Способ поляризации пьезокерамических элементов и устройство для его осуществления
METHOD OF PIEZOELECTRIC CERAMIC ELEMENTS POLARISATION AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к производству пьезокерамических элементов (ПКЭ) и предназначено для поляризации в воздушной среде крупногабаритных изделий из сегнетожестких материалов с температурой Кюри до 350°C в условиях серийного производства.
пр
C
C
C
C
C
Для проведения поляризации ПКЭ помещают в газообразную или жидкую среду (трансформаторное масло, силиконовую жидкость, сухой воздух), уменьшающую вероятность поверхностного электрического пробоя. Процесс поляризации производится одновременным воздействием на ПКЭ напряжения и температуры. Критерием выбора напряжения является допустимая (не приводящая к электрическому пробою) напряженность электрического пробоя (Е), характерная для типа среды, окружающей ПКЭ. Температура нагрева соизмеряется с температурой перехода материала в параэлектрическую фазу, иначе называемую температурой Кюри (Т) конкретного пьезоэлектрического материала, и классифицируется как ниже Т или выше Т. Удовлетворительные результаты можно получить, используя незначительный нагрев (0,5-0,7 T) при высокой напряженности поля (2-3 кВ/мм) или сильный нагрев (1-1,2 Т) при низкой напряженности поля (0,7-1 кВ/мм). Без учета требований к производительности оптимальным является первый вариант, но его удается реализовать только при размещении ПКЭ в среде жидкого диэлектрика. Этот способ поляризации применим для любых габаритов и химических составов ПКЭ. Однако объем жидкого диэлектрика в поляризационной ванне часто оказывается больше, чем объем помещенных в нее ПКЭ. Процесс нагрева/охлаждения из-за этого замедляется, что снижает производительность процесса. Использование жидкого диэлектрика имеет и другие недостатки: дополнительные расходы на покупку и утилизацию жидкого диэлектрика и моющих средств, ухудшение адгезии электродов к пьезокерамике, проблемы при склейке ПКЭ в блоки. Устранение перечисленных недостатков возможно при поляризации без использования жидкого диэлектрика.
В настоящее время для поляризации крупногабаритных ПКЭ используют установки для поляризации в жидком диэлектрике типа (PI Ceramic GmbH, DE http://www.eurotek-general.com, рис. 6) [1]. Один электрод ПКЭ подключен к минусовой шине через прижимное контактное устройство, а другой электрод прижат к металлической подложке, подключенной к плюсовой шине источника высокого напряжения, и представляет собой разъемный контакт. Однородная поверхность металлической подложки при контакте с границей электрода ПКЭ создает концентрацию электрического поля на межэлектродном промежутке последнего, что может стать причиной скользящего по поверхности ПКЭ электрического пробоя.
C
Известен способ поляризации пьезокерамических материалов (SU 788230, МПК H01L 41/22, опубликовано 15.12.1980) [2], предназначенный для поляризации крупногабаритных заготовок из пьезоэлектрических материалов с Тc выше 450°C, а также из материалов с высокой проводимостью. Способ обеспечивает максимум выделяемой мощности на пьезозаготовке в диапазоне (0,7-0,95) Т.
Недостатком известного способа является низкая производительность, обусловленная необходимостью длительного нагрева и охлаждения крупногабаритных заготовок для исключения их растрескивания.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ поляризации сегнетоэлектрического материала (SU 268232, МПК С04В 33/00, опубликовано 02.04.1970) [3], принимаемый за прототип, в котором с целью повышения стабильности параметров сегнетоэлектрического материала и увеличения его пьезоактивности, сегнетоэлектрический материал нагревают в диэлектрической среде до температуры, не превышающей температуру перехода материала в параэлектрическую фазу, создают в материале поляризующее постоянное электрическое поле, напряженность которого ниже напряженности электрического пробоя материала, и изменяют напряженность поляризующего поля, поддерживая ее абсолютную величину ниже величины напряженности, при которой происходит развитие теплового пробоя материала.
