Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор 11
2. Физические основы проектирования многослойных пьезоэлектрических актюаторов 62
3. Разработка конструкций и технологий изготовления многослойных пьезоэлектрических актюаторов 104
3.1. Выбор пьезокерамического материала 104
3.2. Конструкция и технология изготовления дисковых пьезоэлементов для пьезоактюаторов типа I и II 109
3.3. Исследование параметров пьезоэлементов 112
3.4. Конструкция и технология изготовления многослойных пьезоэлементов для пьезоактюаторов типа III. Предельные параметры 113
3.5. Технология изготовления многослойного пьезоэлемента 120
3.6. Конструкции пьезоактюаторов 124
3.7. Герметизация пьезоактюаторов 128
3.8. Технология изготовления многослойного пьезоактюатора типа 1 131
3.9. Технология изготовления многослойных пьезоактюаторов типа II 133
3.10. Технология изготовления многослойных пьезоактюаторов типа III.. 136
4. Электрофизические и эксплуатационные параметры многослойных пьезоэлектрических актюаторов 139
4.1. Разработка методик измерений и испытаний многослойных пьезоэлектрических актюаторов 139
4.2. Исследование электрофизических и эксплутационных параметров многослойных пьезоэлектрических актюаторов 158
4.3. Твердотельные многослойные пьезоэлектрические генераторы — перспективные пьезоактюаторы 184
Заключение 191
Литература 194
Приложение
- Физические основы проектирования многослойных пьезоэлектрических актюаторов
- Конструкция и технология изготовления дисковых пьезоэлементов для пьезоактюаторов типа I и II
- Конструкция и технология изготовления многослойных пьезоэлементов для пьезоактюаторов типа III. Предельные параметры
- Исследование электрофизических и эксплутационных параметров многослойных пьезоэлектрических актюаторов
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее, время осуществляется широкое внедрение пьезоактюаторов в различные области науки и техники, диапазон применения которых варьируется от создания микромеханических устройств и систем адаптивной оптики до устройств снижения уровня шума и вибраций различных технических конструкций.
В России исследования в данной области проводятся с 1980 года.
Особенно интенсивно велись работы в период создания мощных лазеров, когда были разработаны и внедрены в производство ряд пьезоактюаторов для адаптивной оптики. Сегодня выдвигаются новые требования к пьезоактюаторам: снижение массогабаритных показателей, повышение быстродействия и надежности, ужесточение требований к механико климатическим воздействиям. Все это требует развития новых направлений в пьезоэлектрическом приборостроении, таких как разработка высокоэффективных пьезокерамических материалов, совершенствование конструкций пьезопреобразователей, создание принципиально новых технологий изготовления пьезоэлектрических актюаторов. Наиболее широко анализ различных типов пьезоактюаторов освещен в работе под редакцией А.Е. Панича «Пьезокерамические актюаторы», где дано определение пьезоактюатора как пьезомеханического устройства, предназначенного для приведения в действие механизмов, систем или управления ими на основе пьезоэлектрического эффекта.
Рядом зарубежных фирм: Morgan Е. С, Ceram Tec. AG, Piesomechanik GmbH, Physik Inst. GmbH, Pieso Kinetic TRS Cer., Noliac, APC Inter fctd, Pieso System, NEK TOKIN, Noliac и т.д., ведутся исследования и разработки, направленные на создание нового поколения пьезоактюаторов многослойной конструкции с применением последних достижений науки и техники, обеспечивающие их широкое применение. Наиболее востребованы многослойные пьезоактюаторы для изготовления быстродействующих клапанов и устройств впрыска топлива в современных двигателях, узлов точного позиционирования технологического оборудования и адаптивной оптики, систем автоюстировки, подстройки лазерных зеркал и оптиковолоконных линий связи, интеллектуальных устройств компенсации вибраций летательных аппаратов, станков, оборудования и транспортных средств, пьезоприводов зеркал, фар и регулировки сидений современных автомобилей.
