustic foarte bine la apă, şi sunt foarte flexibile.

Piezoelectricele compozite ceramic/pulimer, au proprietăţi superioare în comparaţie cu fazele luate individual.

13