Однако, так как в известном способе необходимо контролировать величину напряженности электрического пробоя материала, которая индивидуальна для каждого конкретного изделия, способ предназначен для поляризации единичного ПКЭ и не пригоден для использования в серийном производстве. Высокая температура нагрева ПКЭ приводит к увеличению энергопотребления.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству для осуществления заявляемого способа является устройство для поляризации пьезокерамических элементов (SU 1050095 А, МПК Н03Н 3/02, опубликовано 23.10.1983) [4], принимаемое за прототип.
Устройство-прототип включает поляризационную камеру, нагреватель, систему охлаждения, магазин токоограничивающих резисторов, кассету, в которой закрепляются поляризуемые ПКЭ, источник высокого напряжения, блок автоматического управления, датчик температуры.
С целью повышения производительности труда поляризационная камера снабжена n контактами для подключения пьезокерамических элементов, каждый из которых соединен с источником высокого напряжения через свой токоограничивающий резистор. Как следует из описания, в кассету закрепляют ПКЭ и устанавливают ее в камеру так, что поляризационные контакты кассеты, под каждый из которых установлен ПКЭ через проходные высоковольтные контакты, электрически изолированные от корпуса камеры, автоматически подключаются к токоограничивающим резисторам и через них к источнику высокого напряжения. Контакты установлены на общем изоляторе.
Однако одновременное подключение всех ПКЭ к источнику высокого напряжения увеличивает электрическую нагрузку, что приводит к необходимости увеличения выходной мощности источника высокого напряжения. Поскольку токоограничивающие резисторы имеют разброс параметров, создаются неодинаковые условия поляризации для каждого ПКЭ, что приводит к разбросу электрофизических параметров ПКЭ. Кроме этого при увеличении количества ПКЭ растет число токоограничивающих резисторов, при этом увеличивается вероятность их выхода из строя под воздействием высокого напряжения, что приводит к уменьшению количества годных изделий. До проведения регламентных работ по обслуживанию установки оператор не может контролировать выход из строя токоограничивающих резисторов, что приводит к дальнейшему увеличению брака.
Техническим результатом заявляемого изобретения является уменьшение разброса электрофизических параметров ПКЭ за счет создания одинаковых условий поляризации для всех ПКЭ и снижение температуры нагрева за счет повышения напряженности электрического пробоя ПКЭ в воздушной среде.
Указанный технический результат достигается тем, что способ поляризации пьезокерамических элементов (ПКЭ) заключается в нагревании в диэлектрической среде в поляризационной камере до температуры, не превышающей температуру перехода материала в параэлектрическую фазу, с последующим охлаждением, подают на ПКЭ поляризующее электрическое поле, напряженность которого ниже напряженности электрического пробоя, и изменяют напряженность поляризующего поля.
пр
пр
Согласно изобретению каждый ПКЭ в процессе нагрева и охлаждения последовательно подключают/отключают к источнику высокого напряжения в течение одного цикла поляризации через один и тот же токоограничивающий резистор, при нагреве величину поляризующего напряжения устанавливают равной половине напряжения 0,9⋅U, после достижения заданной температуры нагрева ПКЭ выдерживают при этой температуре до выравнивания градиента температуры ПКЭ и воздушной среды, а при охлаждении поляризацию проводят под действием напряжения, равного 0,9⋅U, определяемого по формуле:
где h - высота пьезокерамического элемента в мм,
пр
E - напряженность электрического пробоя, кВ/мм.
Способ поляризации пьезокерамических элементов осуществляется устройством, которое содержит поляризационную камеру, в которой расположены нагреватель, система охлаждения и датчик температуры, соединенные с блоком управления нагревом и охлаждением, кассету для установки ПКЭ, один электрод каждого из которых подключен к поляризационному контакту кассеты и через проходной высоковольтный контакт электрически изолирован от корпуса поляризационной камеры, токоограничивающий резистор, подключенный к одному выводу источника высокого напряжения, а второй электрод каждого ПКЭ подключен к общей шине, которая соединена с другим его выводом.