Созданы и реализуются в различных устройствах науки и техники пьезоактюаторы общего назначения: в туннельной микроскопии, нано- и микросистемной технике и нанотехнологиях. Применение же пьезоактюаторов в специальной технике становится возможным только при детальном исследовании их параметров в жестких условиях эксплуатации с обязательной оптимизацией конструкций и разработкой технологий создания многослойных пьезоактюаторов.
Таким образом, представляется перспективной и актуальной задача создания многослойных пьезоэлектрических актюаторов двойного применения: как для спецтехники, так и для народного хозяйства.
Объектом исследования диссертационной работы является совершенствование конструкции и инновационные технологии создания многослойных пьезоэлектрических актюаторов.
Предмет исследования: решение научной задачи по совершенствованию конструкций и развитию инновационных технологий создания пьезоэлектрических актюаторов многослойных конструкций.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
1. Проведение анализа характеристик пьезокерамических материалов, используемых в России и за рубежом для изготовления многослойных пьезоэлектрических актюаторов и разработка требований к этим материалам, которые должны обладать высокой эффективностью и технологичностью в производстве; 2. Создание математической модели и выполнение математического моделирования для оценки параметров многослойных пьезоэлектрических актюаторов, работающих в статическом и динамическом режимах;
3. Разработка методов испытаний многослойных пьезоэлектрических актюаторов в статическом и динамическом режимах работы, обеспечивающих неразрушающий контроль качества пьезоактюаторов в процессе производства и эксплуатации;
4. Разработка принципов и методов оптимизации технологических процессов в опытном и мелкосерийном производстве многослойных пьезоэлектрических актюаторов для снижения материалоемкости и трудоемкости их изготовления, уменьшения массогабаритных характеристик в пять раз, повышения надежности и увеличения срока эксплуатации в два раза;
5. Проведение экспериментальных исследований по изучению электрофизических параметров многослойных пьезоэлектрических актюаторов с целью дальнейшего использования их для конструирования микромеханических и оптико-электронных систем;
6. Представление на основе результатов моделирования и испытаний перечня эксплутационных параметров и надежностных характеристик пьезоактюаторов, которые рекомендуются использовать разработчикам на стадии проектирования востребованных рынком наукоемких изделий.
Методы исследования. Для решения основных задач по теме диссертационной работы использовались основные положения физики твёрдого тела, теории упругости и методы математического моделирования физических процессов в твердотельных сегнетоэлектрических структурах; экспериментальные исследования базировались на положениях теории измерений, планирования эксперимента и статистической обработки полученных результатов.
Достоверность результатов подтверждается высокой степенью корреляции данных, теоретически рассчитанных методом конечных элементов, с экспериментальными данными, полученными при внедрении результатов диссертационной работы в производство.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
1. Разработаны математические модели и методы расчета многослойных пьезоэлектрических актюаторов, работающих в статическом и динамическом режимах, которые являются развитием ранее существовавших теорий создания актюаторов. Данные модели обеспечили анализ характеристик и оптимизацию конструктивных параметров пьезоактюаторов;
2. Обоснован и создан высокоэффективный пьезокерамический материал, который внедрен в инновационный технологический процесс изготовления многослойных пьезоэлектрических актюаторов, что позволило за счет снижения температуры спекания пьезокерамики на 250°С уменьшить трудоемкость их изготовления в два раза, материалоемкость и массогабаритные характеристики изделий в пять раз. Технические решения по способу получения пьезокерамического материала защищены патентом;
3. Разработаны и обоснованы в работе новые конструкции многослойных пьезоэлектрических актюаторов и технологии их изготовления, позволяющие автоматизировать технологические процессы производства, повысить надежность и срок эксплуатации изделий;
4. Обоснованы и разработаны методики определения характеристик и параметров многослойных пьезоэлектрических актюаторов в различных условиях и режимах эксплуатации: в температурном диапазоне от минус 60°С до +85°С и механическом воздействии: одиночный удар с ускорением до 150 м/с2.
