Единый портал инновационной деятельности Самарской области
АНКЕТА ИССЛЕДОВАНИЯ

Лазерный синтез композиционных керамических и керамополимерных пьезоматериалов

композиционный материал; керамополимерный композит; пьезоэффект; лазерная обработка

Рубрикатор ВИНИТИ

291, Физика

Наименование базовой организации

Самарский филиал федерального государственного бюджетного учреждения науки Физического института им. П. Н. Лебедева Российской академии наук
Количество организаций: 3

Научный руководитель

Кузнецов Сергей Иванович
кандидат физико-математических наук
Число монографий: 0
Число учебно-методических изданий: 0
Число научных работ в зарубежных издательствах: 0
Число статей в журналах ВАК: 14
Число патентов: 0

Лазерный синтез композиционных керамических и керамополимерных пьезоматериалов

Критические технологии

  • Технологии наноустройств и микросистемной техники.

Длительность проведения исследования

более 5 лет

Аннотационное описание сущности

Исследование посвящено разработке основ технологии изготовления пьезоматериалов для различных областей акустоэлектроники. Изучены возможности применения лазерного спекания для получения пористых керамических и керамополимерных композиционных материалов.
Для изготовления пористых пьезоэлементов предлагается использовать метод селективного лазерного спекания, заключающийся в послойном изготовлении изделия при спекании порошка сканирующим лазерным пучком по программе на основе 3D модели будущего изделия. Изучена возможность изготовления пористых пьезоэлементов как из порошка ЦТС керамики, так и из смеси оксидов титана, циркония и свинца. В последнем случае в процессе лазерной обработки происходит не только спекание порошка, но и синтез оксидов системы PbTiO3 – PbZrO3 из простых оксидов. Показана принципиальная возможность как реализации синтеза твердых растворов сложных оксидов в условиях быстрого неравновесного нагрева, так и изготовления трехмерных изделий послойным спеканием; изучена зависимость структуры получаемых материалов от режимов лазерного воздействия.
Технология лазерного спекания имеет определенные преимущества перед традиционным методом печного спекания. Известно, что при спекании керамики происходит ее сильная (до 30 % объема) усадка. Поэтому необходимо изготовление элемента заведомо большего размера с последующей механической обработкой, что затрудняет получение пьезоэлементов сложной формы. При послойном изготовлении методом СЛС усадка при спекании может быть компенсирована нанесением дополнительных слоев, что значительно сокращает стадию механической доводки.
Получение пористых пьезоматериалов традиционным промышленным методом крайне затруднительно и требует серьезной переработки всей технологической цепочки. При изготовлении пьезокерамики методом СЛС можно так управлять процессом спекания (мощностью лазерного излучения, количеством и траекторией проходов, толщиной наносимого слоя), что получаемое изделие будет иметь плотность, значительно меньшую плотности монолитной керамики. В наших исследованиях удалось снизить плотность материала пьезоэлемента более чем в 2 раза.
Для получения перспективных керамополимерных композитов исследованы различные варианты лазерных технологий: изготовление керамической матрицы с последующей пропиткой полимером, послойное спекание смеси порошков керамики и полимера, лазерная термообработка прессованных заготовок. В качестве материалов для изготовления керамополимерных композитов использовались ЦТС керамика и фторполимер ПВДФ 2М. Оба эти материала обладают пьезоэлектрическими свойствами, что, как следует из теории, может дать определенный синергетический эффект. Определены возможности и принципиальные ограничения для реализации различных технологий получения композитов.
Наиболее интересные с практической точки зрения результаты получены для термообработки прессовок. Данная технология позволяет получать композиционные пленки толщиной в доли миллиметра с различным содержанием керамики. Нужно заметить, что полимерные пленки обычно получают экструзией расплава, но из-за близости температур стеклования и деструкции получить композитные пленки из ПВДФ необычайно сложно.
В рамках проводимой научной работы исследованы влияния режимов лазерной обработки на характер спекания (толщину, деформацию получаемых пленок) и процессы деструкции в полимере. Выбором типа лазера и режима обработки удается минимизировать деструкционные процессы с целью сохранения структуры полимера, необходимой для наличия пьезосвойств.

Научная новизна исследования

Впервые разработаны основы технологий получения композиционных пьезоматериалов различной структуры: пористые керамические материалы, керамополимерные композиты. Рассмотрены различные варианты реализации технологий, показано, что использование лазерной обработки позволяет расширить функциональные характеристики пьезоматериалов. Определены режимы лазерного воздействия для эффективного синтеза композитов.