Согласно изобретению устройство содержит установленные по окружности на основании поляризационной камеры n кассет с закрепленными в них ПКЭ, узел распределения напряжения поляризации между ПКЭ, содержащий проходной высоковольтный контакт, выполненный в виде вертикального штока, к которому снизу подключен скользящий контакт, соединенный через один и тот же токоограничивающий резистор с одним из выводов источника высокого напряжения, а сверху он имеет коммутирующий контакт, выполненный в виде гибкой металлической пластины, для последовательного подключения к нему каждой из n кассет при его вращении по окружности от вала электродвигателя через изолирующую муфту, которая посажена на вертикальный шток, один электрод каждого ПКЭ имеет точечный контакт с поляризационным контактом каждой кассеты, другой электрод ПКЭ имеет контакт с соединенной с общей шиной проводящей подложкой, которая выполнена с возможностью уменьшения концентрации напряженности электрического поля в межэлектродном промежутке ПКЭ.
В частных случаях выполнения:
- поляризационный контакт выполнен в виде стальной пластины, снабженной заклепкой с полукруглой головкой для точечного контакта с одним электродом ПКЭ;
- коммутирующий контакт выполнен из бериллиевой бронзы;
- проводящая подложка выполнена в форме концентрически расположенных полированных стальных проводников круглого сечения, в нижней плоскости которых приварены два стальных проводника V-образной формы;
- каждый ПКЭ установлен на проводящей подложке таким образом, что его ребро расположено между концентрическими проводниками.
Повторение последовательного подключения/отключения всех ПКЭ к источнику высокого напряжения в течение одного цикла поляризации через один и тот же токоограничивающий резистор обеспечивает одинаковые условия поляризации ПКЭ, что приводит к уменьшению разброса электрофизических параметров ПКЭ.
Повышение напряженности электрического пробоя ПКЭ в воздушной среде достигается за счет многократного касания коммутирующего контакта с поляризационным контактом каждой кассеты с ПКЭ в течение времени, меньшего времени развития электрического пробоя ПКЭ. Кроме того, размещение ребра каждого ПКЭ на проводящей подложке между концентрическими проводниками уменьшает вероятность скользящего по поверхности ПКЭ электрического пробоя в межэлектродном промежутке ПКЭ, что также приводит к повышению напряженности электрического пробоя. Суммарное повышение напряженности электрического пробоя приводит к снижению температуры нагрева ПКЭ, что снижает расход электроэнергии и время процесса поляризации.
пр
пр
Авторами настоящего изобретения установлено, что поляризованный ПКЭ имеет повышенную напряженность электрического пробоя по сравнению с неполяризованным. В связи с этим для увеличения напряженности электрического пробоя величину поляризующего напряжения при нагреве устанавливают равной половине напряжения 0,9⋅U, после достижения заданной температуры нагрева ПКЭ выдерживают при этой температуре до выравнивания градиента температуры и воздушной среды и окончание поляризации проводят под действием величины напряжения, равного 0,9⋅U.
Изобретение поясняется фигурами чертежей
Фиг. 1 - функциональная схема устройства для поляризации пьезокерамических элементов, вид сверху.
Фиг. 2 - проводящая подложка, вид сверху.
Фиг. 3 - графики, характеризующие процесс поляризации пьезокерамических элементов заявляемым способом, полученные для ПКЭ диаметром 66 мм, высотой 10 мм из сегнетожесткого материала ЦТБС-3, где:
а - временная зависимость температуры нагрева и охлаждения;
б - график изменения напряжения на источнике напряжения поляризации;
в - график распределения напряжения поляризации на коммутирующем контакте, с выделенным увеличенным изображением формы импульса;
г - кривая зависимости проводимости;
д - график изменения напряжения на ПКЭ.
