Чувствительный элемент из пьезокомпозита связности 1-3 и способ его изготовления
SENSITIVE ELEMENT FROM CONNECTIVITY PIEZOCOMPOSITE 1-3 AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Изобретение относится к конструкции чувствительного элемента и способу его изготовления из композиционного пьезоматериала связности 1-3 [1] для пьезоэлектрических преобразователей, которые предназначены для создания как одиночных гидроакустических приемников, так и многоэлементных гидроакустических антенн, работающих в режиме приема.
Пьезокомпозиты связности 1-3 представляют собой двухфазную систему, в которой структурные элементы одного из компонентов образуют монолитную систему, называемую матрицей, а структурными элементами второго компонента являются погруженные в нее и параллельно расположенные поляризованные пьезокерамические стержни квадратного или круглого сечения. Такие структуры называются матричными. При этом матрица характеризуется тремя измерениями, а активный элемент, выполненный из монолитного пьезоэлектрического керамического материала, имеет форму протяженного тонкого стержня, характеризуемого одним измерением. Пьезокомпозит связности 1-3 характеризуется рядом свойств, которых нет ни у одного взятого в отдельности компонента [2].
3
Для получения пьезокомпозитов связности 1-3 на основе пьезокерамики за последние три десятилетия были предложены и апробированы различные методы [3, 4]. Первые попытки создания пьезокомпозитов связности 1-3 были заключены в использовании крупнозернистого порошка сегнетоэлектрического твердого раствора Pb(Zr, Ti)O и полиуретана. Средний размер зерен такого порошка был примерно равен толщине композитного образца, что облегчало его дальнейшую поляризацию во внешнем электрическом поле. В дальнейшем использовался порошок с зернами в форме сферы или дисков, и эти зерна заполняли полимерную среду, создавая непрерывное распределение в одном направлении. Впоследствии был предложен метод погружения в полимерную матрицу системы керамических стержней, закрепленных в специальном держателе. В усовершенствованном виде этот метод, названный «подбирать и размещать» (pick and place), стал применяться для получения пьезокомпозитов связности 1-3 «сегнетопьезокерамика - полимер» с различной объемной концентрацией керамических стержней, а также с различной микрогеометрией, соответствующей размерам стержней, их пространственному распределению, формой поперечного сечения и т.п.
Из уровня техники известен способ получения блочного пьезокомпозита связности 1-3 для низкочастотных датчиков, работающих в частотном диапазоне до 100 кГц [5]. Структура чувствительного элемента из пьезокомпозита связности 1-3 содержит активные элементы в виде двух блоков пьезокерамических стержней, установленных встречно торец к торцу и имеющих встречное направление поляризации. На торцах пьезокерамических стержней нанесены электроды с токовыводами. Блоки пьезокерамических стержней погружены в диэлектрическую матрицу.
Основные преимущества использования пьезокомпозитов в качестве чувствительного элемента гидроакустических приемников основаны на следующих соображениях.
u
Гидроакустический приемник - это прибор, преобразующий акустическое давление Р (воздействующее на приемник со всех сторон) в электрическое напряжение U, возникающие на электрическом выходе приемника. Очевидно, что гидроакустический приемник тем лучше, чем выше его чувствительность - М, равная
33
31
v
Рассмотрим пьезоэлектрический элементы выполненный из классической монолитной пьезокерамики, например, из пьезоматериала системы ЦТС, который характеризуется пьезоконстантами g (пьезоконстанта в направлении поляризации) и g (пьезоконстанта в направлении перпендикулярном поляризации). Если этот пьезоэлемент подвергнуть воздействию всестороннего акустического давления Р, то его чувствительность будет прямо пропорциональна величине объемной пьезоконстанты g.
33
31
v
u
33
v
33
Поскольку для всех современных монолитных пьезоматериалов g≈-2g, то g→0. Таким образом, звукоприемник, выполненный из монолитной пьезокерамики будет иметь чувствительность М→0. Поэтому во всех гидроакустических приемниках содержатся дополнительные конструктивные узлы, обеспечивающие такое акустическое экранирование пьезоэлемента, при котором пьезоэлемент подвергается акустическому воздействию только в одном конкретном направлении, например, по направлению поляризации. В этом случае чувствительность звукоприемника определяется только константой g, так как g=g.
