Способ склеивания элементов пьезоэлектрического датчика ударного ускорения
METHOD OF GLUING ELEMENTS OF PIEZOELECTRIC SENSOR OF IMPACT ACCELERATION

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться при изготовлении пьезоэлектрического датчика ударного ускорения для соединения его элементов, в частности - в технологии создания клеевых электропроводящих композиций.
Клеевое токопроводящее соединение пьезоэлемента с инерционным элементом и основанием датчика определяет его основные технические характеристики.
Известен способ склеивания немагнитных материалов [SU №434774, МПК C09J 5/00, опубл. 25.12.1976 г.], включающий нанесение клея на поверхности, подлежащие склеиванию, открытую выдержку, соединение поверхностей и отверждение клея. В период открытой выдержки проводят обработку слоев клея постоянным магнитным полем с индукцией от 200 до 500 Э, что позволяет повысить прочность клеевого соединения на 20-50% при склеивании элементов пьезоэлектрического датчика ударного ускорения. При этом съем пьезозарядов будет осуществляться за счет контактирования микрошероховатостей поверхностей электродов пьезоэлемента и металлических деталей датчика.
Однако отсутствие токопроводящего наполнителя в клее приведет к снижению надежности измерения ударных ускорений в условиях повышенных температур и/или действия ускорения «на отрыв» пьезоэлемента. А из-за отсутствия нормирования толщины клеевого соединения (отсутствия калиброванных частиц) точность измерений будет снижена, особенно при наличии поперечной составляющей ударного ускорения.
-4
-9
Известен способ склеивания деталей [SU №1694615, МПК C09J 5/04, опубл. 30.11.1991 г.], включающий зачистку склеиваемых поверхностей, нанесение на них клеевой композиции, соединение склеиваемых поверхностей и воздействие на них магнитного поля с индукцией 0,02-0,1 Тл. Клеевая композиция основана на использовании ферромагнитного наполнителя с дисперсностью 10-10 м в количестве 20-35% от объема клеевой композиции. Использование этого способа при изготовлении датчика ударных ускорений позволит повысить прочность клеевого соединения на 18-25%, и соответственно, расширить диапазон измеряемых ускорений.
Однако большое количество ферромагнитного порошка - 20-35% от объема клея (около 50-70% по массе) приводит к ухудшению механических характеристик клеевого соединения, что означает большую жесткость, недостаточный уровень эластичности клеевой композиции, приводящий к увеличению вероятности «ухода нуля» при измерении ударных ускорений, из-за наличия высоких внутренних напряжений. Кроме того, уровень магнитной индукции недостаточен для надежного обеспечения съема пьезозарядов при использовании данного способа склеивания элементов пьезоэлектрического датчика ударного ускорения. Указанные недостатки приведут к снижению точности измерения интенсивных ударных ускорений особенно при наличии высокочастотных неизмеряемых воздействий.
Известен способ склеивания полимерной электропроводящей композицией [RU №2322469, МПК C09J 9/02, C09J 163/00, H01L 23/48, опубл. 20.04.2008 г.], включающий смешивание клеевого материала с органическим растворителем, после испарения которого соединяют склеиваемые поверхности, прижимают при термообработке до расплавления указанного материала при температуре от 20°C до 185°C и продолжительностью от 1 до 60 мин. Данный способ приводит к образованию линейных и сшитых полимерных систем. Образующаяся при этом объемная электропроводящая структура может служить для съема пьезозарядов в датчике ударных ускорений.
Однако толщина получаемого клеевого соединения при этом незначительна (может составлять от 5 до 30 мкм), а жесткость полимеризованной композиции высока, что приведет к снижению точности измерения интенсивных ударных ускорений за счет снижения демпфирования высокочастотных составляющих ускорения.
Известен способ склеивания элементов пьезоэлектрического датчика ударного ускорения, описанный в пьезоэлектрическом датчике ударного ускорения [RU №2495438, МПК G01P 15/09, опубл. 10.10.2013 г.] и наиболее близкий по технической сущности к заявляемому, поэтому взятый за прототип. Данный способ включает создание клеевого состава путем смешивания эпоксидного клея с каучуком не менее 60% массовых долей и графитом не более 10% массовых долей с дальнейшим вводом в полученный клеевой состав токопроводящих калиброванных частиц размером 20-80 мкм, нанесение клеевого состава на поверхности, подлежащие склеиванию, соединение поверхностей и вулканизацию при температуре от 100°C до 110°C. В качестве токопроводящих калиброванных частиц используют калиброванные ферромагнитные частицы размером 20-80 мкм. Данный способ позволяет обеспечить съем электрических зарядов с пьезоэлементов пьезоэлектрического датчика ударного ускорения.