Устройство для осуществления способа поляризации ПКЭ (фиг. 1) содержит поляризационную камеру 1, в которой установлены нагреватель 2, вентилятор охлаждения 3 и датчик температуры 4, соединенные с блоком управления нагревом и охлаждением 5, кассеты 6-15 с установленными в них ПКЭ (на чертеже ПКЭ цифрами не обозначены). Один из выводов источника высокого напряжения 16 подключен к общему проводу, а второй вывод через токоограничивающий резистор 17 соединен со скользящим контактом 18 узла распределения напряжения поляризации между ПКЭ, который содержит коммутирующий контакт 19, проходной высоковольтный контакт 20, электрически изолированный от корпуса поляризационной камеры 1, выполненный в виде вертикального штока, который одним концом вставлен в изолирующую муфту 21, установленную на вал электродвигателя 22. Один электрод ПКЭ имеет электрический контакт с проводящими подложками 23-32, каждая из которых соединена с общим проводом, другой электрод каждого ПКЭ соединен с поляризационными контактами 33-42 кассет 6-15, которые выполнены в виде стальных пластин, один конец которых снабжен заклепками с полукруглыми головками для точечного контакта с электродами ПКЭ, а другой конец стальной пластины обеспечивает касание коммутирующего контакта 19, выполненного в форме ленты из бериллиевой бронзы, которая имеет низкое удельное сопротивление и используется для изготовления плоских пружин. Каждая проводящая подложка (фиг. 2) выполнена в форме концентрически расположенных полированных стальных проводников круглого сечения 43, в нижней плоскости которых приварены два стальных проводника 44, 45 V-образной формы.
С
пр
ПКЭ устанавливают в кассеты 6-15 по окружности на основании поляризационной камеры 1. Напряжение сети подают на блок управления нагревом и охлаждением 5 и на источник высокого напряжения 16 и устанавливают температуру нагрева ПКЭ (0,5-0,7)⋅Т. При включении блока управления нагревом и охлаждением 5 нагреватель 2 производит разогрев всех ПКЭ до заданной температуры, контролируемой датчиком температуры 4. На источнике высокого напряжения 16 для предварительной поляризации ПКЭ устанавливают половину напряжения 0,9⋅U, В, определяемого формулой:
где h - высота ПКЭ, мм;
пр
Е - напряженность электрического пробоя, кВ/мм.
пр
пр
33
Одновременно включают от сети 220 В электродвигатель 22, вал которого через изолирующую муфту 21 приводит во вращение вокруг своей оси проходной высоковольтный контакт 20, каждый пьезокерамический элемент подключают/отключают к источнику напряжения поляризации с частотой 30 подключений/отключений в минуту. Коммутирующий контакт 19 последовательно касается поляризационных контактов 33-42 кассет 6-15 в течение времени, меньшего времени развития электрического пробоя ПКЭ, и этот процесс повторяют до окончания поляризации. При касании замыкается электрическая цепь, состоящая из источника высокого напряжения 16, токоограничивающего резистора 17 и электрической емкости ПКЭ, и через замкнутую электрическую цепь подается поляризующее напряжение на ПКЭ. При соскальзывании коммутирующего контакта 19 с поляризационного контакта электрическая цепь отключается от источника высокого напряжения. При достижении заданной температуры нагрева ее выдерживают до выравнивания градиента температуры ПКЭ и воздушной среды и окончание поляризации проводят под действием величины напряжения 0,9⋅U. Затем на блоке управления нагревом и охлаждением 5 включают режим охлаждения и устанавливают температуру не выше 40°C, при этом напряжение от нагревателя 2 переключается на вентилятор охлаждения 3. На источнике высокого напряжения 16 устанавливают напряжение поляризации, равное 0,9⋅U, В, и процесс поляризации продолжают до достижения заданной температуры охлаждения. Готовые изделия вынимают из кассет и измеряют пьезомодуль d.
пр.пост.
пр
В таблице приведены значения напряжения пробоя U постоянным напряжением и U по заявляемому способу для двух партий ПКЭ в количестве 10 шт. в каждой, диаметром 66 мм, высотой 10 мм из сегнетожесткого материала ЦТБС-3.
