حمید اصفهانی

امروزه حسگرهای صوتی نقش بسیار مهمی در تشخیص آسیب در سازه‌ها (SHM) پیش از وقوع تخریب دارند. علاوه بر این حسگرهای صوتی در توسعه برداشت کننده‌های انرژی صوتی (AEH) از منابع هدر رفت صدا مانند نویزها در ترافیک، ورزشگاه‌ها، ایستگاه قطار و غیره نقش بسزایی دارند. با معرفی و توسعه مواد نانو ساختار بر پایه تیتانات زیرکونات سرب (PZT) این امر می‌تواند با بهره‌وری بیشتر انجام شود. در پژوهش حاضر در سه فاز؛ ۱- سنتز نانو ساختار‌های PZT خالص و آلائیده با Nb و Nd به روش الکترویسی و کلیسناسیون، ۲- رفتار آکوستیک داربست‌های منعطف پلی وینیلیدین فلوراید (PVDF) حاوی نانو ساختار‌ها و ۳- نقش مقدار نانو ساختار‌های PZT غیر استوکیومتری بر برداشت انرژی آکوستیک داربست-های منعطف PVDF، اهداف مذکور مورد بررسی قرار می‌گیرند. با آلایش Nb و Nd به‌طور انفرادی و هم‌زمان در ترکیب Pb(Zr0.52Ti0.48)O3 الیاف صاف و بدون عیب با متوسط قطر الیاف 82 ± 292 نانومتر پس از الکتروریسی سنتز شدند. الیاف پس از کلسیناسیون به نانو ویسکر تغییر شکل یافتند. آلایش هم‌زمان Nb و Nd نه‌تنها منجر به افزایش نسبت l/d ویسکر شد، بلکه بیشترین بی‌نظمی ساختاری و ترکیب نزدیک به مرز مورفوترومپیک (MPB) که دلیل مشاهده بیشترین رفتار دی‌الکتریک (21642)، حساسیت پیزوالکتریک (mV/N 69/7) و مغناطیس (Oe 492) است، حاصل شد. همچنین مطالعات نشان داد که Nb تمایل به تشکیل PZT غنی از Zr (ساختار رومبوئدرال) و Nd تمایل به تشکیل PZT غنی از Ti (ساختار تتراگونال) دارد. در فاز دوم، به کمک روش الکتروریسی، نانو ساختار‌های خالص و آلائیده شده PZT در درون یا به صورت خوشه متصل به الیاف در داربست PVDF سنتز شدند. نتایج نشان داد که آلایش هم‌زمان Nb و Nd منجر به بیشترین افزایش فاز β (8/79 درصد) در ساختار PVDF شد که حساسیت پیزوالکتریک (mV/N 071/1) از آن منتج شد. با بررسی رفتار آکوستیک داربست‌ها شامل ضریب جذب صوت (α) و ضریب کاهش نویز (NRC)، مشخص شد که نانو ساختار‌های PZT آلائیده شده به‌طور هم‌زمان با Nb و Nd بیشترین اثر بر جذب صدا را دارند. از این رو در فاز سوم پژوهش از نانو ساختار‌های PZT غیر استوکیومتری (آلائیده شده با Nb و Nd به‌طور هم‌زمان) به‌عنوان نانو ژنراتور (PENG) در رفتار AEH داربست‌های منعطف بر پایه PVDF استفاده شد. با تغییر مقدار PENG (برابر 5/2، 5 و 10 درصد وزنی) مورفولوژی الیاف تغییر یافت. در ترکیب شامل 5/2 درصد PENG توزیع همگن نانو ساختار‌ها درون الیاف مشاهده شد. همچنین بیشینه فاز β، حداکثر حساسیت پیزوالکتریک (V/N 95/1) و مغناطیس (Oe 750) و کمترین مقاومت سطحی (kΩ/sq 2/1) داربست در این مقدار مشاهده شد. بررسی نتایج فرایند برداشت انرژی آکوستیک نشان داد که بیشترین چگالی توان خروجی (W/g 0822/0) در فشار صوتی 90 دسی‌بل و فرکانس 2000 هرتز توسط داربست منعطف PVDF حاوی 5/2 درصد وزنی نانو ساختار‌های PZT غیر استوکیومتری (آلائیده شده با Nb و Nd به‌طور هم‌زمان) قابل استحصال است. با توجه به یافته‌های این پژوهش، می‌توان نانو ساختار‌های PZT غیر استوکیومتری را به‌عنوان یک عامل مؤثر در حسگر‌های صوتی و برداشت گر انرژی آکوستیک پیشنهاد کرد.