ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЛОИСТЫЙ АКТЮАТОР

Полезная модель относится к области электрических устройств с электрическим входом и механическим выходом, выполненных на основе полупроводниковых элементов наборной пьезоэлектрической многослойной конструкции, предназначенных для использования в качестве исполнительного элемента для управления элементами конструкции и/или изменения упруго-деформационных характеристик материалов интеллектуального типа. Такие элементы должны иметь высокую прочность, технологическую пластичность и структурно-химическую однородность, исключающую возможность возникновения коррозионных процессов и разогрева пьезоэлектрического аткюатора в процессе эксплуатации.
В качестве актюаторов могут быть использованы различные типы устройств, такие, как сервоприводы, гидроприводы и т.д., и материалы-сплавы с памятью формы, магнитострикционные сплавы, электрореологические и магнитные жидкости, пьезоэлектрики, бифункциональные сополимеры и др., позволяющие изменять их свойства в режиме реального времени с помощью электрических, электромагнитных и других сигналов и воздействий.
Наибольшее распространение в качестве электромеханических актюаторов получили элементы, работающие на основе пьезоэффекта (трансформации механической энергии в электрическую и обратно). Наличие прямого и обратного пьезоэффектов дает возможность использовать подобные элементы в качестве сенсоров и/или актюаторов для контроля и управления параметрами материалов или конструкций, выполненных из них.
Пьезоэлектрические материалы практически мгновенно реагируют на изменение геометрических размеров конструкции и их применение позволяет решить проблемы снижения вибраций, шума, улучшения эксплуатационных характеристик. Актюаторы, будучи внедренными в состав и структуру композиционного материала, способны изменять свойства этих композитов, их конструктивную жесткость или геометрию при определенных условиях, например, при воздействии электрического тока или поля.
Актюаторы изготавливают в виде различных форм - жесткие и гибкие монолитные пьезопластины, MFC актюаторы (Micro-Fiber Composite), в т.ч. многослойные композиционные (пакетного типа), пьезоэлектрические фрикционные демпферы и т.д.. При этом применение актюаторов может быть внешним, например, в виде накладок, присоединяемых к поверхности высоконагруженных участков конструкции с минимальной модификацией первоначальной конструкции, или внутренним, т.е. актюаторы могут быть введены в структуру материала, из которого изготовлена конструкция.
Известен многослойный актюатор, включающий в качестве активного элемента слои, состоящие из тонких пьезокерамических пленок с напыленными на них металлическими электродами, параллельно соединенными с помощью внешнего электрода и образующие единую электрическую цепь (заявка №WO 2007/104784).
Недостатком данного технического решения является использование пленочной пьезоекрамики с нанесенным металлическим электродом, что не дает актюатору развивать требуемые усилия для изменения свойств материалов, и сложность обеспечения надежного электрического контакта в пакете.
Известен слоистый пьезоэлектрический элемент с внешними контактами, образованными методом осаждения из газовой фазы, введенными в состав пьезоэлектрического слоя и выходящими за пределы актюатора на его боковую поверхность. На боковой поверхности производится соединение вышеназванных электропроводящих слоев по электропроводящей поверхности соединительного электрода, образованной электро-химическим методом. Внешний электрод, созданный также осаждением из газовой фазы, используется для образования надежного электрического контакта между несколькими пьезоэлекрическими элементами (заявка №WO 2009/071426).
К недостаткам приведенного технического решения следует отнести сложность и высокую трудоемкость процесса его изготовления, а также множество мест соединений, образованных механическим способом, что ухудшает свойства пьезоэлектрического элемента.
Известен пьезокерамический многослойный актюатор, состоящий из слоев пьезокерамики с нанесенными методом шелкографии внутренними электродами, на этапе изготовления пакетов которых допускается их механическая обработка. Последующее спекание многослойного актюатора при температуре 700°С и глазуровка приводят к образованию изоляционного слоя, который в местах подсоединения внешних электродов удаляется шлифованием (патент США №7309397).
К недостаткам известного технического решения следует отнести недостаточную величину перемещения рабочей поверхности актюатора, низкую деформативность, а также возможность растрескивания цельнокерамической конструкции в процессе ее изготовления (спекания).
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является пьезоэлектрический многослойный актюатор с встроенными металлическими электродами, соединенными с наружной стороны с соответствующими электродами следующего пьезоэлектрического слоя, и содержащий расположенный между пьезоэлектрическими слоями промежуточный слой с пьезомеханическими характеристиками, средними по значению соответствующих характеристик активной и неактивной зоны актюатора, выполненный путем введения в состав актюатора пьезочастиц с серебром, концентрация которых обуславливается их растворимостью в материале матрицы. Внутренние электроды выполнены из серебра (заявка США №2003/0001463).
