КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 20-19-00780

НазваниеПоиск новых способов создания высокоэффективных бессвинцовых текстурированных пьезоматериалов с помощью аддитивных технологий.

РуководительШишковский Игорь Владимирович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий», г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

2020 г. - 2022 г.

Конкурс№45 - Конкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-302 - Корпускулярные, плазменные и лучевые источники для исследований и практики

Ключевые словапьезокерамика, 3D печать, микроструктура, текстурирование, легирование, стереолитография

Код ГРНТИ47.09.33

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Бессвинцовая пьезокерамика обладает значительным потенциалом по замещению распространенных в индустрии пьезокерамических материалов (ПКМ) на основе оксида свинца. Подобная замена необходима в силу негативного воздействия соединений свинца на живые организмы и окружающую среду. В Европейском Союзе (ЕС), уже приняты меры по ограничению применения в промышленности токсичных материалов, таких как пьезокерамики содержащие свинец [1]. В среднесрочной перспективе ожидается полный запрет на применение свинцовой пьезокерамики в ЕС и Северной Америке. При этом, существующие методы и подходы к изготовлению бессвинцовой керамики не обеспечивают достижения функциональных характеристик, аналогичных распространенным пьезоматериалам на основе оксида свинца. Одним из перспективных направлений в решении данной проблемы является текстурирование бессвинцовой пьезокерамики [2] и создание на ее основе полимерно-керамических композитов с контролируемой трехмерной структурой [3, 4]. Применение для этих целей аддитивных технологий открывает широкие перспективы по созданию бессвинцовых пьезоматериалов, обладающих сложной геометрией и необходимым комплексом пьезо- и диэлектрических свойств [5, 6], а также позволяет точно настраивать желаемые функциональные характеристики материалов в соответствии с назначением изделий. Дополнительным преимуществом полимерно-керамических композитов является возможность повышения механической прочности материала при одновременном снижении массы [4]. Подобные изделия востребованы при производстве специальных датчиков и генераторов волн, применяемых в морской акустике, в акустических микроскопах, в задачах сбора энергии из окружающей среды [9], в генераторах ультразвукового поля для приборов УЗИ, в топливных форсунках для дизельных двигателей [10] и других приложениях. Сложная форма пьезокерамических изделий позволяет получать улучшенные пьезоэлектрические свойства изготавливаемых изделий, по сравнению с традиционным подходом. При всей перспективности применения аддитивных технологий в производстве изделий из бессвинцовой пьезокерамики, для их полноценного промышленного внедрения требуется решить ряд научных проблем, а именно: - сформировать необходимый объем знаний а) об особенностях взаимодействия пьезокерамических материалов с лазерным излучением в ультрафиолетовом и видимом спектре света в технологиях, основанных на принципе стереолитографии. К примеру, особенности поглощения и рассеивания света частицами пьезокерамики определяют ряд требований по выбору подходящей технологии производства и настройке производственных параметров для эффективной 3D печати б) об особенностях формирования микроструктуры бессвинцовой пьезокерамики и полимерно-керамических композитов, полученных с применением методов аддитивного производства, а также в процессе термической пост-обработки и насыщения керамического скелета электропроводящим полимером в) о связи между характеристиками исходного пьезокерамического материала (порошка), парамтрами аддитивного производства и пьезоэлектрическими свойствами получаемого изделия г) о возможностях формирования трехмерной структуры пустотного пространства бессвинцовых пьезокерамических материалов в процессе 3D печати, которая позволяла бы достигать того же уровня пьезоэлектрических свойств, что и свинцовая пьезокерамика, или превосходить эти свойства; Целью проекта является изучение процессов получения текстурированной бессвинцовой