Фазовые переходы в наноструктурированных композитах сегнетоэлектрик - диэлектрик

• Автор: Висковатых, Алексей Васильевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 133 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ГЛАВА 1. РАЗМЕРНЫЕ ЭФФЕКТЫ В СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКАХ

1 Л. Фазовый переход в сегнетоэлектрических наночастицах

1.2. Существование критического размера сегнетоактивной наночастицы

1.3. Взаимодействие сегнетоактивных частиц в матрице

1.4. Механическое взаимодействие сегнетоэлектрических

частиц с диэлектрической матрицей

ГЛАВА 2. ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ В НАНОРАЗМЕРНЫХ

КРИСТАЛЛАХ
2.1. Структурный фазовый переход, не сопровождающийся даль-нодействующими полями
2.2. Сегнетоэлектрический фазовый переход в частице эллиптической формы
2.3. Сегнетоэластический фазовый переход в тонкой пластине
со свободной границей
2.4. Сегнетоэластический фазовый переход в тонкой пластине без изменения формы образца
ГЛАВА 3. ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ В НАНОКОМПОЗИТНЫХ
МАТЕРИАЛАХ
3.1. Фазовый переход сегнетоэлектрической частицы, находящейся в диэлектрической матрице
3.2. Электрическое взаимодействие сегнетоэлектрических
частиц в диэлектрической матрице
3.3. Влияние электрострикционного и пьезоэлектрического эффектов на фазовые переходы в композиционных материалах сегнетоэлектрик - диэлектрик
3.4. Влияние термоупругих напряжений на фазовые
переходы в сегнетоактивных композитах
3.5. Фазовый переход сегнетоэлектрического стержня бесконечной длины с учетом пьезоэффекта

ГЛАВА 4. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТРИЧНЫХ КОМПОЗИТОВ
СЕГНЕТОЭЛЕКТРИК - ДИЭЛЕКТРИК
4.1. Статическая диэлектрическая восприимчивость
композитов сегнетоэлектрик - диэлектрик
4.2. Обобщенная диэлектрическая восприимчивость
композитов сегнетоэлектрик - диэлектрик
4.3. Методы расчета эффективных характеристик материалов
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. На протяжении последних десятилетий интерес ученых и инженеров к нанокомпозитам постоянно возрастает. Это обусловлено необходимостью создания материалов для современной электроники, оптики, ракетно-космической, медицинской, бытовой и т.д. техники, где требуются материалы с настолько разнообразными свойствами, что набор лишь чистых кристаллов становится уже явно недостаточным. Нанокомпозиты являются наиболее перспективными в плане возможности управления их физическими свойствами. Другой аспект этой проблемы, также привлекающий внимание исследователей, имеет фундаментальный характер. Дело в том, что большинство материалов при достижении размера <100 нм кардинально меняют физические свойства: изменяется параметр решетки, температура плавления, температура Дебая, температуры фазовых переходов (ФП), коэффициенты термического расширения и диффузии, происходит дискретизация энергетических уровней носителей заряда и т.д. Иными словами для описания частиц малых размеров нужны новые физические представления, такие как, например, термодинамика малых частиц, предложенная Хиллом, где в качестве термодинамических параметров используют наряду с температурой и давлением размер частицы.
При переходе к композитам помимо отмеченных выше особенностей поведения малых частиц необходимо учитывать, что композиты представляют собой гетерогенные многофазные материалы, в которых усреднение физических характеристик приводит к возникновению новых свойств, отличных от свойств исходных компонентов композита. В экспериментальных исследованиях композитных материалов с наноразмерными включениями не всегда удается получить непрерывный размерный ряд наночастиц. Поэтому математическое моделирование является наиболее простым и эффективным методом исследования таких систем. Развитие и применение методов моделирования позволяет естественным образом дополнять экспериментальные исследования. В силу невозможности учесть все детали структуры при моделировании композита необходимо развивать новые методы, учитывающие сложность структуры материала.
Цель работы - установление влияния микроструктуры на формирование эффективных физических свойств композиционных материалов, один из компонентов которых испытывает фазовый переход второго рода.

дипольное взаимодействие приводит к уменьшению свободной энергии, приходящейся на одну частицу. Объединяя первое и третье слагаемые в правой части выражения (1.45), видно, что влияние дипольного взаимодействия приводит к увеличению температуры сегнетоэлектрического ФП в ансамбле взаимодействующих частиц по сравнению с температурой перехода в изолированной малой частице:

т? =ТС(К) 5 я2. (1.46)

В случае, когда геометрия расположения частиц в матрице приводит к возрастанию свободной энергии (а <с, множитель /с > 0), приходящейся на одну частицу, температура ФП понижается по сравнению с температурой ФП в изолированной малой частице. Авторами [66] предполагается, что такая ситуация не может быть реализована, поскольку одинаковое направление поляризации становится энергетически не выгодным. Численные расчеты показали, что для тетрагональной сетки СЭ частиц с а < с наиболее энергетически выгодным является расположение частиц с параллельным направлением поляризации вдоль направления с и антипараллельной ориентацией векторов поляризации ближайших частиц в плоскости перпендикулярной с.
Формулу (1.46) следует рассматривать как оценочную для температуры ФП в системе взаимодействующих сегнеточастиц ввиду грубости представления их точечными диполями, которое, с одной стороны, не отражает все особенности распределения электрических полей в материале, и, с другой стороны, в этой модели расстояние между сегнеточастицами должно быть много больше их характерных размеров. Параметр g в этой формуле играет роль подгоночного параметра, зависящего только от наличия в материале свободных зарядов. Для нанопористых материалов предполагается, что такие заряды перетекают по стенкам пор или в адсорбированной воде [66, 67]. Другой источник зарядов указан в работах [68, 69].
На основании ЯМР-исследования нанопористых матриц МСМ-41 с размером пор 2, 2.6 и 3.7 нм, заполненных нитритом натрия, при вращении под магическим углом показано сосуществование в широком температурном диапазоне двух фаз: кристаллической и расплава. Это предположение позднее было подтверждено акустическими исследованиями [70]. Как следует из полученных результатов, малые частицы плавятся при температурах существенно ниже температуры плавле-