Влияние термодинамических условий на стабильность пьезоэлектрических композитов архитектуры 2-2

Авторы

  • Немыкин В.В. Институт фундаментального инженерного образования Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова, Российская Федерация ORCID iD 0009-0007-8378-6801
  • Малыхин А.Ю. Институт высоких технологий и пьезотехники Южного федерального университета, Российская Федерация ORCID iD 0000-0001-5449-9247
  • Панич А.А. Институт высоких технологий и пьезотехники Южного федерального университета, Российская Федерация

УДК

681.586:666.655

EDN

YCVKMA

DOI:

10.31429/vestnik-23-3-80-89

Аннотация

Исследовано влияние низких температур на электрофизические характеристики высокочувствительной пьезокерамики цирконата-титаната свинца с ультрадисперсными компонентами TiO2 и ZrO2, а также многослойного пьезоэлектрического композита архитектуры 2–2, изготовленного на ее основе. Показано, что оптимальное содержание ультрадисперсных компонентов (5 масс. %) обеспечивает уплотнение структуры, рост диэлектрической проницаемости и пьезоэлектрических модулей при незначительном снижение температуры Кюри и малом ухудшении диэлектрических потерь. В диапазоне от 25 ℃ до –150 ℃ относительная диэлектрическая проницаемость и поперечный пьезоэлектрический модуль демонстрируют быстрый спад при охлаждении до –25 ℃ и последующий выход на плато при более низких температурах, предположительно вследствие "замораживания" подвижности доменных стенок. Изготовленный композит показал высокие значения статической емкости и эффективного коэффициента электромеханической связи при 25 ℃, а также малую деградацию параметров и низкий температурный гистерезис после трех циклов охлаждения до –50 ℃, что делает его перспективным для применения в актюаторах и акселерометрах, работающих в условиях космоса, арктических зон и глубоководных сред.

Ключевые слова:

пьезоэлектрический композит, пьезокерамика, функциональные материалы, температурная стабильность

Информация о финансировании

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания, проект № FENW-2025-0005.

Информация об авторах

  • Вячеслав Васильевич Немыкин

    аспирант кафедры "Физика и фотоника" Института фундаментального инженерного образования Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) им. М.И. Платова

  • Анатолий Юрьевич Малыхин

    старший научный сотрудник лаборатории сырьевых компонентов и функциональных материалов Института высоких технологий и пьезотехники Южного федерального университета

  • Александр Анатольевич Панич

    директор Института высоких технологий и пьезотехники Южного федерального университета

