Введение к работе
Актуальность работы. Одними из основных функциональных материалов датчиковой аппаратуры электроники и приборостроения являются пьезокерамические материалы, неослабевающий интерес к которым обусловлен их широкими функциональными возможностями, высокой надежностью и возможностью миниатюризации изделий на их основе. Однако природа керамических материалов накладывает ряд серьезных ограничений на производство и применение изделий на их основе, определяет профиль и размеры изделий.
Наряду с традиционными сегнетокерамическими материалами широкое распространение приобретают композиционные материалы на основе пьезокерамики с добавлением полимерного компонента. Особый интерес вызывают термопластичные полимеры, обладающие в своем большинстве высоким коэффициентом трещиностойкости, широкой областью упругих деформаций в сочетании с высокой технологичностью и надежностью и позволяющие расширить номенклатуру изделий и упростить технологию получения сложнопрофильиых пье-зоактивных изделий методом горячего прессования.
Механические и пьезоэлектрические свойства керамических материалов сильно зависят от структуры, пористости, фазового состава керамики, а в случае полимерно-керамического материала (ПКМ) -еще и от пространственного распределения керамики в полимере и взаимодействий на границе раздела фаз.
В этой связи эффективным является технология взрывного на-гружения, реализующая высокоэнергетические термомеханические воздействия, способствующие активации исходного материала и получению изделий высокой плотности и прочности.
Вместе с тем применение технологии взрывного нагружения в производстве изделий из керамических и полимерно-керамических материалов сдерживается рядом особенностей. В частности, малоизученными остаются вопросы влияния параметров взрывного прессования на структуру и свойства материала, на технологические особенности процесса спекания заготовок, полученных взрывным прессованием. Для выбора технологических параметров взрывного нагружения необходимо знать механизмы уплотнения порошковых материалов и учитывать их влияние на конечные свойства заготовок, однако существующие модели, описывающие динамику протекающих процессов, имеют ряд недоработук»^рй^^ЭДДв|Ренных во-
f СПім»»» ]
просов требует проведения комплексных исследований с целью выявления особенностей влияния режимов взрывного нагружения на структуру и физико-механические свойства материалов различной химической природы: металлов, керамик, термопластичных, термореактивных полимеров и композиционных материалов на их основе.
Настоящая работа проводилась в рамках гранта Министерства образования РФ «Разработка научных основ формирования структуры и свойств порошковых заготовок, полученных методом взрывного прессования и ударно-волновой активации» (гос. per. № 01.9.80004081) и госбюджетной темы целевого финансирования научно-исследовательской программы «Разработка технологии взрывного прессования композиционных керамико-металлических, полимерно-керамических и сегнетокерамических материалов различного функционального назначения» (гос. per. № 01.20.0008182).
Цель работы - получение керамических и полимерно-керамических пьезочувствительных материалов на основе цирконата-титаната свинца взрывным нагружением для изделий различного функционального назначения с повышенными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
- создать математическую модель взрывного прессования для оп
ределения взаимосвязи и влияния параметров процесса на конечные
эксплуатационные свойства изделий с учетом особенностей квази
статического и ударно-волнового механизмов уплотнения;
исследовать влияние параметров взрывного прессования на структуру и свойства получаемых материалов;
выявить особенности кинетики спекания керамических заготовок после взрывного прессования и ударно-волновой активации;
исследовать связь между параметрами взрывного нагружения, спеканием, фазовым составом и эксплуатационными свойствами изделий;
разработать устройства взрывного прессования и активации пьезокерамических и полимерно-керамических композиционных материалов в условиях промышленного производства;
использовать полученные результаты для внедрения технологии и материалов в производство.
т-'
Методы исследования. В качестве объекта исследования были выбраны пьезокерамический материал системы цирконат-титанат свинца марки ЦТС-19, обладающий наилучшими показателями электрофизических характеристик и применяемый для высокочувствительных пьезокерамических элементов, работающих как в условиях приема, так и излучения, и полимерно-керамические материалы на, основе полиэтилена низкого давления (ГОСТ 16338-85), с объемной долей пьезокерамики (ЦТС-19) - 50 и 70 % (ПКМ-50, ПКМ-70). В качестве взрывчатого вещества использовали аммонит марки 6ЖВ.
Методы исследований выбирали на основе стандартных методик, исходя из возможности получения наиболее полной информации об изменении структуры и свойств материала после взрывного нагружения, спекания и поляризации изделий. Для анализа структуры керамики применены рентгеноструктурный, рентгенографический, металлографический, электронно-микроскопический и дилатометрический и дериватографический анализы. В ходе исследования ПКМ проводили измерения плотности (ГОСТ 2409-80) и предела механической прочности при растяжении (ГОСТ 11262-80). Исследования микроструктуры проводили с помощью электронно-зондового микроанализатора "JCXF-733".
Обработку полученных данных и реализацию программной части работы проводили с использованием /ВМ-совместимых ПЭВМ.
Научная новизна.
-
Предложены математические модели ударно-волнового и квазистатического нагружения порошковых материалов, позволяющие расчетным путем определять основные технологические параметры процесса с целью получения порошковых заготовок с заданной плотностью, структурой и физико-механическими свойствами. Установлены области применения ударно-волнового и квазистатического режимов для получения качественных заготовок керамических и полимерно-керамических материалов.
