Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2023, № 6 · MATHEMATICAL MODELS IN RADIO ELECTRONICS PROBLEMS

The electroelastic properties of the initial-stressed piezoceramics PZT-4 with unidirectional tunnel pores

A.A. Pan'kov1

1 Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2023.6.4 UDC 53.043 EDN CFXKHZ

Abstract

Prediction results and numerical analysis of effect on effective transversal-isotropic electroelastic properties of porous piezoceramics of PZT-4 with unidirectional cylindrical (tunnel) pores of values of its initial axisymmetric stress state are presented. Effective constants have been identified: Young's and shear modules, Poisson's ratio in the transversal plane of isotropy and the "longitudinally/transverse" piezomodule of porous ceramics, which are most significantly influenced by the nature and values of its initial deformation in comparison with other practically "invariant" constants. It has been found that the "transversal" hydrostatic initial deformation of the porous ceramic has a greater effect on the effective constants of the porous ceramic than the same values of the "longitudinal" axial initial deformation.

  • piezoelectric effect
  • porous piezoceramics
  • Electroelastic properties
  • initial stress state
  • Mechanics of composites
  • boundary value problem of electroelasticity
  • numerical modeling
Аннотация (на русском)

Электроупругие свойства начально-напряженной пьезокерамики PZT-4 с однонаправленными туннельными порами

Представлены результаты прогнозирования и численный анализ влияния на эффективные трансверсально-изотропные электроупругие свойства пористой пьезокерамики PZT-4 с однонаправленными цилиндрическими (туннельными) порами значений ее начального осесимметричного напряженного состояния. Выявлены эффективные константы: модули Юнга и сдвига, коэффициент Пуассона в трансверсальной плоскости изотропии и «продольно-поперечный» пьезомодуль пористой керамики, на которые наиболее существенно, в сравнении с другими практически «инвариантными» константами, влияют характер и значения ее начального деформирования. Установлено, что «трансверсальная» гидростатическая начальная деформация пористой керамики более существенно влияет на эффективные константы пористой керамики, чем такие же значения «продольной» осевой начальной деформации.

For citation

Pan'kov A.A. The electroelastic properties of the initial-stressed piezoceramics PZT-4 with unidirectional tunnel pores // Journal of Radio Electronics. – 2023. – No. 6. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.6.4