Каждый из десяти ПКЭ первой партии помещали в кассету и через токоограничивающий резистор подключали к источнику высокого напряжения Плазон ИВНР-5/20(+/-). Плавно увеличивали напряжение до появления скользящей электрической дуги. Каждый из десяти ПКЭ второй партии помещали в кассету, которую через узел распределения напряжения поляризации и токоограничивающий резистор подключали к источнику высокого напряжения Плазон ИВНР-5/20(+/-) и плавно увеличивали напряжение до появления скользящей электрической дуги.
пр.пост.
пр
пр
пр.пост.
Для обеих партий ПКЭ получен разброс значений U и U порядка 10%. Из проведенных примеров следует, что напряжение пробоя при кратковременном подключении/отключении ПКЭ к источнику высокого напряжения U увеличивается порядка на 7 кВ по сравнению с UПри достижении заданной температуры нагрева ее выдерживают до выравнивания градиента температуры ПКЭ и воздушной среды. Время выдержки при заданной температуре определяли экспериментально, для этого в одном ПКЭ диаметром 66 мм, высотой 10 мм из сегнетожесткого материала ЦТБС-3 просверливали радиальное отверстие по середине боковой поверхности. Хромель-копелевую термопару помещали в отверстие таким образом, чтобы рабочий спай находился в центре ПКЭ. ПКЭ помещали в поляризационную камеру, включающую нагреватель и датчик температуры. По разности температуры внутри поляризационной камеры и в середине ПКЭ определяли градиент температуры и время его выравнивания, которое соответствует времени выдержки ПКЭ в поляризационной камере при заданной температуре, которое для данного сегнетожесткого материала составило 10 минут.
Процесс поляризации ПКЭ заявляемым способом иллюстрируют графики (фиг. 3а, б, в, г, д), полученные для ПКЭ диаметром 66 мм, высотой 10 мм из сегнетожесткого материала ЦТБС-3.
Как следует из (фиг. 3а, б), разогрев ПКЭ до 150°C сопровождается предварительной поляризацией при половине значения заданного напряжения. Далее (фиг. 3в, г) иллюстрирует изменение напряжения на коммутирующем контакте 19 при его касании с поляризационными контактами 33-42 кассет 6-15, откуда следует, что при максимальном значении проводимости через ПКЭ протекает максимальный ток. При этом уменьшается сопротивление ПКЭ, следствием этого является уменьшение времени разряда собственной емкости ПКЭ, что приводит к дополнительной раскачке доменной структуры ПКЭ и повышению эффективности поляризации.
33
33
Контроль поляризации ПКЭ проводился на установке YE2730A d33 METER №7510087 в соответствии с ОСТ 11 0444-87 по величине пьезомодуля d партии пьезоэлементов в форме цилиндра диаметром 66 мм и высотой 10 мм в количестве 100 шт. из сегнетожесткого материала ЦТБС-3. Минимальный пьезомодуль d в партии составил 410 пКл/Н, а разброс значений пьезомодулей у всех пьезокерамических элементов составил не более 20%, что соответствует аналогичному показателю фирмы АРС, США (www.apc.ru) [6] и на 5% меньше, чем показатели фирмы CeramTec, Германия (www.ceramtec.com) [7].
Устройство для поляризации пьезокерамических элементов успешно прошло приемочные испытания и готово для промышленного производства крупногабаритных пьезокерамических элементов мощных ультразвуковых преобразователей.
Источники информации
1. Проспект фирмы PI Ceramic GmbH, DE
http://www.eurotek-general.com, рис. 6.
2. SU 788230, МПК H01L 41/22, опубликовано 15.12.1980.
3. SU 268232, МПК С04В 33/00, опубликовано 02.04.1970 - прототип способа.
4. SU 1050095 A, МПК Н03Н 3/02, опубликовано 23.10.1983 - прототип устройства.
5. Техническая керамика, В.Л. Балкевич: Учебное пособие для втузов. М.: Стройиздат, 1984.
6. Проспект фирмы АРС, США (www.apc.ru).
7. Проспект фирмы CeramTec, Германия (www.ceramtec.com).