Введение к работе
Актуальность ряботм. Развитие и создание новых технологий, совершенствование конструкций приборов и устройств во многом определяегся использованием перспективных материалов с нетрадиционными свойствами, к числу которых относятся и пьезокерамические материалы (ПКМ). Они обладают повышенной структурной чувствіпельиосшо, в связи с чем их физико-механические и эксплуатационные характеристіг-ті зависят от технологии изготовления. Снижение пористости, измельчение зерна, создание определенного стехнометрического и фазового составов позволяют значительно повысить качество изделий. Комплексное решение поставленной зпдаш в рамках существующие технологических процессов яалг.ется технически трудноосуществимым.
Перспективной в связи с этим является технология взрывного прессования (ВП), обеспечивающая создание высоких давлений в зоне уплотнения, что способствует получению изделий с высокой плотностью и прочностью. Исследования последних десятилетий ряда отечественных и зарубежных центров по ударно-волновой обработке порошковых материалов привели к существенным достижениям в этой обл'.ти. Вместе с тем, научные знания о связи параметров взрывного нагружения со структурой и свойствами ПКМ получены далеко не полностью и косят разрозненный, порой противоречивый хараетер. Отсутствуют схемы ВП для получения изделий сложного профиля. Слабо разработан математический аппарат, описывающий динамику процессов, происходящих' при взрывном компилировании, что вызыв?-?г трудности при исследовании, проектировании и оптимизации схем ударно-волновой обработки. Это Существенно сдержизеет применение данной технологии.
Работа была выполнена в рамках госбюджетной темы целевого финансирования "Разработка научных основ проектирования и создания перспективных пррблемно-ориентировакных датчиков механических величин" (Per. № 01.98.5000.1890), 2-х грантов (Per. № 01.9.8000-1081, 01.9.70.005663), хозяйственного договора темы № 96 - 009 "Разработка новых технологий производства керамических материалов и покрытий для повышения их физико-механических и эксплуатационных характеристик" (Per. № 01. 9. 70 003 725).
Цель работы - разработка и внедрение в производство научно-обоснованной технологии ударио-волновой обработки для получения изделий из высокотемпературного пьезокерамнческого материала состава ТВ-3 с повышенны* комплексом физико-механических и эксплуатационных свойств.
Для реализации поставленной цели необходимо было решить ряд теоретических и практических задач:
установить связь между физическими и технологическими параметрами ВП и их влияние на структуру и свойства получаемых заготовок;
создать математическую модель процесса ударно-волнового нагружения для определения оптимальных параметров обработки ПКМ по различным схемам прессования;
выявить особенности кинетики спекания порошковых заготовок, полученных по технологии ВП, ударно-волновой активации (УВА) и статического прессования (СП);
исследовать связь между параметрами взрывного нагружения, процессами спекания и поляризации со структурой и свойствами изделий;
разработать способ ВП для получения сложнопрофильных порошковых заготовок;
разработать и внедрить в производство технологию ВП и УВА для получения изделий из ПКМ с повышенными эксплуатационными характеристиками..
Научная новизна работы:
-
Создана математическая модель процесса взрывного прессования для плоской и ампульной схем нагружения, базирующаяся на его энергетических характеристиках и позволяющая определять значения скорости, импульса, энергии ударной и отраженной волн, величину плотности и характер ее распределения по сечению порошковых заготовок.
-
Установлена взаимосвязь между параметрами ударно-волновой обработки материалов, гранулометрическим составом, несовершенствами атомно-кристаллического строения, степенью развитости физического контакта между порошковыми частицами и свойствами получаемых заготовок. Установлено, что с увеличением доли уплотнения заготовок в ударной волне наблюдается преимущественный рост дефектов атомно-кристаллического строения и диспергирование структуры материала. При увеличении доли подпрессовки энергией отраженной волны расширяется площадь контактной зоны между частицами. Выявлена возможность управления процессом взрывного прессования с целью получения заготовок с заранее заданными свойствами.
-
Показано, что для ударно-волновой активации предпочтительным является нагружение материала ударной волной, в то время как для взрывного прессования - ударной волной с последующей подпрессовкой энергией отраженной волны. Разработаны критерии оптимизации процессов ударно-волновой обработки, позволяющие управлять структурой и свойствами порошковых заготовок лри последующем спекании.
-
Проведена количественная оценка кинетических констант и выполнено разделение факторов реологической наследственности порошкового материала
4 .
(несовершенства атомно-кристаллического строения, фрагментация частиц и степень развитости их контактной зоны), влияющих на кинетику спекания заготовок, изготовленных различными способами. Установлено, что процессу интенсификации спекания в большей степени способствуют дефектность атомно-кристаллического строения и наличие развитых контактов между частицами, образовавшихся на стадии уплотнения.
5. Установлена связь между параметрами ударно-волновой обработки, ре
жимами спекания и поляризации изделий с их структурой и свойствами. Показа
но, что повышение механических, электрофизических и эксплуатационных ха
рактеристик керамики ТВ-3, полученной по технологии взрывного нагружения,
обусловлено низкой пористостью, мелкозернистой структурой и развитой меж-
зеренной связью. 4
На зашиту выносятся:
-
Математическая модель, описывающая Динамику процесса уплотнения при ударно-волновой обработке порошковых материалов по плоской и ампуль-ной схемам нагружения и устанавливающая связь между энергетическими характеристиками процесса, плотностью и распределением ее по сечению заготовок.