-
Установлена взаимосвязь между параметрами ударно-волнового и квазистатического нагружения дефектностью кристаллического строения, плотностью и механическими свойствами порошковых заготовок из керамических и полимерно-керамических материалов на основе цирконата-титаната свинца.
-
Выявлено влияние режимов и параметров взрывного нагружения на состав атмосферообразующей засыпки, температуру и время
спекания, структуру и фазовый состав пьезокерамических материалов. Показана возможность управления фазовым составом за счет смещения границ морфотропной области, в сторону увеличения доли ромбоэдрической фазы (до 15 %). Установлены основные технологические параметры (давление горячего прессования, время и температура), влияющие на формирование структуры полимерно-керамических материалов.
4. Установлены зависимости между параметрами взрывного нагружения, режимами спекания, поляризации, структурой и физико-механическими свойствами керамических и полимерно-керамических материалов. Показано, что повышение механических, электрофизических и эксплуатационных свойств обусловлено низкой пористостью, фазовым составом, высокоплотной структурой и более прочной связью между частицами в керамическом материале и между матрицей и частицами в полимерно-керамическом материале.
Практическая ценность работы.
-
На основе предложенных математических моделей уплотнения по квазистатическому и ударно-волновому механизмам создана прикладная расчетная программа, позволяющая производить исследовательские расчеты параметров взрывного нагружения, для получения заготовок требуемых габаритных размеров и конечной плотности.
-
Разработаны рекомендации по выбору рациональных параметров взрывного нагружения и активации, режимов спекания и поляризации, позволяющие на основе керамики состава цирконат-титанат свинца (ЦТС-19) получать пьезоэлементы с повышенными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками.
-
Выявлены общие закономерности формирования структуры и физико-механических свойств полимерно-керамических материалов на основе пьезокерамики ЦТС-19 и полиэтилена низкого давления при взрывном и горячем статическом прессовании.
-
Предложено устройство" позволяющее производить активацию требуемого объема материала за счет применения контейнера сборно-разборной конструкции (патент РФ № 2193947 от 10.12.2002).
Реализация работы.
Результаты диссертации применяются на ФГУП «НИИЭМП» (г. Пенза) в рамках научно-исследовательской работы «Разработка и исследование новых перспективных изделий датчиковой аппаратуры на основе керамических и композиционных материалов». Пьезокера-
мические материалы, полученные по технологии взрывного прессования, использованы на ФГУП «НИИФИ» (г. Пенза) для улучшения эксплуатационных характеристик пьезоэлементов датчика ЛХ 611. Условный экономический эффект от внедрения составил 54,18 тыс. рублей (в ценах 2003 г.). Доля участия автора составила 40 %. Основные положения, выносимые на зашиту.
-
Математическая модель, описывающая динамику процесса уплотнения при квазистатическом и ударно-волновом механизмах уплотнения порошковых материалов при взрывном нагружении по плоской схеме и устанавливающая связь между технологическими характеристиками процесса и плотностью заготовок.
-
Результаты исследований влияния квазистатического и ударно-волнового режимов взрывного прессования и активации на несовершенства кристаллического строения, фрагментацию частиц, степень развитости их контактной зоны и кинетику спекания заготовок пье-зокерамического материала марки ЦТС-19.
-
Обоснование режимов взрывного и статического горячего прессования, позволяющих управлять величиной плотности, прочности и полимерно-керамических заготовок.
-
Результаты экспериментальных исследований влияния взрывного нагружения, режимов спекания и поляризации на механические, электрофизические и эксплуатационные характеристики пьезокера-мических и полимерно-керамических элементов на основе ЦТС-19.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии на рубеже веков» (г. Пенза, 2000 г.), III Всероссийской научно-практической конференции «Технические средства охраны, комплексы охранной сигнализации и системы управления доступом» (г. Заречный, Пензенская область, 2000 г.), конференции «Фундаментальные проблемы металлургии» (г. Екатеринбург, 2000 г.), международной конференции «Слоистые композиционные материалы-2001» (г. Волгоград, 2001 г.), Ш и IV Всероссийских научно-технических конференциях «Новые химические технологии: производство и применение» (г. Пенза, 2001, 2002 гг.), I и П Всероссийских научно-технических конференциях «Инновации в машиностроении» (г. Пенза, 2001, 2002 гг.), международной научно-технической конференции «Современные материалы и технологии-2002» (г. Пенза, 2002 г.), VIII международной научно-технической конференции «Проблемы машиностроения и технологии материалов
на рубеже веков» (г. Пенза, 2003 г.), на ежегодных научно-технических конференциях в Пензенском государственном университете.
Исследования в области технологии взрывного прессования и ударно-волновой обработки материалов отмечены золотой и серебряной медалями I и Ш международного салона инноваций и инвестиций (г. Москва, ВВЦ, 2001 г., 2003 г.), дипломом Всероссийского научно-практического форума «Россия Единая» (г. Н. Новгород, 2002 г.), дипломами региональных выставок.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 работ, в том числе патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 137 наименований и двух приложений. Общий объем составляет 201 страницу, из них 123 страницы машинописного текста, 11 таблиц, 48 рисунков, два приложения на 14 страницах.