Библиографические ссылки

  1. Mohith, S., Upadhya, A.R., Navin, K.P., Kulkarni, S.M., Rao, M., Recent trends in piezoelectric actuators for precision motion and their applications: a review. Smart Materials and Structures, 2021, vol. 30, iss. 1. DOI: 10.1088/1361-665X/abc6b9
  2. Wu, T., You, D., Gao, H., Lian, P., Ma, W., Zhou, X., Wang, C., Luo, J., Zhangand, H., Tan, H., Research status and development trend of piezoelectric accelerometer. Crystals, 2023, vol. 13, iss. 9, p. 1363. DOI: 10.3390/cryst13091363
  3. Ding, Y., Dong, Y., Lv, R., Zhang, Z., Xie, H., Zhang, Z., Chang, Y., Zheng, T., Wu, J., Dual-component multilayer piezoelectric ceramics with a central through-hole interdigitated architecture for structural-functional coupling and high-performance accelerometers. Advanced Functional Materials, 2026, vol. 36, iss. 37. DOI: 10.1002/adfm.74508
  4. Manjón-SanzMichelle, A.M., Dolgos, R., Applications of piezoelectrics: old and new. Chemistry of Materials, 2018, vol. 30, iss. 24, pp. 8718–8726. DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b03296
  5. Lee, J-S., Choi, M-S., Han, H.S., Kong, Y-M., Kim, S., Kim, I.W., Kim, M.S., Jeong, S.J., Effects of internal electrode composition on the reliability of low-firing PMN–PZT multilayer ceramic actuators. Sensors and Actuators. A: Physical, 2009, vol. 154, iss. 1, pp. 97–102. doi {10.1016/j.sna.2009.06.003}
  6. Fu, S., Xue, Q., Huang, L., Tan, R., Wang, F., Yan, K., Enhanced reliability of multilayer piezoelectric ceramic actuators with networked ceramic-metal composite internal electrodes. Materials Science and Engineering: B, 2026, vol. 323, part B. DOI: 10.1016/j.mseb.2025.118901
  7. Huan, Y., Hou, L., Wei, T., Jiang, F., Wang, T., Li, L., Wang, X., High-performance (K,Na)NbO3-based multilayer piezoelectric ceramic actuators with nickel inner electrodes. Journal of Advanced Ceramics, 2023, vol. 12, iss. 6, pp. 1228–1237. DOI: 10.26599/JAC.2023.9220752
  8. Bruno, B.P., Fahmy, A.R., Stürmer, M., Wallrabe, U., Wapler, M.C., Properties of piezoceramic materials in high electric field actuator applications. Smart Materials and Structures, 2018, vol. 28, iss. 1, p. 015029. DOI: 10.1088/1361-665X/aae8fb
  9. Du, Z-Z., Liu, Y-X., Wei, W-Q., Liu, H., Jiang, S-D., Fang, J-Z., Thermally stable piezoelectric performance in low-temperature sintered Pb0.95Ba0.01Sr0.04(Zr0.53Ti0.47)O3 ceramics with a low loss factor. Advances in Applied Ceramics, 2021, vol. 120, iss. 4, pp. 1–6. doi {10.1080/17436753.2021.1919363}
  10. Zhou, X., Wu, S., Wang, X., Wang, Z., Zhu, Q., Sun, J., Huang, P., Wang, X., Huang, W., Lu, Q., Review on piezoelectric actuators: materials, classifications, applications, and recent trends. Frontiers of Mechanical Engineering, 2024, vol. 19(1), iss. 6, pp. 1–29. DOI: 10.1007/s11465-023-0772-0
  11. Panda, P.K., Sahoo, B., Thejas, T.S., High strain lead-free piezo ceramics for sensor and actuator applications: A review. Sensors International, 2023, vol. 4, art. 100226, pp. 1–11. doi {10.1016/j.sintl.2022.100226}
  12. Yu, M-C., Tsai, C-C., Li, C-Y., Ho, Y-C., Chu, S-Y., Hong, C-S., Design and fabrication of novel lead-free compression-type multilayer piezoelectric accelerometers with wide bandwidth, smaller size, low weight, and high sensitivity. IEEE Sensors Journal, 2026, vol. 26, iss. 3, pp. 3687–3692. DOI: 10.1109/JSEN.2025.3624455
  13. Liu, W., Wang, B., Gong, S., Tu, X., Zhang, Y., Zhou, Y., Sun, X., Lei, Y., Yang, J., Zhao, T-L., Dong, S., A high-temperature piezoelectric accelerometer operating in symmetric shear-bending coupling mode. ACS Applied Materials {& Interfaces}, 2026, vol. 18, iss. 2, pp. 3968–3975. doi {10.1021/acsami.5c16755}
  14. Meng, Y., Chen, G., Huang, M., Piezoelectric materials: properties, advancements, and design strategies for high-temperature applications. Nanomaterials, 2022, vol. 12, iss. 7, art. 1171, pp. 1–32. DOI: 10.3390/nano12071171
  15. Ding, Y., Wang, Y., Liu, W., Pan, Y., Yang, P., Meng, D., Zheng, T., Jiagang Wu, J., Shear-structured piezoelectric accelerometers based on KNN lead-free ceramics for vibration monitoring. Journal of Materials Chemistry C, 2024, vol. 46, iss. 12, pp. 18639-18650. DOI: 10.1039/D4TC04292A
  16. Yang, H., Yang, Y., Hou, Y., Liu, Y., Liu, P., Wang, L., Ma, Y., Investigation of the temperature compensation of piezoelectric weigh-in-motion sensors using a machine learning approach. Sensors, 2022, vol. 22, iss. 6, art. 2396, pp. 1–18. DOI: 10.3390/s22062396
  17. Fialka, J., Klusacek, S., Benes, P., Pikula, S., Measurement of temperature dependence in material coefficients of PZT ceramics for acoustic emission sensors. IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS), 2013, pp. 1109–1112. DOI: 10.1109/ULTSYM.2013.0284
  18. Narita, F., Hasegawa, R., Shindo, Y., Electromechanical response of multilayer piezoelectric actuators for fuel injectors at high temperatures. Journal of Applied Physics, 2014, vol. 115, iss. 18, art. 184103. DOI: 10.1063/1.4875487
  19. Narita, F., Hasegawa, R., Shindo, Y., High temperature electromechanical response of multilayer piezoelectric laminates under AC electric fields for fuel injector applications. International Journal of Mechanics and Materials in Design, 2020, vol. 16, pp. 207–213. DOI: 10.1007/s10999-019-09453-1