Практическая значимость полученных в диссертации результатов заключается в том, что:
1. Предложенная в работе математическая модель и методы расчета позволяют определить параметры многослойного пьезоэлектрического актюатора, работающего на заданную нагрузку в статическом и динамическом режимах с погрешностью не более ±10—15%, что обеспечивает снижение трудоемкости в три раза, сокращению технологических потерь в два и более раза;
2. На основе разработанного пьезокерамического материала создана инновационная технология изготовления пьезоактюаторов с низкой температурой спекания, что дало возможность применить в качестве электродов сплав серебро-палладий при соответствующем снижении стоимости изделий практически в два раза по сравнению с традиционной высокотемпературной технологией на основе сплава платина-палладий;
3. Разработаны методики измерений параметров пьезоактюаторов в динамических условиях. Это позволило получить рациональные конструктивно-технологические решения для нового поколения многослойных пьезоэлектрических актюаторов, надёжно обеспечивающих определенный сегмент российского рынка.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены:
- в производство ОАО «НИИ «Элпа» при выполнении опытно-конструкторских работ: «Разработка пьезокерамических многослойных преобразователей специального назначения», «Разработка технологии проектирования пьезокерамических устройств для микромеханических изделий»;
- в производстве НКТБ «Пьезоприбор» при создании многослойных конструкций чувствительных элементов датчиков преобразующей аппаратуры ракетно-космической техники (РКТ) освоена технология изготовления преобразователей на базе низкотемпературного пьезоматериала ЦТС-46. При этом использованы математические модели и методы расчета параметров многослойных пьезоэлектрических актюаторов, что позволило повысить надежность и долговечность чувствительных элементов датчиков, работающих в экстремальных условиях эксплуатации.
Выпуск многослойных пьезоэлектрических актюаторов осуществляется в ОАО «НИИ «Элпа», технология изготовления преобразователей на базе низкотемпературного пьезоматериала ЦТС-46 применяется в НКТБ «Пьезоприбор» с 2007 года, что подтверждается актами о внедрении и использовании результатов диссертации.
Апробация работы. Результаты исследований, составляющие содержание диссертации, докладывались на:
1. Международной научно-практической конференции «Фундаментальное материаловедение, пьезоэлектрическое приборостроение и нанотехнологиии» (Пьезотехника-2005) 23-26 августа 2005 года, г. Москва.
2. Международной научно-технической конференции «Датчики и системы-2005» 6-10 апреля 2005 года, г. Пенза.
3. Всероссийской научно-практической конференции «Датчики и системы 2006» 30-31 мая 2006г., г.Москва.
4. VI Международной научно-технической конференции «Инновационные процессы пьезоэлектрического приборостроения и нанотехнологий» 22-26 сентября 2008 года, г.Анапа.
Публикации. По теме диссертации опубликовано одиннадцать печатных работ, из них две работа в издании, включенном в Перечень научных и научно-технических изданий ВАК. Получен один патент на изобретение.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель и результаты моделирования характеристик многослойных пьезоэлектрических актюаторов в статическом и динамическом режимах;
2. Результаты обоснования и разработки высокоэффективного пьезокерамического материала с низкой температурой спекания для инновационного технологического процесса изготовления многослойных пьезоэлектрических актюаторов;
3. Методики определения параметров многослойных пьезоэлектрических актюаторов в динамическом режиме работы с требуемой точностью;
4. Усовершенствованные и разработанные конструкции многослойных пьезоактюаторов и инновационные технологии их изготовления, обеспечивающие в производстве снижение трудоемкости в три раза, повышение качества продукции, надежности изделий и увеличение срока их эксплуатации в два раза.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 56 рисунков, 30 таблиц, списка литературы из 194 наименований и одного приложения. Полный объем диссертации составляет 216 страниц.
