АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СТРУКТУРЫ ПОРИСТОСТИ И НЕОДНОРОДНОСТИ ПОЛЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ НА ЭФФЕКТИВНЫЕ СВОЙСТВА ПОРИСТОЙ СЕГНЕТОЖЕСТКОЙ ПЬЕЗОКЕРАМИКИ ПКР-8

Аннотация

Пористая сегнетожесткая пьезокерамика имеет уникальные свойства, определяющие ее эффективность для различных гидроакустических и медицинских применений. Для определения материальных свойств пористой пьезокерамики необходимо расширить методы механики композитов на гетерогенные пьезоэлектрические среды, поскольку поле поляризации неоднородно в окрестности пор. Задача осложняется тем, что как само поле поляризации, так и материальные модули неоднородно поляризованной пьезокерамики могут быть определены только приближенно в силу неопределенности входных данных пористого материала при поляризации. При решении задачи определены эффективные модули пористой сегнетожесткой пьезокерамики с учетом различных упрощенных моделей поляризации, а также проведен сравнительный анализ двух видов структур пористости: простой случайной пористости и гарантированно закрытой пористости. Решение задач гомогенизации осуществлено численно методом конечных элементов в неоднородных представительных объемах. На первом этапе решались задачи электростатики диэлектриков, моделирующие процесс неоднородной поляризации. Затем каждый диэлектрический конечный элемент заменялся на пьезоэлектрический со своими элементными системами координат, связанными с направлениями векторов поляризации, и с материальными модулями, заданными в этих системах координат. На последнем этапе решались краевые задачи теории электроупругости при линейных по пространственным переменным главных граничных условиях, и из полученных осредненных компонент напряжений и электрической индукции определялся полный набор эффективных модулей. Все этапы моделирования были проведены в конечно-элементном комплексе ANSYS с использованием авторских программ, реализующих нестандартные возможности, предоставляемые языком программирования APDL. Анализ результатов в диапазоне пористости от 0 до 60% показал, что учет неоднородности поля поляризации очень слабо влияет на эффективные модули жесткости, в большей степени – на диэлектрические проницаемости, и приводит к достаточно существенным изменениям пьезомодулей, особенно поперечных пьезомодулей. Виды структуры пористости также важны для прецизионного определения эффективных модулей.