Nanoparticles Transport in Ceramic Matriсes: A Novel Approach for Ceramic Matrix Composites Fabrication

Abstract

The results of practical implementation of a new method for porous piezoceramics, and ceramic matrix piezocomposites fabrication were presented. The method was based on nanoparticles transport in ceramic matrices using a polymer nanogranules coated or filled with a various chemicals, with successive porous ceramics fabrication processes. Different types of polymer microgranules filled and coated by metal-containing nanoparticles were used for a pilot samples fabrication. Polymer microgranules were examined using transmission and scanning electron microscopy as well as by EXAFS and X-ray emission spectroscopy. Pilot samples of nano-and microporous ceramics and composites were fabricated using different piezoceramics compositions (PZT, lead potassium niobate and lead titanate) as a ceramic matrix bases. Resulting ceramic matrix piezocomposites were composed by super lattices of closed or open pores filled or coated by nanoparticles of metals, oxides, ferromagnetics etc. embedded in piezoceramic matrix. Dielectric and piezoelectric parameters of pilot samples were measured using piezoelectric resonance analysis method. New family of nanoand microporous piezoceramics and ceramic matrix piezocomposites are characterized by a unique spectrum of the electrophysical properties unachievable for standard PZT ceramic compositions and fabrication methods.

Finite Element Modeling and Analysis of the Effective Properties of Inhomogeneously Polarized Porous Piezoceramic Material With Partial Metallization of Pore Surfaces

“…Решение задач гомогенизации проводилось по методу конечных элементов в программном комплексе ANSYS по методологии, описанной выше. На языке APDL ANSYS были составлены программы, генерирующие представительный объем, решающие вначале задачу электростатики (14), (15), а затем пять задач гомогенизации (1)-(5) или (1)-(4), (6)- (8) с различными граничными условиями (9)-(13). После решений в ANSYS автоматически вычислялись осредненные характеристики и в итоге определялся полный набор эффективных модулей.…”

“…Перейдем к описанию полученных результатов, сравнивая два варианта модели пористой пьезокерамики. В варианте 1 учтем металлизацию пор граничными условиями (6)- (8). В варианте 2 рассмотрим обычную пористую пьезокерамику, когда на границах пор нет условий эквипотенциальности, а выполняются только условия (5) .…”

“…Однако гла вным недостатком пористых материалов является их меньшая прочность, что ограничивает их применение при больших механических нагрузках. Направленное изменение физико-механических свойств может быть проведено еще на этапе создания пористых материалов [5][6][7][8], например, методами локального легирования пор микро-или наночастицами различных веществ. Так, описанная в [8] технология основана на методе тран спортировки наночастиц веществ в керамические матрицы.…”

“…Направленное изменение физико-механических свойств может быть проведено еще на этапе создания пористых материалов [5][6][7][8], например, методами локального легирования пор микро-или наночастицами различных веществ. Так, описанная в [8] технология основана на методе тран спортировки наночастиц веществ в керамические матрицы. В результате применения данного метода можно получать пористые пьезокерамические материалы, внутри кот орых на границах керамической матрицы с порами осажены микро-или наночастицы из металла или полимера.…”

“…надо еще добавить электрические граничные условия(7),(8), действующие на поверхностях пор. После решения сформулированной задачи по МКЭ можно найти значения векторов поляризации конечного элемента с номером k , не являющегося порой.…”