Физические основы проектирования многослойных пьезоэлектрических актюаторов
Основной задачей технологии является получение пьезоэлектрических изделий, обладающих оптимальными пьезоэлектрическими и физическими характеристиками. Эту задачу следует решать наиболее простыми средствами при минимальных затратах на оборудование, сырье, электроэнергию и рабочую силу при максимальном выходе годных изделий. Технология должна обеспечивать в определенных пределах однородность и повторяемость свойств и параметров полученной пьезоэлектрической продукции.
Экспериментальные исследования зависимостей характеристик пьезокерамических изделий от их параметров и технологии изготовления представляют собой сложную и трудоемкую задачу, являющуюся итерационным процессом с большими затратами времени и ресурсов. Решение этой задачи в некоторой степени возможно с использованием аналитических методов расчета. Однако аналитическое решение уравнений состояния достаточно сложно, а провести количественные оценки различных технологических дефектов пьезокерамических элементов практически невозможно.
При разработке пьезоэлектрических актюаторов в последние годы все более активно используются методы их математического моделирования и конечно-элементные технологии.
Анализ пьезоэлектрических характеристик актюаторов можно проводить с помощью «тяжелых» конечно-элементных (КЭ) пакетов ANSYS, ABAQUS, COSMOS/M, так и специализированных пакетов, ориентированных на различные классы задач теории упругости с усложненными физико-механическими свойствами (например, ICEPACK для задач термоупругости, ATILA, ACELAN для задач пьезоэлектричества и др.).
Программный комплекс ANSYS является признанным мировым лидером среди КЭ пакетов и удобен для исследования в научно-исследовательских и конструкторских работах в области пьезоэлектрического приборостроения.
В современной инженерной практике часто возникают ситуации, когда необходимо проведение расчетов задач теории упругости с усложненными свойствами, характеризующиеся связанностью полей различной природы. К классу таких задач относятся задачи термоупругости, электроупругости (пьезоэлектричества), акустоупругости, магнитоупругости и т.п. В этих теориях изучаются механические поля перемещений, деформаций и напряжений в твердых деформируемых структурах, возникающие как в результате действия чисто механических силовых факторов, так и вследствие изменения факторов иной природы (тепловых, электрических и др.), т.е. за счет изменения характеристик сопряженного (немеханического) поля.
Взаимодействие полей различной природы отражаются в фундаментальных законах, лежащих в основе теорий связанных физико-механических полей. Эта связанность многообразна и в различных ситуациях и в различных средах проявляется существенно различным образом. В результате следует рассматривать большое число отдельных важных для практики теорий механики деформируемого твердого тела с усложненными свойствами, в которых также могут рассматриваться еще и различные механизмы связанности полей. Например, в рамках термоупругости существует теория температурных напряжений, теория теплопроводности с конечной скоростью распространения тепла, теория терморазогрева при установившихся колебаниях и пр.
Расчеты задач со связанными физико-механическими полями являются достаточно сложными как в силу увеличения количества неизвестных полевых характеристик, так и из-за различных характерных масштабов изменения во времени основных и сопряженных полей. Наиболее эффективным численным методом, позволяющим с успехом проводить анализ задач теории упругости с усложненными свойствами, на сегодняшний день следует признать метод конечных элементов (МКЭ).
Естественно, что в силу сложности связанных задач и в методологии и в реализации КЭ расчетов сохраняется еще обширное поле для исследований. Представляет интерес и сравнение различных КЭ методов и их реализаций с позиций точности, быстродействия и эффективности. Специфические особенности физико-механических задач делают актуальными и создание методических материалов по поддержке КЭ пакетов и разработке для них специальных программных модулей и макросов, позволяющих автоматизировать некоторые важные этапы анализа связанных задач.
Динамические задачи электроупругости (пьезоэлектричества) для неканонических областей в общем случае не поддаются решению чисто аналитическими методами и требуют применения прямых численных методов. Кроме этого, часто даже для канонических областей возможные аналитические методы могут оказаться столь сложными и громоздкими, что применение прямых численных методов будет более оправданным. Основными семействами среди таких методов для решения краевых и начально-краевых задач для неоднородных составных областей являются: методы конечных разностей (МКР), к которым отнесем также и вариационно-разностный метод (ВРМ), метод конечных элементов (МКЭ) и, в меньшей степени, метод граничных элементов (МГЭ). Эти же методы являются основными и для решения динамических задач электроупругости.
