Ученые НИТУ «МИСиС» в составе международной группы ученых смогла получить композитный материал, обладающий лучшими на сегодня пьезоэлектрическими свойствами. Результат исследования опубликован в журнале Scientific Reports.
Пьезоэлектрики — одни из самых удивительных материалов в мире. Из них буквально можно выдавить электричество. То есть, электрический заряд появляется в момент сдавливания (или растяжения) материала. Это называется пьезоэлектрический эффект. У пьезоэлектриков множество сфер применения — от датчиков давления, чувствительных элементов микрофона до контроллеров впрыска чернил в струйных принтерах и кварцевых резонаторов.
Одним из самых популярных пьезоэлектриков стал цирконат-титанат свинца. Однако у него есть несколько недостатков — он тяжелый и негибкий. Кроме того, любое производство, связанное со свинцом, наносит большой вред экологии. Поэтому ученые постоянно ищут новые материалы с пониженным содержанием свинца, а также обладающие меньшим весом и большей гибкостью. В частности, создание максимально гибких пьезоэлектриков (при сохранении этого ключевого свойства) сильно бы расширило возможности пьезоэлектрических материалов и как акустических мембран, и как датчиков давления. Международной группе ученых из Университета Дуйсбурга-Эссена (Германия), НИТУ «МИСиС», ТГУ и МИЭТ при финансовой поддержке РНФ (грант 16-19-10112) удалось создать такой материал и проанализировать его свойства. Для этого наночастицы, состоящие из титаната-цикроната бария-свинца, пришлось поместить в комплексный полимер, состоящий из винилидендифторида и трифторэтилена. Варьируя состав компонентов, ученые смогли получить самый оптимальный композит.
«Российско-германская группа ученых, в которую вошел старший научный сотрудник научно-исследовательского центра «Материаловедение и металлургия» НИТУ «МИСиС» Дмитрий Киселев, создала композитный материал на основе керамики и органических полимеров, по свойствам превосходящий самые лучшие на сегодняшний день пьезоэлектрики, — рассказала ректор НИТУ «МИСиС» Алевтина Черникова. — Экспериментальная часть исследования проводилась на атомно-силовом микроскопе немецкого Университета Дуйсбурга-Эссена. Благодаря этой научной коллаборации Дмитрий Киселев получил навыки работы на одном из лучших в мире сканирующих зондовых микроскопов, которые сможет применить в НИТУ «МИСиС».
Как отметил Дмитрий Киселев, у разработанного материала есть очень четкая область применения, обусловленная его полимерной составляющей:
«Композиционные материалы на основе полимера и классических сегнетоэлектриков, обладающие пьезо- и пироэлектрическими свойствами, имеют ряд преимуществ по сравнению с чистой керамикой: малая плотность, возможность изготовления деталей любого размера и формы, механическая эластичность, стабильность электрофизических свойств, простота и относительно низкая стоимость получения. Кроме того, синтезированный композит отлично проявил себя при высоких давлениях, что делает его прекрасной основой для датчиков давления».
По словам ученого, для изучения композита им пришлось модифицировать стандартную методику, что позволило корректно визуализировать наночастицы керамики в объеме полимерной матрицы: «Чтобы четче уловить электрический сигнал, мы определенным способом нагрели наш образец от комнатной температуры до 60 градусов Цельсия. Это позволило нам очень качественно и воспроизводимо измерить характеристики материала. Наша методика сильно облегчит работу коллегам по изучению композитов. Поэтому надеюсь, что она окажется востребованной у коллег-микроскопистов».
Экспериментальная часть работы проводилась на атомно-силовом микроскопе Университета Дуйсбурга-Эссена (Германия). «Теперь российским ученым стало проще проводить такие измерения на мировом уровне, так как микроскоп MFP 3D Stand Аlone (Asylum Research) теперь есть в Центре коллективного пользования НИТУ „МИСиС“, поэтому мы уже активно сотрудничаем с несколькими институтами РАН и университетами Москвы», — подчеркнул Дмитрий Киселев.