пьезокерамики с помощью технологий 3D-печати, основанных на принципах проекционной (DLP) и лазерной стереолитографии (SLA), исследование пьезоэлектрических свойств материалов и разработка новых подходов по созданию высокоэффективных бессвинцовых текстурированных пьезоматериалов с использованием аддитивных технологий. Предполагаемая научная новизна исследования: 1) впервые будут исследованы закономерности формирования микроструктуры бессвинцовых ПКМ на микроуровне в процессах послойного выращивания образцов по технологиям 3D печати DLP и SLA, и проведен анализ возможностей текстурирования бессвинцовой пьезокерамики в процессе послойного выращивания заготовки для последующей термообработки; 2) впервые будут проведены исследования взаимосвязей трехмерной структуры пустотного пространства бессвинцовых ПКМ, полученных по технологиям 3D печати DLP и SLA с их пьезоэлектрическими и механическими свойствами, а также выявлены зависимости между микроструктурой ПКМ и параметрами исходного пьезокерамического порошка (такими как распределение размера частиц, морфология частиц, метод производства порошка, легирование керамического материала и пр.); 3) создание новых научно обоснованных подходов к многомасштабному трехмерному текстурированию пьезокерамики (на микроуровне текстурирование достигается за счет формирования заданной формы мелкокристаллических частиц в процессе их синтеза и дальнейшей термической обработки изделия, на макроуровне – путем построения заданного регулярного или нерегулярного пустотного пространства в объеме изготавливаемой модели методами 3D-печати) с целью управления пьезоэлектрическими свойствами композитного материала. Результаты, полученные в ходе выполнения проекта, будут предоставлены научной и индустриальной общественности в виде публикаций в журналах и докладов на конференциях. К процессу выполнения проекта будут привлекаться студенты магистры и аспиранты с целью подготовки молодых научных кадров, обладающих знаниями и опытом в современном аддитивном производстве керамических изделий, для российских институтов и промышленности, а также с целью формирования отдельных разделов их научных диссертаций. Литература: [1] Label P. I. D., Label P., oHS Compliance Engineer R. Directive 2002/95/EC of the European Parliament and of the Council of 27 January 2003 on the restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment. – 2005. [2] Hreščak J. et al. Donor doping of K0. 5Na0. 5NbO3 ceramics with strontium and its implications to grain size, phase composition and crystal structure //Journal of the European Ceramic Society. – 2017. – V. 37. – №. 5. – P. 2073-2082. [3] Alderson, A. (1999). A triumph of lateral thought. Chemistry & Industry, 17, 384-391. [4] Iyer, S., Alkhader, M., & Venkatesh, T. A. (2014). Electromechanical response of piezoelectric honeycomb foam structures. Journal of the American Ceramic Society, 97(3), 826-834. [5] Lin, D., Nian, Q., Deng, B., Jin, S., Hu, Y., Wang, W., & Cheng, G. J. (2014). Three-dimensional printing of complex structures: man made or toward nature?. ACS nano, 8(10), 9710-9715. [6] Rowlands, W., & Vaidhyanathan, B. (2019). Additive manufacturing of barium titanate based ceramic heaters with positive temperature coefficient of resistance (PTCR). Journal of the European Ceramic Society. [7] Zhang, J., Pan, Z., Guo, F. F., Liu, W. C., Ning, H., Chen, Y. B., ... & Xing, X. (2015). Semiconductor/relaxor 0–3 type composites without thermal depolarization in Bi 0.5 Na 0.5 TiO 3-based lead-free piezoceramics. Nature communications, 6, 6615. [8] Jacob, J., More, N., Kalia, K., & Kapusetti, G. (2018). Piezoelectric smart biomaterials for bone and cartilage tissue engineering. Inflammation and regeneration, 38(1), 2. [9] Elicerio, Victor Fernando, "Additive Manufacturing of Energy Harvesting Material System for Active Wireless MEMS" (2018). ETD Collection for University of Texas, El Paso. AAI10808345. https://digitalcommons.utep.edu/dissertations/AAI10808345 [10] Holterman and P. Groen, An Introduction to PiezoelectricMaterials and Applications, Stichting (Applied Piezo,Apeldoorn, Netherlands, 2013)