В [112] подробно описан ВРМ для решения задач электроупругости в случае установившихся колебаний и приведены результаты ряда расчетов.
Применительно к нестандартным задачам разностные схемы разрабатывались также в [113-115]. В этих работах для плоских и асимметричных задач электроупругости на основе энергетических вариационных подходов были построены разностные схемы, дан их анализ с установлением порядка точности и продемонстрированы результаты некоторых расчетов.
Конструкция и технология изготовления дисковых пьезоэлементов для пьезоактюаторов типа I и II
Основными элементами конструкций пьезоактюаторов типа I и II являются дисковые пьезоэлементы. Дисковые пьезоэлементы изготавливались в соответствии с технологическим процессом изготовления серийной пьезопродукции. Основные сложности были связаны с жесткими допусками на размеры электродов сложной конструкции. Минимизация межэлектродных промежутков обусловлена небольшими размерами пьезоэлементов при максимальных размерах электродов. С другой стороны, предельные значения межэлектродных расстояний ограничены величиной напряжения, при котором возможен межэлектродный пробой.
Для пьезоактюатора типа I пьезоэлементы (рисунок 3.3) представляют собой кольцо с двумя выходами электродов на внешнюю цилиндрическую поверхность. Изолирующие шайбы конструктивно выполнены в виде кольца с электродами, с выводами на внешнюю образующую поверхность. Пьезокерамический материал НЦТС-1.
Для пьезоактюаторов типа II пьезоэлемент (рисунок 3.4) представляет собой кольцо 06Оммх02ОммхО,6мм с двумя выводами электродов на внешнюю цилиндрическую поверхность. Изолирующие шайбы изготовлены из тех же заготовок, что и пьезоэлементы 06Оммх02ОммхО,6мм с электродами с выводом на внешнюю образующую поверхность. Пьезокерамический материал ЦТС-19.
Специальная конструкция электродов (воженное серебро), переходящая с одной плоскости на другую по боковой поверхности, обеспечивает высокую технологичность, надежность и простоту последующей сборки в пакет и установки токоподводов к боковой поверхности электродов. Процесс изготовления пьезоэлементов включает изготовление пьезокерамического материала, изготовление пьезокерамических заготовок из него и изготовление пьезокерамических элементов и изолирующих шайб. Учитывая, что пьезокерамические шайбы являются изоляторами, требования к ним ниже и они не подвергаются поляризации. Пьезокерамические элементы и шайбы изготавливались по серийному технологическому процессу изготовления пьезокерамических дисков и шайб, освоенных в производстве, включающему проведение следующих технологических операций: 1 Прокалка заготовок; 2 Нанесение серебряной пасты на плоские поверхности заготовки методом шелкографии для получения основных электродов; 3 Сушка серебряной пасты; 4 Вжигание серебряной пасты; 5 Поляризация пьезоэлемента; 6 Измерения электрических параметров пьезоэлемента, разбраковка пьезоэлементов по емкости и относительному резонансному промежутку радиальной моды колебаний; 7 Притупление острой кромки в местах нанесения контактного электрода на внешнюю образующую поверхность; 8 Нанесение серебряной пасты контактных электродов кистью вручную; 9 Вжигание контактных электродов; 10 Зачистка выводов контактных электродов на поверхности основных электродов; 11 Повторное нанесение серебряной пасты на основные электроды методом шелкографии; 12 Сушка серебряной пасты. В результате проведенных операций получаем пьезокерамическую шайбу с основными и контактными электродами и слоем подсушенной серебряной пасты на основных электродах. В таком виде пьезоэлементы и изолирующие шайбы поступают на сборку пьезоактюаторов. При изготовлении пьезоэлементов в виде шайб для повышения надежности введены дополнительные операции: 1. Заготовку поляризуют и разбраковывают по электрическим параметрам, после чего они располяризовываются при вжигании контактных электродов. 