Произнося слово «композитный», у большинства из нас возникают ассоциации с чем-то современным и инновационным. Например, мы можем представить обшивку для сухого Суперджета или новой версии скоростного автомобиля. Помимо этого, люди часто представляют, что композитные материалы – это основа любых современных бытовых предметов, будь то раковина или же пломба для зуба. Однако мы редко задумываемся над тем, что композиты появились несколько тысяч лет назад, и история их создания уходит своими корнями в Древний Египет.

Композит – это материал, состоящий из двух или более компонентов с различными физическими и химическими свойствами. При этом в сочетании друг с другом они создают новый материал или улучшают характеристики одного из присутствующих компонентов. Композитом можно назвать железобетон, включающий в себя металлическую сетку и бетон. Его примечательной чертой является хорошо различимая граница между двумя материалами в его составе, что и является основной характеристикой любого композита. Кроме того, в его составе часто выделяют матрицу и наполнитель. Изменяя их состав и объемные доли, можно получить разнообразие новых материалов с различными свойствами.

Фото: Классическая диаграмма связностей композитов по Роберту Ньюнэму. 

В июне этого года профессор Физического факультета ЮФУ Виталий Тополов опубликовал новую статью в журнале «Smart Materials and Structures» (Издательство Института физики – IOP Publishing). Она знакомит с новым, разработанным ученым, пьезоактивным композитом. Он содержит бессвинцовые компоненты (два кристаллических и полимерный) и демонстрирует высокую пьезочувствительность в сочетании с большими значениями гидростатических параметров. Связность исследованного материала 2–1–2 ранее не рассматривалась в литературе и может быть интересной с точки зрения микрогеометрии, анизотропии электромеханических свойств и ряда потенциальных применений. К таким применениям относятся пьезоэлектрические сенсоры, гидрофоны и акустические преобразователи.

«Предложенный трехкомпонентный пьезоактивный композит сочетает в себе черты традиционных слоистых и волокнистых композитов и обладает рядом параметров, которые выше, чем у слоистых или волокнистых композитов типа “кристалл – полимер”. Прежде всего, у нашего композита достигаются высокая продольная пьезочувствительность и связанные с ней гидростатические чувствительность и параметр приема. При этом большие значения эффективных параметров достигаются в присутствии всех бессвинцовых компонентов, что указывает на преимущества предложенного композита по сравнению с традиционными пьезоактивными композитами на основе свинецсодержащих сегнетокерамик типа PZT или ЦТС», – рассказал Виталий Тополов. 

Фото: Схема нового пьезокомпозита, разработанного в ЮФУ.

Связность композита в данной работе представлена индексами 2–1–2. Каждый индекс указывает, вдоль скольких осей координат непрерывно распределен конкретный компонент композита (концепция проф. Роберта Ньюнэма конца 70-х годов). Предложенный Виталием Тополовым композит состоит их трех компонентов: первый образует слои сегнетоэлектрического кристалла, они непрерывны вдоль двух осей координат. Второй – образует стержни пьезоэлектрического кристалла, и эти стержни имеют форму эллиптического цилиндра и непрерывны вдоль одной оси координат. Третьим компонентом является полимер, который выступает как матрица для стержней и одновременно как система слоев, непрерывных вдоль двух осей координат. 

«Данное исследование значимо, во-первых, вследствие описания активной роли бессвинцовых компонентов в формировании высоких значений параметров композитов, то есть бессвинцовые компоненты начинают конкурировать с известными свинецсодержащими. Во-вторых, из-за анализа характеристик нового композита, сформированного на основе двух распространенных связностей – 2–2 для слоистых и 1–3 для волокнистых композитов. Нужно подчеркнуть и то, что трехкомпонентные композиты, подобные рассмотренному в работе, важны с точки зрения улучшения ряда параметров композитов для пьезотехнических, сенсорных и гидроакустических применений. Это важный шаг вперед после исследований и апробации двухкомпонентных композитов», – отметил ученый.

Доктор физико-математических наук, профессор Физического факультета ЮФУ Виталий Тополов имеет на своем счету 237 научных работ, включенных в БД Скопус, и занимает второе место по цитированию среди всех сотрудников факультета. По его словам, данная работа стала следующим логическим шагом после издания монографии по инновационным пьезоактивным композитам в World Scientific (Сингапур, 2022).  

Текст: Юлия Сопрунова