Недостатками предложенной конструкции, взятой за прототип являются использование серебра в качестве материала электродов и модификатора промежуточного пьезокерамического слоя, который снижает его упругопластические свойства, ограничивая величину рабочего перемещения актюатора, а также высокая трудоемкость изготовления электродов, их соединения между собой и внешними электродами, трудоемкость создания промежуточного слоя.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является создание пьезоэлектрического слоистого актюатора, обладающего повышенными эксплуатационными характеристиками, в частности, повышенными упругопластическими свойствами и стойкостью к многократному изгибу в процессе эксплуатации, снижение трудоемкости изготовления его компонентов, обеспечение надежного электрического соединения внутренних электродов с внешними электродами, увеличение стойкости к воздействию агрессивных факторов окружающей среды.
Для решения поставленной технической задачи предложен пьезоэлектрический слоистый актюатор, включающий керамические слои с внутренними металлическими электродами, соединенными с наружной стороны с соответствующими электродами следующего слоя, и расположенный между ними промежуточный слой, отличающийся тем, что керамические слои выполнены из сегнетоэлектрической керамики, металлические электроды выполнены из тонкопленочного аморфного металлического материала, а промежуточный слой представляет собой полимерную электропроводящую композицию с наноструктурным металлическим наполнителем.
В качестве полимерной электропроводящей композиции используют эпокси-каучуковое или феноло-каучуковое связующее.
Металлические электроды представляют собой аморфные ленты, выполненные из сплава на основе никеля.
В качестве наноструктурного металлического наполнителя используют частицы нанокристаллического материала размером 10-25 мкм, изготовленного из того же сплава, что и введенные в состав пьезоэлектрического актюатора электроды.
Введенные металлические электроды являются одновременно армирующими элементами актюатора.
Внутренние электроды соединены между собой и с внешними электродами способом точечной сварки.
Благодаря введенным в состав многослойного пьезоэлектрического актюатора частицам, изготовленным из того же сплава, что и электроды, обеспечивается однородность слоев и исключается возможность протекания процессов электрохимической коррозии. Введение в состав актюатора аморфных металлических электродов дает возможность задания электрического заряда необходимой величины с возможностью его регулирования и обеспечивает меньший разогрев пьезоэлектрического аткюатора в процессе его эксплуатации в сравнении с напыленным металлическим слоем по прототипу. Аморфные металлические электроды по предлагаемому изобретению имеют целый ряд преимуществ по сравнению с прототипом: они выполнены из жаропрочного никелевого сплава и обладают высокой стойкостью к коррозионному воздействию агрессивных факторов окружающей среды, имеют высокую структурно-химическую однородность, прочность на уровне нитевидных кристаллов и свойственную им технологическую пластичность (стойкость к многократному изгибу). Кроме того, использование в качестве электродов тонкопленочного аморфного металлического материала позволяет снизить трудоемкость процесса формирования электрода в сравнении с длительным и малопроизводительным процессом нанесения металлического слоя посредством напыления в вакууме, а также обеспечить длительный ресурс эксплуатации актюатора благодаря высокой степени структурно-химической однородности быстро закаленного металла. Внутренние электроды, выходя на боковые поверхности, соединяются в соответствии с требуемой схемой соединения способом точечной сварки, что обеспечивает надежный электрический контакт и значительно упрощает процесс создания актюатора. Использование в промежуточном слое наполнителя в виде «чешуек» размером 10-25 мкм, выполненных из того же материала, что и электроды, препятствует процессам его сегрегации и агломерации в ходе термической обработки.
Пример осуществления
На поверхность металлических электродов, выполненных из тонкопленочного аморфного быстро закаленного сплава на основе никеля в виде ленты шириной 1,0-1,5 мм и толщиной 0,015 мм, выкладывали промежуточный слой толщиной 0,1-0,2 мм, состоящий из эпокси-каучукового связующего, в которое вводили наноструктурный наполнитель в виде «чешуек», выполненный из того же самого сплава, что и электроды, и прикатывали обогреваемым валиком. Наноструктурный наполнитель вводили в связующее механическим способом с последующим распределением его путем ультразвукового перемешивания в течение 5-7 мин. Далее поочередно совмещали слои сегнетоэлектрической керамики марки ЦТС-46 толщиной 0,2-0,4 мм и внутренних электродов с нанесенным промежуточным слоем, собирали заготовку актюатора и термообрабатывали при температуре 150°С при удельном давлении 0,3 МПа в течение 3-4 ч с последующим охлаждением. Внутренние электроды путем точечной сварки соединяли с внешними электродами с формированием электрической цепи.
Предлагаемая полезная модель позволяет получить пьезоэлектрический актюатор, обладающий следующими преимуществами: увеличенный рабочий ход, повышенная надежность в работе, сниженная трудоемкость его изготовления, уменьшение использования драгоценных металлов, что наряду с использованием ресурсо- и энергосберегающих технологий дает существенный экономический эффект.