2. В окончательном виде пьезоэлемент имеет дублированные серебряные электроды, причем нижний электрод вожен, а верхний только подсушен. Это делается с целью обеспечить легкую деформируемость верхнего электрода при контакте его и спекании с электродом другого пьезоэлемента или изолирующей шайбы. Проведение поляризации и разбраковки, хотя и повышает трудоемкость изготовления пьезоэлемента, но обеспечивает отбраковку заготовок пьезоэлементов с внутренними дефектами, которые могут привести к пробою при поляризации уже спеченного пьезоактюатора, либо к снижению его функциональных характеристик за счет низкого качества одного или нескольких пьезоэлементов в составе пьезоактюатора. Таким образом, увеличение трудоемкости изготовления пьезоэлемента обеспечивает снижение трудоемкости изготовления всего пьезоактюатора. Качество пьезоактюаторов, в основном, определяется качеством изготовления пьезокерамического элемента, оценка его качества проводится по следующей схеме: 1. На выборке заготовок пьезоэлементов в количестве 20 шт. измерить Со, tgd, R. 2. Провести поляризацию пьезоэлементов в стандартном режиме, после выдержки в нормальных условиях в течение суток провести полное измерение характеристик пьезоэлемента и расчитать параметры (Со, tgd, К). Провести тестовую поляризацию всей партии заготовок пьезоэлементов. Режим тестовой поляризации: - температура 20±5С; - напряжение 600±5 В; - время выдержки под напряжением 5-6 мин. 3. Провести измерение относительного резонансного промежутка толщиной моды колебаний на всей партии пьезоэлементов и оценку формы их амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) с помощью анализатора XL-49. Измерения проводить не ранее, чем через 4 часа после поляризации. Пьезоэлементы с АЧХ, не соответствующей стандартной - брак. Разбраковать пьезоэлементы по величине 8f. Пьезоэлементы с S/ более 0,1 считать годными. На пьезоэлементах с 3/ менее 0,1 повторить операции 2-3. Пьезоэлементы после второй поляризации с Sf менее 0,1- брак.
Конструкция и технология изготовления многослойных пьезоэлементов для пьезоактюаторов типа III. Предельные параметры
Создание пьезокерамического материала ЦТС-46 с низкой температурой спекания позволяет при изготовлении многослойных пьезоэлементов использовать в качестве материала электродов сплав серебро - палладий (30-70)%, что позволяет снизить себестоимость пьезоактюатора более чем в два раза.
Многослойный пьезокерамический элемент 6ммх6мм 2.8мм представляет собой монолитную конструкцию, состоящую из 50 активных слоев (толщина слоя 50 мкм) и по 4 слоя снизу и сверху изолирующих слоев (толщина слоя 50 мкм).
В отличие от дисковых конструкций пьезоэлементов надежность и качество многослойных пьезоэлементов определяется не только выбором пьезокерамического материала, но в значительной степени конструкцией внутренних электродов. В процессе изготовления многослойного пьезоэлемента могут возникнуть дефекты, которые являются причиной его выхода из строя. Одной из главных причин отказов как в процессе изготовления, так и в процессе работы пьезоактюатора является отслоение внутреннего электрода от керамики, так как отслоение является центром образования и распространения трещин под влиянием электрического поля и механических напряжений.
Кроме дефектов, возникающих на стадии изготовления, существенное значение на качество многослойного пьезоэлемента оказывают внутренние механические напряжения, которые возникают в объеме за счет неоднородности электрического поля, величина которого непосредственно зависит от конструкции внутреннего электрода. Механические напряжения возникают на границе поляризованного пьезокерамического материала и неактивной области неполяризованной пьезокерамики — межэлектродный зазор.