Однако недостатками известного способа является то, что:
- электрическая связь в прототипе между инерционным элементом и электродом пьезоэлемента датчика ударного ускорения обеспечивается за счет использования калиброванных ферромагнитных частиц размером 20-80 мкм. Количество частиц, участвующих в образовании электрической связи, в клеевом слое пьезоэлектрического датчика ударного ускорения может оказаться небольшим (порядка трех), так как толщина слоя регламентируется размером данных частиц. В случае реализации «монослоя» - клеевого соединения толщиной, определяемой размером всего одного зерна наполнителя, при повышенной температуре (более 100°C) точность измерения ударных ускорений может снизиться за счет разрыва электропроводящих связей (из-за разницы температурных коэффициентов наполнителя и связующего) или действии ускорения «на отрыв» пьезоэлемента. Данная клеевая композиция не обеспечивает надежное соединение, устойчивое к повышенным температурным изменениям, и, как следствие, не обеспечивает высокую надежность;
- при наличии высокочастотных неизмеряемых воздействий (колебаний, наложенных на основной измеряемый импульс ударного ускорения) существует вероятность «ухода нуля» датчика из-за превышения допустимого воздействия на пьезокерамику;
- при действии интенсивных ударных ускорений прочность клеевого соединения может оказаться недостаточной, и возможен отрыв пьезоэлемента от опоры датчика, т.е. его разрушение;
- время жизнеспособности клеевой композиции небольшое, что позволяет изготавливать одновременно только 2-4 датчика. Из-за высокой скорости полимеризации и большой вязкости клеевой композиции равномерные клеевые слои для большего количества датчиков не удается сформировать, что снижает точность измерений ускорений при изготовлении большего количества датчиков и наличии поперечной составляющей ускорения.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности и надежности измерений ударных ускорений пьезоэлектрическим датчиком в условиях интенсивного ударного ускорения при повышенной температуре и/или высокочастотных неизмеряемых воздействиях.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение прочности склеивания элементов пьезоэлектрического датчика ударного ускорения при увеличении эластичности токопроводящего клеевого соединения, устойчивого и работоспособного в условиях интенсивного ударного ускорения при повышенной температуре и/или высокочастотных неизмеряемых воздействиях, а также расширение диапазона измеряемых ускорений и ускорений, после воздействия которых датчик сохраняет работоспособность, увеличение количества одновременно изготавливаемых датчиков за счет увеличения времени жизнеспособности клеевой композиции.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе соединения элементов пьезоэлектрического датчика ударного ускорения, включающем создание клеевого состава путем смешивания эпоксидного клея с каучуком не менее 60% массовых долей и графитом не более 10% массовых долей с дальнейшим вводом в полученный клеевой состав токопроводящих калиброванных частиц размером 20-80 мкм, нанесение клеевого состава на поверхности, подлежащие склеиванию, соединение поверхностей, и вулканизацию при температуре от 100°C до 110°C, согласно изобретению при создании клеевого состава в него вводят растворитель в соотношении от 1:10 до 1:3 от объема клеевого состава, в качестве токопроводящих частиц используют ферромагнитные частицы размером не более 10 мкм в количестве 2-10% массовых долей, а в качестве калиброванных частиц используют стеклянные или полимерные микросферы, причем вулканизацию проводят под давлением 0,05-0,20 МПа в течение 21-24 ч в постоянном магнитном поле с индукцией не менее 0,2 Тл, силовые линии которого перпендикулярны склеиваемым поверхностям.
При отсутствии магнитного поля проводящие частицы в электропроводящем полимере расположены беспорядочно, многие из них не принимают участия в образовании электропроводящей структуры. Электрическая проводимость материала идентична во всех направлениях. Под действием постоянного магнитного поля в еще не полимеризированной клеевой композиции происходит движение токопроводящих частиц с образованием цепочек вдоль магнитных силовых линий, которые перпендикулярны склеиваемым поверхностям. Максимальная проводимость - в направлении ориентации токопроводящих частиц. Процесс образования цепочек называется «магнитной коагуляцией» (образование цепочных структур, образование агломераций). Клеевое соединение элементов пьезоэлектрического датчика ударного ускорения определяет его основные технические характеристики. Для пьезоэлектрических датчиков ударного ускорения необходимо создать тонкий эластичный слой из электропроводящего клея со стабильными электрическими характеристиками в широком диапазоне температур и ударных ускорений.
Совокупность признаков - вязкость клеевого состава (за счет введения в клеевой состав растворителя в соотношении от 1:10 до 1:3 от объема клеевого состава), концентрация ферромагнитных частиц (в качестве токопроводящих частиц используют ферромагнитные частицы размером не более 10 мкм в количестве 2-10% массовых долей), значение индукции (не менее 0,2 Тл) и время нахождения в постоянном магнитном поле (в течение 21-24 ч) обеспечивает то, что цепочки токопроводящих частиц полностью перекрывают толщину клеевого слоя между элементами пьезоэлектрического датчика ударного ускорения с образованием гибкой токопроводящей связи. А при повышенной температуре и/или высокочастотных неизмеряемых воздействиях и действии ускорения «на отрыв» пьезоэлемента электропроводность клеевого соединения обеспечивается через контакт цепочек из зерен токопроводящего ферромагнитного наполнителя с инерционным элементом и электродом пьезоэлемента датчика ударного ускорения благодаря «растяжению» цепочек, обеспечивая тем самым надежный съем пьезозарядов при работе датчика в условиях интенсивного ударного ускорения, повышая надежность и точность измерения. Проведение вулканизации под давлением 0,05-0,20 МПа и действием постоянного магнитного поля не менее 0,2 Тл повышает прочность клеевого соединения, увеличивает диапазон измеряемых ускорений и ускорений, после воздействия которых датчик сохраняет работоспособность. При проведении вулканизации при температуре от 100°C до 110°C растворитель испаряется, оставляя поры в клеевом соединении, что повышает его эластичность и демпфирование высокочастотных неизмеряемых воздействий, тем самым снижается вероятность «ухода нуля» датчика.