-
Результаты экспериментальных исследований влияния энергии падающей и отраженной волн на физико-механические свойства прессуемых заготовок, размер порошковых частиц, состояние межчастичных контактов и дефектность атомно-кристаллического строения материала. Критерии оптимизации процесса ВП и УВА порошковых заготовок.
-
Положение об определяющем влиянии факторов реологической наследственности порошкового материала (несовершенства атомно-кристаллического строения, фрагментация частиц и степень развитости их контактной зоны) на кинетику спекания заготовок, полученных методами ВП, УВА и СП.
-
Результаты экспериментальных исследований влияния взрывного нагружения, режимов спекания, поляризации и стабилгаацни на механические, электрофизические и эксплуатационные характеристики пьезоэлементов.
-
Способ управления величиной плотности, характером пористости заготовок, зерновым составом, межзеренной связью и состоянием атомно-кристаллического строения материала.
6. Технология ВП и УВА для производства изделий из ГОСМ.
Практическая ценность работы:
. 1. На уровне изобретения разработан способ получения методом ВП и УВА заготовок сложной геометрической формы, а также схемы его реализации (решение о выдаче патента на изобретение: Способ взрывного прессования изделий из порошковых материатов. Заявка № 97120329/02 (020875) от 26.11.97 авторов: Атрощенко Э.С., Розена А.Е., Усатого С.Г. и др.).
-
Создан пакет прикладных программ, позволяющий производить исследовательские и конструкторские расчеты параметров взрывного нагружсния порошковых тел для обеспечения заданной величины плотности и равномерного се распределения по сечению заготовок, а также создания определенной структуры материала.
-
Разработаны рекомендации по выбору оптимальных параметров ВП и УВЛ, режимов спекания, поляризации и стабилизации ПКМ состава ТВ-3, позволяющие получать элементы с повышенными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками. Предложен режим спекания изделий сложной геометрической формы и развитой площадью поверхности, полученных методом ВП и УВА.
-
Разработан и внедрен в производство технологический процесс получения высокотемпературных пьезокерамических модулей методом ударно-волновой обработки и выпущена опытно-промышленная партия элементов с экономическим эффектом 46,4 тыс. рублей (в ценах 1-го полугодия 1998 г.). Доля участия автора составила 40 %.
Объекты и методы исследования. В качестве объекта исследования был выбран модифицированный титанат висмута марки ТВ-3, обладающий наилучшими показателями стабильности электрофизических характеристик |;ри температуре до 600 С.
Методы исследований выбирали, исходя из возможности получения наиболее полной информации об изменении структуры и свойств материала после взрывного нагружения, спекания и поляризации изделий. При выполнении исследований была осуществлена рентгеноимпульсная съемка процесса ВП для плоских и ампульной схем нагружсния, применены рентгеноструктурный, рентгенографический, ' ультразвуковой, металлографический, электронно-микроскопический, микроспектральный и дилатометрический анализы. В ходе работы проводили измерения механической и электрической прочности, трещи-ностойкости, диэлектрической проницаемости, пьезоэлектрических характеристик изделий. Обработку полученных данных и реализацию программной части работы проводили с использованием IBM-совместимых ПЭВМ.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на 7-ом международном семинаре "Полупроводники - сегнетоелектрики" (Ростов -на - Дону, 1996 г.), международных конференциях "Прогрессивные методы и технологии получения и обработки конструкционных материалов и покрытий" (Волгоград, 1997 г.), "Точность автоматизированных производств (ТАП-97)" (Пенза, 1997 г.), "Слоистые композиционные материалы - 98" (Волгоград, 1998 г.), 4-ом собрании металловедов России (Пенза, 1998 г.), Российской научно -техшпієской конференции "Новые материалы и технологии" (Мссквг, 1997 г.),
зональных научно - технических конференциях "Новые материалы н технологии в машиностроении и приборостроении", "Сварка и пайка в машиностроении и приборостроении. Новые материалы и технологии в машиностроении и приборостроении" (Пенза, 1996 - 1997 гг.), научной сессии МИФИ - 98 (Москва, 1998 г.), на Всероссийских молодежных научно-технических конференциях "Гагарннские чтения" (Москва, 1997 - 1998 гг.), на ежегодных научно-технических конференциях в Пензенском государственном университете.
Публикации. По теме диссертационной работы" опубликовано 9 работ и получено решение о выдаче патента Российской Федерации.
Обьеч работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выво
дов, списка литературы, включающего 126 наименований и приложений на 16
страницах. Основная часть работы содержит 147 страниц машинописного текста,
28 таблиц, 67 рисунков. В приложении приведены алгоритм расчета и структур
ная схема разработанного пакета прикладных программ, вид основных функцио
нальных окон, листинги расчетной части программ, акт внедрения результатов
работы. *