References

  1. Tzou H.S. Piezoelectric shells (Distributed sensing and control of continua). Kluwer Academic Publishers. 1993. 320 p
  2. Rubio W.M., Vatanabe S.L., Paulino G.H., Silva E.C.N. Functionally graded piezoelectric material systems - a multiphysics perspective. In book Advanced computational materials modeling: from classical to multi-scale techniques. Edited by Miguel Vaz J'unior, Eduardo A. de Souza Neto, Pablo A. Munoz-Rojas. Weinheim, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. 2011. 414 p. P.301-339. http://dx.doi.org/10.1002/9783527632312
  3. Ebrahimi F. Piezoelectric materials and devices-practice and applications.IntechOpen. 2013. 176 p. http://dx.doi.org/10.5772/45936
  4. Уорден К. Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и применение. Москва, Техносфера. 2006. 224 с.
  5. Берлинкур Д., Керран Д., Жаффе Г. Пьезоэлектрические и пьезомагнитные материалы и их применение в преобразователях. Физическая акустика. Т.1. Методы и приборы ультразвуковых исследований. Часть А. Москва, Мир. 1966. С. 204-326.
  6. Kolpakov A.G. Effect of influation of initial stresses on the homogenized characteristics of composite. Mechanics of materials. 2005. V.37. №8. P.840-854. https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2004.08.002
  7. Каралюнас Р.И. Эффективные термопьезоэлектрические свойства слоистых композитов. Механика композитных материалов. 1990. №5. С.823-830.
  8. Гетман И.П. О магнитоэлектрическом эффекте в пьезокомпозитах. ДАН СССР. 1991. Т.317. №2. С.1246-1259.
  9. Коган Л.З., Мольков В.А. Магнитоэлектрические свойства волокнистых пьезокомпозитов. Изв. РАН. Механика твердого тела. 1996. №5. С.62-68.
  10. Gorbachev V.I.Integral formulas in electromagnetic elasticity of heterogeneous bodies. application in the mechanics of composite materials.Composites: Mechanics, Computations, Applications. An International J. 2017. V.8. №2. P.147-170. https://doi.org/10.1615/CompMechComputApplIntJ.v8.i2.40
  11. Baсидзу К. Вариационные методы в теории упругости и пластичности. Москва, Мир. 1987. 542 с.
  12. Гузь А.Н. Об определении приведенных упругих постоянных композитных слоистых материалов с начальными напряжениями. Доклады АН УССР. Сер. А. 1975. №3. С.216-219.
  13. Гузь А.Н. Упругие волны в телах с начальными напряжениями. В 2-х т. Т.2. Закономерности распространения. Киев, Наукова думка. 1986. 536 с.
  14. Алехин В.В., Аннин Б.Д., Колпаков А.Г. Синтез слоистых материалов и конструкций. Новосибирск, изд-во: Ин-т гидродинамики СО АН СССР. 1988. 128 c.
  15. Akbarov S.D., Guliev M.S. Axisymmetric longitudinal wave propagation in a finite prestretched compound circular cylinder made of incompressible materials.International Applied Mechanics. 2009. V.45. №10. P.1141-1151. https://doi.org/10.1007/s10778-010-0255-y
  16. Akbarov S.D. Recent investigations on dynamic problems for an elastic body with initial (residual) stresses.International Applied Mechanics. 2007. V.43. №12. P.1305-1324. https://doi.org/10.1007/s10778-008-0003-8
  17. Гулиев М.С., Сейфулаев А.И., Абдуллаева Д.Н. Исследование распространения упругих волн в составном цилиндре с начальным кручением. Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2018. №5. С.404-413. https://doi.org/10.22363/1815-5235-2018-14-5-404-413
  18. Белянкова Т.И., Калинчук В.В. Свойства преднапряженных изотропных материалов при учете упругих модулей высших порядков. Наука Юга России. 2017. №2. С.3-12. https://doi.org/10.23885/2500-0640-2017-13-2-3-12
  19. Nedin R.D., Dudarev V.V., Vatulyan A.O. Vibrations of inhomogeneous piezoelectric bodies in conditions of residual stress-strain state. Applied Mathematical Modelling. 2018. V.63. P.219-242. https://doi.org/10.1016/j.apm.2018.06.038
  20. Vatulyan A.O., Dudarev V.V., Mnukhin R.M. Determination of the inhomogeneous preliminary stress-strain state in a piezoelectric disk. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2018. V.59. №3. P.542-550. https://doi.org/10.1134/S0021894418030197
  21. Dasdemir A. Forced vibrations of pre-stressed sandwich plate-strip with elastic layers and piezoelectric core.International Applied Mechanics. 2018. V.54. №4. P.480-493. https://doi.org/10.1007/s10778-018-0901-3
  22. Guo X., Wei P. Dispersion relations of elastic waves in one-dimensional piezoelectric/piezomagnetic phononic crystal with initial stresses. Ultrasonics. 2016. V.66. P.72-85. https://doi.org/10.1016/j.ultras.2015.11.008
  23. Pan'kov A.A. Effect of initial stress state on effective properties of piezocomposite. Mechanics of Composite Materials. 2022. V.58. №5. P.733-746. https://doi.org/10.1007/s11029-022-10063-w
  24. Паньков А.А. Коэффициенты электромагнитной связи композита с пьезоактивными фазами. Физическая мезомеханика. 2011. Т.14. №2. С.93-99.
  25. Шеpмеpгоp Т.Д. Теоpия упpугости микpонеодноpодных сpед. Москва, Наука. 1976. 399 с.