Ожидаемые результаты
В рамках выполнения работ по проекту ожидается получение следующих результатов: 1) Будет разработана, собрана, откалибрована и протестирована лабораторная экспериментальная установка, работающая на принципе лазерной стереолитографии в диапазоне длин волн, отличном от доступных на рынке коммерческих установок DLP и SLA. Установка будет обладать возможностью быстрой смены лазера для переключения с одной длины волны лазерного излучения на другую. Работа установки в диапазоне длин волн 400-500 нм, обеспечение высокой плотности энергии в зоне воздействия лазера на пьезокерамический материал и возможность переключения между различными длинами волн позволят успешно осуществлять 3D печать пьезокерамики, что недоступно в существующих установках 3D печати. Переключение длин волн позволит оперативно реагировать на изменения в оптических свойствах пьезокерамического материала, которые возникают в процессе легирования исходного порошка. Данная установка является уникальной, в мировой практике подобных установок не существует. Появление успешной Российской технологии 3D печати пьезокерамики позволит обеспечить Российским ученым и промышленникам существенные конкурентные преимущества в изготовлении технологически сложных функциональных устройств, по сравнению с мировыми производителями. В среднесрочной перспективе, данная разработка позволит инициировать и развивать собственное аддитивное производство керамических изделий в России, включая оборудование и материалы для него, снизить или полностью устранить зависимость российских производителей аддитивной керамики от иностранных компаний, которая на текущий момент составляет практически 100% в аддитивном сегменте технологий и зависит от политически-конъюнктурной составляющей с уже имеющимися негативными прецендентами. 2) Будут выявлены закономерности влияния условий и режимов 3D печати по технологии стереолитографии (SLA и/или DLP) на характеристики микроструктуры образцов трех типов бессвинцовых ПКМ (на основе титаната бария (BT), ниобата калия-натрия (KNN) и титаната натрия-висмута (NBT)) и их пьезоэлектрические и механические свойства, а именно: диэлектрическую проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь, пьезо-модули d33 и d13, электрическую проводимость, предел прочности при сжатии, растяжении и изгибе. Данный результат будет сформирован в виде обширного упорядоченного набора данных, совокупность которых позволит проектировать и, возможно, прогнозировать оптимальные параметры производственного процесса пьезокерамических изделий с привлечением аддитивных технологий. Данные такого порядка практически отсутствуют в мировой научной литературе и в технических справочниках в силу недостаточного развития аддитивных технологий в применении к пьезокерамическим материалам и недостаточной проработки данной тематики мировыми научными коллективами. Результаты исследований будут представлены в виде научных публикаций и докладов на конференциях. 3) Будет представлено описание возможностей легирования бессвинцовой пьезокерамики, оптимизированной для процесса аддитивного производства по принципу стереолитографии. Методы производства пьезокерамического порошка и технологии его легирования подробно описаны в применении к традиционым методам производства. Однако данный вопрос слабо изучен с точки зрения влияния легирующих агентов на оптические свойства получаемого порошка. Для аддитивных технологий, основанных на принципе стереолитографии, важным фактором являются оптические свойства исходного материала (отражение, поглощение, преломление и рассеивание лазерного излучения), которые подвержены изменениям в результате легирования, а также в результате изменения распределения размеров частиц или их морфологии. Данная зависимость не исследована в контексте аддитивных методов производства, при том, что подобные эффекты могут оказывать критическое воздействие на возможность 3D печати ПКМ. Результаты исследований будут представлены в виде научных публикаций и докладов на конференциях. 4) Будут представлены новые технологические подходы к созданию высокоэффективных бессвинцовых текстурированных пьезоматериалов с использованием аддитивных технологий. Будут исследованы зависимости физических и механических свойств напечатанных текстурированных пьезокерамических образцов от параметров их микроструктуры и характеристик их пустотного пространства. На текущий момент в мировой научной литературе представлены отдельные случаи успешной 3D печати пьезокерамических образцов с инженерно-спроектированными пустотными характеристиками (макропоры в формате сеточных структур). Планомерного параметрического исследования мировыми научными коллективами не проводилось. Таким образом, данное исследование станет первым в области аддитивных технологий, где будет применен последовательный подход к изучению связи пустотных характеристик пьезокерамических изделий с параметрами производственной процедуры и физическими параметрами изготавливаемых образцов. Основная практическая значимость ожидаемых результатов проекта состоит в том, что они могут стать научной основой для разработки нового поколения технологий создания изделий из экологически чистых и биосовместимых функциональных материалов, основанных на применении современных усовершенствованных методов аддитивного производства. Предлагаемый проект направлен на создание технологических решений, обеспечивающих полный «жизненный» цикл – от синтеза исходного порошкового бессвинцового керамического пьезоматериала, до получения конечных продуктов, а также предусматривает решение сложившихся системных проблем в части создания опережающего научно-технического задела в области разработки и внедрения в промышленное производство технологий изготовления функциональных изделий сложной геометрии посредством методов 3D печати. На основе экспериментально подтвержденных результатов предлагаемого проекта, перспективным направлением дальнейших исследований является проведение опытно-конструкторских и технологических работ связанных с использованием разработанного в данном проекте подхода для изготовления оборудования для производства, а также конкретных изделий для электронной, космической, авиационной, автомобильной, судостроительной промышленности, для медицины и здравоохранения. Соответствие ожидаемых результатов проекта мировому уровню исследований в области аддитивных технологий керамических и композиционных материалов будет обеспечено за счет применения современных методов, оборудования и инструментов на всех этапах реализации проекта. По результатам выполнения проекта будет опубликовано не менее девяти публикаций в изданиях, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Core Collection) или «Скопус» (Scopus). Планируемые способы распространения информации в научном сообществе о достигнутых результатах проекта: публикация серии статей в высокорейтинговых научных журналах; выступление с докладами на российских и международных научных конференциях; публикация основных результатов проекта на сайте Сколковского института науки и технологий; адресная рассылка результатов проекта потенциальным потребителям.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---