  20. Liang, X., Cheng, W., Li, S., Hu, D., Tan, Q., High-temperature shear-type vibration sensor based on langasite piezoelectric crystal. Heliyon, 2024, vol. 10, iss. 19, art. E38417. DOI: 10.1016/j.heliyon.2024.e38417
  21. Thiercelin, M., Dammak, H., Pham, M., Electromechanical properties of PMN-PT and PZT ceramics at cryogenic temperatures. 2010 IEEE International Symposium on the Applications of Ferroelectrics (ISAF), 2011, pp. 1–4. DOI: 10.1109/ISAF.2010.5712258
  22. Okayasu, M., Okawa, M., Piezoelectric properties of lead zirconate titanate ceramics at low and high temperatures. SageJournal, 2021, vol. 120, iss. 3. DOI: 10.21203/rs.3.rs-97421/v1
  23. Paik, D.-S., Park, S.-E., Shrout, T.R., Hackenberger, W., Dielectric and piezoelectric properties of perovskite materials at cryogenic temperatures. Journal of Materials Science, 1999, vol. 34, pp. 469–473. DOI: 10.1023/A:1004578225228
  24. Grupp, D.E., Goldman, A.M., Giant piezoelectric effect in stronium titanate at cryogenic temperatures. Science, 1997, vol. 276, iss. 5311, pp. 392–394. DOI: 10.1126/science.276.5311.392
  25. Zhuang, Z.Q., Haun, M.J., Jang, S.-J., Cross, L.E., Composition and temperature dependence of the dielectric, piezoelectric and elastic properties of pure PZT ceramics. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 1989, vol. 36, iss. 4, pp. 413–416. DOI: 10.1109/58.31777
  26. Немыкин, В.В., Бурханов, А.И., Панич, А.Е., Дыкина, Л.А., Скрылёв, А.В., Сегнетомягкий пьезокерамический материал на основе ЦТС, электрофизические и механические свойства в широком диапазоне температур. Инженерный вестник Дона, 2021, № 12, c. 92–105. [Nemykin, V.V., Burkhanov, A.I., Panich, A.E., Dykina, L.A., Skrylyov, A.V., Ferromuscular piezoceramic material based on CTS, electrophysical and mechanical properties over a wide temperature range. Inzhenernyj vestnik Dona = Engineering Bulletin of the Don, 2021, no. 12, pp. 92–105. (in Russian)]
  27. Отраслевой стандарт 11-0444-87, Материалы пьезокерамические. Технические условия, 1988. [Otraslevoj standart 11-0444-87, Piezoceramic materials. Technical specifications, 1988. (in Russian)]
  28. ГОСТ Р 70659-2023, Керамика вакуумплотная. Классификация и система обозначений, 2023. [GOST R 70659-2023, Vacuum-tight ceramics. Classification and designation system, 2023. (in Russian)]
  29. Uchino, K., Electrostrictive and Piezoelectric Effects in Relaxor Ferroelectrics – Historical Background. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2022, vol. 69, iss. 11, pp. 3013–3036. DOI: 10.1109/TUFFC.2022.3165002
  30. Chaim, R., Levin, M., Shlayer, A., Estournes, C., Sintering and densification of nanocrystalline ceramic oxide powders: a review. Advances in Applied Ceramics, 2008, vol. 107, iss. 3, pp. 159-169. DOI: 10.1179/174367508X297812
  31. Maître, A., Beyssen, D., Podor, R., Effect of ZrO2 additions on sintering of SnO2-based ceramics. Journal of the European Ceramic Society, 2004, vol. 24, iss. 10–11, pp. 3111–3118. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2003.11.009
  32. Xu, F., Trolier-McKinstry, S., Ren, W., Xu, B., Xie, Z.-L., Hemker, K.J., Domain wall motion and its contribution to the dielectric and piezoelectric properties of PZT films. Journal of Applied Physics, 2001, vol. 89, iss. 2, pp. 1336-1348. DOI: 10.1063/1.1325005
  33. Gimadeeva, L., Ushakov, A., Pugachev, A., Turygin, A., Jing, R., Hu, Q., Wei, X., Hu, Z., Shur, V., Jin, L., Alikin, D., Mesoscale mechanisms of the diffuse dielectric behaviour and retention of the polar nano-regions in the polycrystalline ferroelectric BaTiO3. Journal of Materiomics, 2025, vol. 11, iss. 5, art. 101014. DOI: 10.1016/j.jmat.2025.101014
  34. Guo, Y., Ma, W., Wang, M., Chen, N., Properties of 0.015PSN–0.3PNN–0.685PZT ceramics near morphotropic phase boundary. Materials Letters, 2015, vol. 159, pp. 126–130. DOI: 10.1016/j.matlet.2015.06.113
  35. Gao, X., Wu, J., Yu, Y., Chu, Z., Shi, H., Dong, S., Giant piezoelectric coefficients in relaxor piezoelectric ceramic pnn-pzt for vibration energy harvesting. Advanced Functional Materials, 2018, vol. 28, iss. 30, art. 1706895. DOI: 10.1002/adfm.201706895
  36. Mastromatteo, L., Gaverina, L., Lavelle, F., Roche, J.-M., Irisarri, F.-X., Investigation of the thermal cycling durability of cobonded piezoelectric sensors for the SHM of reusable launch vehicles. 17th ECSSMET, 2023, pp. 598–605. HAL ID: hal-04151853

Скачивания

Данные по скачиваниям пока не доступны.

Загрузки

Выпуск

Том 23 (2026) № 3

Страницы

80-89

Раздел

Физика

Даты

Поступила в редакцию

30 апреля 2026

Принята к публикации

26 августа 2026

Публикация

25 сентября 2026

Как цитировать

[1]
Немыкин, В.В., Малыхин, А.Ю., Панич, А.А., Влияние термодинамических условий на стабильность пьезоэлектрических композитов архитектуры 2-2. Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества, 2026, т. 23, № 3, pp. 80–89. DOI: 10.31429/vestnik-23-3-80-89

Лицензия

Copyright (c) 2026 Немыкин В.В., Малыхин А.Ю., Панич А.А.

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.

Похожие статьи

1-10 из 73

Вы также можете начать расширенный поиск похожих статей для этой статьи.