Использование в качестве калиброванных частиц стеклянных или полимерных микросфер размером 20-80 мкм, т.е выполненных из неферромагнитного материала, дает возможность с одной стороны регламентировать толщину клеевого слоя, а с другой - не позволяет ферромагнитным частицам размером не более 10 мкм образовать агломерации («комки») вокруг крупных частиц 20-80 мкм. Это приводит к образованию существенно большего количества цепочных структур и позволяет обеспечить надежный съем пьезозаряда в условиях повышенных температур и действии ускорения «на отрыв». Кроме этого введение в клеевой состав растворителя приводит к увеличению времени жизнеспособности клеевой композиции, позволяя одновременно изготавливать от 6 до 10 датчиков, повысив тем самым точность измерений при наличии поперечной составляющей ускорения.
Наличие в заявляемом способе признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».
Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения, на этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
Способ осуществляется следующим образом.
Вначале создают клеевой состав путем смешивания эпоксидной диановой смолы ЭД-20 [ГОСТ 10587-84] с каучуком ПДИ-3АК, графитом ГС-2 и токопроводящими частицами размером не более 10 мкм в виде никелевого порошка ПНК-1Л7 [ГОСТ-9722-79]. Для этого никелевый порошок ПНК-1Л7 насыпают в емкость, заливают спирто-нефрасовой смесью [спирт этиловый ГОСТ 18300-72, нефрас ТУ 38-401-67-108-92] в соотношении спирта и нефраса 1:1 так, чтобы смесь спирта и нефраса покрывала порошок никелевый ПНК-1Л7 не менее чем на один сантиметр. Полученный состав перемешивают, сливают избыток спирто-нефрасовой смеси, затем сушат вначале на открытом воздухе на противнях толщиной не более 1 см в течение 1 часа, и далее - в сушильном шкафу при (100±10)°C - 3-5 часов. Охлаждение до температуры (25±10)°C производят вместе с сушильным шкафом. В полученную смесь вводят растворитель (ацетон) в соотношении 1:5 от объема всей клеевой композиции, добавляют калиброванные частицы, в качестве которых используют микросферы стеклянные размером 20-80 мкм, регламентирующие толщину клеевого соединения. Далее наносят клеевой состав на поверхности, подлежащие склеиванию, и соединяют поверхности. Затем проводят вулканизацию клеевого соединения при температуре от 100°C до 110°C под давлением 0,05-0,20 МПа в течение 21-24 ч в постоянном магнитном поле с индукцией не менее 0,2 Тл, силовые линии которого перпендикулярны склеиваемым поверхностям.
Проведенные на предприятии исследования показали, что увеличение концентрации ферромагнитных частиц в объеме клеевого состава, в сравнении с предлагаемым по формуле изобретения соотношением, приведет к большей жесткости, недостаточному уровню эластичности клеевой композиции, приводящему к увеличению вероятности «ухода нуля» при измерении ударных ускорений, из-за наличия высоких внутренних напряжений. А уменьшение количества ферромагнитных частиц приведет к уменьшению количества образующихся токопроводящих цепочек, недостаточного для осуществления надежного съема пьезозаряда. Кроме этого уменьшение концентрации введения растворителя в клеевой состав, в сравнении с предлагаемым по формуле изобретения соотношением, приведет к увеличению вязкости клеевой композиции, из-за чего, при изготовлении того же количества датчиков в них будут сформированы недостаточно равномерные клеевые слои, что снизит точность измерений при наличии поперечной составляющей ускорения, а увеличение - к снижению прочности клеевого слоя и уменьшению диапазона измеряемых ускорений. Проведение вулканизации под давлением 0,05-0,20 МПа и действием постоянного магнитного поля не менее 0,2 Тл повышает прочность клеевого соединения, увеличивает диапазон измеряемых ускорений и ускорений, после воздействия которых датчик сохраняет работоспособность.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в измерительной технике и может использоваться при изготовлении пьезоэлектрического датчика ударного ускорения для склеивания его элементов, в частности - в технологии создания клеевых электропроводящих композиций;
- повышение точности и надежности измерений ударных ускорений пьезоэлектрическим датчиком в условиях интенсивного ударного ускорения при повышенной температуре и/или высокочастотных неизмеряемых воздействиях;
- для заявляемого способа в том виде, в котором он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».