Опубликованные результаты научного исследования

1.	Петров А.Л., Тарасова Е.Ю., Шишковский И.В. и др. Способ изготовления пьезокерамических объемных изделий из порошковых композиций // Патент РФ № 2214316 от 20.10.2003 г.
2.	Kruchkova G.V., Tarasova E.Yu. Petrov A.L., Shishkovsky I.V. Structure and properties of porous PZT ceramics synthesized by selective laser sintering method. // Proceeding in SPIE, 2000, Vol. 3933, p.502 - 504
3.	Тарасова Е.Ю., Шишковский И.В., Петров А.Л. Функционально – градиентные пьезокомпозиты на основе ЦТС – керамики, синтезируемые методом послойного селективного лазерного спекания // Вопросы материаловедения, № 1 (29), 2002, с. 409-415
4.	Захарова Д.О., Журавлева И.И., Кузнецов С.И., Тарасова Е.Ю. Лазерный синтез керамополимерных материалов на основе модифицированного поливинилиденфторида // Известия Самарского научного центра РАН. 2011. Т.13. №4(2). С. 584-587

Сведения о наиболее близких исследованиях


										

Планируемые результаты и практическая значимость

В ближайшие 3 года будут изучены процессы термоокислительной деструкции полимера под действием лазерного излучения с различной длиной волны, влияние гранулометрии порошков на процессы лазерного спекания и деструкции полимера. Полученные результаты позволят оптимизировать структуру и свойства композиционного материала под конкретные условия работы и конкретную конструкцию акустического прибора.

Форма передачи и организация внедрения результатов исследования


										

Финансирование работ со стороны федеральных целевых программ

Нет

Финансирование работ в рамках Постановление Правительства России от 9 апреля 2010 г. N 218

Нет

Финансирование работ в рамках грантов Российского фонда фундаментальных исследований

Нет

Финансирование работ по контрактам, договорам, грантам, не указанных (ФЦП, 218, РФФИ)

Нет

Связи по совместному развитию

Самарский государственный университет; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Потребности по привлечению компетенций

Для дальнейшего развития темы необходимо сотрудничество с промышленными предприятиями и отраслевыми НИИ для разработки композитов под конкретные задачи, а также сотрудничество с предприятиями, отраслевыми и академическими институтами, ВУЗами по исследованию механических, электрофизических и пьезоэлектрических свойств композитов, получаемых с помощью лазерных технологий.

Общее кол-во научных работников

5

Количество научных работников имеющих степень доктора наук

0

Количество научных работников имеющих степень кандидата наук

2

Общее количество вспомогательного и обслуживающего персонала

0

Наименование темы и номер гранта ведущей научной школы РФ

0708 00 3 Физико-химические методы исследования процессов и материалов 0710 00 3 Материаловедение и технология новых материалов 0715 00 3 Радиофизика и электроника 2505 00 3 Химическая технология высокомолекулярных соединений 2501 00 3 Химическая технология органических веществ 2506 00 3 Технология переработки пластических масс и эластомеров 1904 00 3 Акустические приборы и системы

Потребность в научных работниках в ближайшие 3 года и их специализация

0708 00 3 Физико-химические методы исследования процессов и материалов 0710 00 3 Материаловедение и технология новых материалов 0715 00 3 Радиофизика и электроника 2505 00 3 Химическая технология высокомолекулярных соединений 2501 00 3 Химическая технология органических веществ 2506 00 3 Технология переработки пластических масс и эластомеров 1904 00 3 Акустические приборы и системы

Потребность во вспомогательном и обслуживающем персонале в ближайшие 3 года

5

Общее количество единиц научного и лабораторного оборудования, используемого в исследовании

12

Наиболее значимое научное и лабораторное оборудование

Лазер ЛТН-103 с координатным столом Ateko; комплекс для лазерной обработки (на базе СО2) - лазера Halk 53; рентгеновский дифрактометр ДРОН 3; электропечь с программируемым нагревом SNOL; микроскоп атомно-силовой СММ 2000; микроскоп электронный LEO EVO 50 ЕР с энергодисперсионным и волновым детекторами и кристаллографической приставкой; микроскоп оптический металлографический МЕТАМ ЛВ; микротвердомер ПМТ 3М; аналитические весы GR 200

Количество средств вычислительной техники

7

Потребность в научном и лабораторном оборудовании с учетом прогноза развития исследования в ближайшие 3 года и плановой замены имеющегося оборудования

Необходимое оборудование: прибор для определения площади удельной поверхности и пористости материалов; дериватограф; прибор для определения размеров частиц (до размеров порядка единиц нанометров); разрывная машина для исследования свойств полимерных пленок; консистометр Гепплера; гель-проникающий хроматограф. 
На замену имеющемуся оборудованию: дифрактометр общего назначения, лазерный комплекс на основе непрерывного СО2-лазера (длина волны 10,6 мкм, мощность 100 Вт), лазерная установка с непрерывным излучением (длина волны 1,06 мкм, мощность 500 Вт), печь электрическая высокотемпературная (рабочая температура до 1700 С).

Текущая потребность в средствах вычислительной техники

Нет

Используемое специализированное лицензионное программное обеспечение

Программа управления координатным столом Ateko; программа управления СО2 - лазером – макрос под CorelDraw12; программа автоматизации рентгеновских дифрактометров серии «ДРОН»

Текущая потребность в специализированном лицензионном программном обеспечении

Программа обработки дифрактограмм PDWin с базами данных по структурам неорганических и органических веществ, минералов и сплавов PDF

Оценочная стоимость необходимого научного и лабораторного оборудования, средств вычислительной техники и программного обеспечения

40 000 000