Различают четыре механизма разрушения пьезокерамики в электрическом поле: п о - электрический пробой, который осуществляется в течение 10 -10 с при слабой зависимости пробивного напряжения от температуры. Критерий электрической прочности материала - пробивное напряжение — зависит от свойств и структуры материала; - тепловой пробой 1-го рода, который возникает, когда количество тепла, выделяющегося в пьезоматериале, превышает количество тепла, которое может рассеиваться в данных условиях. Лавинообразный процесс разогрева приводит к утрате электроизолирующих свойств. Напряжение пробоя зависит не только от свойств материала и температуры окружающей среды, но и от конструкции и условий эксплуатации, в том числе от условий охлаждения. - тепловой пробой И-го рода, вызванный неравномерным разогревом в объеме материала, приводящим к появлению термоупругих напряжений и механическому разрушению. Пробивные напряжения зависят от свойств и структуры материала, конструкции и типа охлаждения; - электрохимический пробой — длительный процесс снижения электроизолирующих свойств материала. Этот процесс происходит при воздействии постоянного напряжения и во многом определяет надежность и срок службы пьезокерамического изделия. Тепловой пробой 1-го рода имеет место при работе пьезоизделия в частотном диапазоне. Определяющим механизмом является нарушение теплового баланса, когда рассеиваемая мощность в изделии превышает мощность, отдаваемую в среду. Для пьезоактюаторов активная мощность, выделенная в изделии (3.3): где: Ра - мощность, выделенная в объеме пьезоактюатора [Вт]; U - напряжение [В]; /—частота [Гц]; tgS — тангенс угла диэлектрических потерь [от. ед.]; С - статическая емкость пьезоактюатора [Ф]. Мощность, отдаваемая в окружающую среду Р0/„(3.4): где: А, - коэффициент теплопроводности пьезоматериала с единицы поверхности [Вт/м2/град]; - площадь поверхности пьезоактюатора [м2]; Т0 - температура пьезоактюатора [С]; Тид -температура окружающей среды [С]. Задаваясь предельно допустимой величиной перегрева АГ = Г0-ГО1фдля заданных снижений емкости - С и tg5 - тангенса угла диэлектрических потерь, можно найти оптимальные значения напряжения U и частоты/- при которых пьезоактюатор не будет прогреваться (3.5) При тепловом пробое II рода максимальная температура Тм будет в центре, а распределение по толщине имеет параболический характер [185-186]. Расширение более нагретых слоев приводит к тому, что они находятся в состоянии сжатия, а наружные, более холодные, в состоянии растяжения. Возникающее максимальное растягивающее усилие а, определяется выражением: где: а - коэффициент термического растяжения пьезоматериала; у - модуль Юнга пьезоматериала; [х - коэффициент Пуассона пьезоматериала; Г„ - максимальная температура внутри образца [С ]; Тпкр - температура окружающей среды [С]. При напряжении а„, превышающем предел прочности пьезоматериала, происходит его разрушение - растрескивание. При электрохимическом пробое наблюдается зависимость тока от времени. Эта зависимость определяет четыре этапа старения: — на I этапе наблюдается незначительное изменение тока в течение времени эксплуатации;
Исследование электрофизических и эксплутационных параметров многослойных пьезоэлектрических актюаторов
Резонансная частота нагруженного пьезоактюатора всегда ниже резонансной частоты свободного пьезоактюатора. Работа на резонансной частоте иногда используется для получения максимальных значений перемещений при малых уровнях сигнала. Резонансное поведение системы может быть оценено следующими простыми методами: 1. Пьезоактюатор возбуждается оператором синусоидальным напряжением с амплитудой 10В. Подаваемый входной сигнал контролируется на осциллографе. При настройке частоты на частоту резонанса будет иметь место искажение контролируемого сигнала. 2. Пьезоактюатор с подсоединенным к нему осциллографом работает в режиме датчика усилий. При небольшом ударе механической части будет наблюдаться звон системы на резонансной частоте. Основная резонансная частота может быть найдена из следующих выражений (4.6) и (4.7): Лезо =—J частота ненагруженного пьезоактюатора массой - т;(4.6) Лезн = Лез о частота нагруженного пьезоактюатора массой - mo (4.7) Результаты измерений статической емкости, резонансной и антирезонансной частот приведены в таблице 4.1. АЧХ пьезоактюаторов типа I приведены на графиках (рисунок 4.9). Результаты определения резонансной частоты пьезоактюаторов типа I, II, III показывают, что с погрешностью ±10 - 15% ее значение может быть определено с помощью аналитического выражения (4.8): где: N — частотная характеристика пьезоматериала [Гц-м] L - высота пьезоактюатора [м].
