Материалы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, чрезвычайно востребованы и находят применение во многих сферах нашей жизни. Большинство людей сталкивалось с пьезоэлектриками лишь в быту, при использовании зажигалок. Но кроме этого пьезоэлектрические материалы широко применяются в современных электронных и технических устройствах. Среди них — акустические преобразователи, микроэлектромеханические системы, элементы памяти, инфракрасные датчики, тепловизоры, гибридные электрические транспортные средства, струйные принтеры, пьезотрансформаторы и устройства хранения энергии.
Все пьезоэлектрики работают по сходному принципу: электрический заряд появляется в момент сдавливания или растяжения материала. Это и называется пьезоэлектрическим эффектом. Один из самых распространенных пьезоэлектриков — цирконат-титанат свинца. Но с недавнего времени разработчики ищут эффективную замену этому материалу, так как он обладает плохой гибкостью и большой массой. А свинец в его составе к тому же представляет еще и экологическую проблему. Поэтому российские инженеры совместно с европейскими коллегами повели работу по разработке нового эффективного пьезоэлектрика с более гибкими свойствами.
За основу будущего пьезоэлектрика ученые взяли полимерные материалы, состоящие из винилиденфторида и трифторэтилена (ВДФ-ТрФЭ). Эти материалы, по словам ученых, имеют высокую степень кристалличности, что приводит к повышению их пьезоэлектрических и пироэлектрических свойств. Чтобы добиться максимального улучшения пьезоэлектрических, диэлектрических и упругих свойств, разработчики смешали полимеры ВДФ-ТрФЭ с несколькими электроактивными наполнителями, такими как кристаллы триглицинсульфата, титанат бария, цирконат-титанат свинца, и рядом сегнетоэлектриков.
Важно было выявить локальные неоднородности, характерные для композитных материалов, так как они могут значительно влиять на их производительность. Зондирование таких неоднородностей было проведено с помощью сканирующей зондовой микроскопии на атомно-силовом микроскопе Университета Дуйсбурга-Эссена (Германия).
В результате команда инженеров получила композиционный пьезоматериал с малой плотностью, возможностью изготовления деталей любого размера и формы, механической эластичностью, стабильностью электрофизических свойств, простотой и низкой себестоимостью. Успешные испытания нового композита при высоких давлениях также делают его хорошей основой при создании датчиков давления.
Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports.
Также российские физики научились контролировать механические свойства полимеров.