Динамические характеристики. Пьезоактюаторы типа I и III предназначены для аппаратуры, режим которой псевдоцикличный: то есть на них подается напряжение пачками с частотой 1-10Гц с интервалами от 0,5-1 час до 10 и более часов. Средняя частота до 1 Гц. Для пьезоактюаторов типа II основной режим работы: непрерывно — периодический, при котором он работает в частотном диапазоне от 1 Гц до 3000 Гц при подачи напряжения в течение 10 и более сек с интервалом от 1 мин и более. Исследования динамических характеристик пьезоактюаторов в частотном диапазоне свыше 200 Гц проводились в институте механики Российской Академии Наук, имеющего современную исследовательскую аппаратуру и стендовое оборудование. Результаты исследований приведены в таблице 4.2 и представлены на графиках (рисунки 4.10, 4.11). В частотном диапазоне от 50 до 100 Гц перемещения незначительно увеличиваются ( 10%), величина перемещения линейно растёт с увеличением напряжения. На рисунке 4.10 приведены частотные характеристики перемещения пьезоактюаторов и их относительного ускорения при напряжении 25 В в частотном диапазоне от 0 до 3200 Гц. Из рассмотрения частных характеристик можно сделать следующие выводы. 1. Ход зависимости перемещений и ускорений пьезоактюаторов у различных образцов в частотном диапазоне от 0 до 3200 Гц практически совпадают.
Неравномерность в частотной области до 3200 Гц не превышает ±2 дБ. 2. В диапазоне частот свыше 2400 Гц характеристики перемещений и ускорений имеют многорезонансный характер, обусловленный упругоинерционной структурой пьезоактюатора. 3. Линейность преобразования сохраняется практически во всем частотном диапазоне динамических испытаний. На рисунке 4.11 приведены частотные характеристики перемещения и ускорения пьезоактюаторов при напряжении 100 В в диапазоне от 0 до 200 Гц. Идентичность кривых на рисунке 4.10 при напряжении 25 В и рисунке 4.11 при напряжении 100 В и их адекватный сдвиг подтверждают высокую степень линейности пьезоактюаторов. В частотном диапазоне от 10 до 200 Гц при напряжении 100 В амплитуда перемещения изменяется незначительно от 0,268 мкм (при частоте 10 Гц) до 4,281 мкм (при частоте 150 Гц). Перемещение пьезоактюаторов. Перемещение (максимальный ход) - номинальное значение величины максимального хода измеряется, как правило, при номинальной температуре и при небольшой статической нагрузке (не более 10% от максимального значения). В первом приближении при действии статического напряжения величина перемещения определяется выражением (4.9): где: d33-пьезомодуль, [10" В/м]; п - количество слоев пьезоэлементов; U - напряжение, [В]. Средние статические значения параметров партии пьезоактюаторов (10-15 шт.) I, II, III типов приведены в таблице 4.3. Результаты исследований подтверждают, что в статическом режиме включения пьезоактюаторов их перемещение с погрешностью ±15% может быть рассчитано по формуле, приведенной выше. С целью получения высоких значений перемещений в данных пьезоактюаторах используют в качестве управляющего поля напряженности, значительно превышающие поля поляризации пьезокерамического материала, из которого изготовлен блок пьезоактюатора, поэтому при приложении к электродам напряжения противоположной полярности происходит переполяризация блоков пьезоактюатора. Типичная зависимость перемещения одного блока пьезоактюатора приведена на рисунке 4.12.