31
v
Очевидно, что такие звукоприемники имеют сложную конструкцию, которую можно значительно упростить, используя в качестве основы чувствительный элемент из пьезокомпозитного материала в котором изначально пьезоконстанта g подавлена за счет совокупных свойств матрицы и пьезоэлемента. Поэтому основной характеристикой пьезокомпозитов связности 1-3 для производства преобразователей, работающих на низкой частоте, является объемная пьезоконстанта композита g, мВ⋅м/Н. [6].
33
31
Широко известны конструкции чувствительных элементов гидроакустических преобразователей, имеющих высокое значение продольной пьезоконстанты g, при конструктивно подавленной поперечной состовляющей g, в которых активная составляющая выполнена из монолитного пьезоэлектрического керамического материала [7]. Однако, объемная чувствительность чувствительных элементов гидроакустических преобразователей на основе монолитных пьезоэлектрических материалов как показано выше имеет низкие значения. Возможности дальнейшего повышения чувствительности чувствительных элементов гидроакустических преобразователей на основе монолитных пьезоэлектрических материалов ограничены.
v
Перспективными для создания чувствительных элементов гидроакустических преобразователей являются пьезокомпозиты связности 1-3, которые обладают продольной чувствительностью при сильно подавленной поперечной чувствительности, что обеспечивает высокую объемную пьезоконстанту g.
При конструировании пьезоэлектрических преобразователей наибольшее распространение получили пьезокомпозиты связности 1-3, в которых в качестве пьезоактивной составляющей используют следующие пьезокерамические материалы: титанат бария, титанат свинца, цирконат-титаната свинца, ниобат магния, цирконат свинца, ниобат цинка, ниобат лития, танталат лития, висмут стронций кальций, а в качестве связующего -различные органические полимерные материалы [8].
Известен пьезокомпозит связности 1-3, содержащий в составе связующего демпфирующие частицы, в котором равномерно расположены пьезоактивные компоненты (стержни) [6, 9]. Пьезоэлектрические стержни получают либо методом литья под давлением, либо путем распиловки блока пьезокерамики. Пьезокомпозит связности 1-3 получают путем последующего заполнения блока, состоящего из керамических стержней, жидким реакционно-способным полимером, в частности, эпоксидным полимером, который имеет низкую вязкость в неотвержденном состоянии, высокие клеящие и механические свойства.
Однако отверждение эпоксидных смол приводит к усадке полимерной матрицы и возникновению внутренних напряжений. Это может привести к предварительному напряжению активной составляющей пьезокомпозита связности 1-3, искажению стержней, снижению параллельности между сторонами стержней, и как следствие, к короблению системы.
Частично решение данной проблемы достигают путем включения в полимерную матрицу частиц цемента и графита, что способствует повышению вязкоупругих и демпфирующих свойств полимерной матрицы [10]. Чувствительный элемент из пьезокомпозита связности 1-3 и способ его изготовления, описанные в статье [10] приняты за прототип настоящего изобретения.
33
v
v
33
31
31
Активная составляющая пьезокомпозита связности 1-3 имеет форму стержней, выполненных из пьезоэлектрического материала PZT (ЦТС), имеющих продольную поляризацию и расположенных равномерно в полимерной матрице из эпоксидной смолы с включениями частиц цемента и графита. Были исследованы пьезоэлектрические, электромеханические и демпфирующие свойства пьезокомпозита связности 1-3. Получены высокие значения пьезоконстанты g=13,3 мВ⋅м/Н, значения которой примерно равны объемной пьезоконстанте g, так как g=g-2g, а значения поперечной пьезоконстанты g=0 [6].
v
Однако, прототип имеет недостаточно высокие значения объемной пьезоконстанты g, мВ⋅м/Н, что необходимо для эффективной работы гидроакустических преобразователей в режиме приема.
v
Задачей настоящего изобретения является разработка чувствительного элемента из пьезокомпозита связности 1-3, имеющего высокие значения объемной пьезоконстанты g мВ м/Н и достаточно высокую прочность для работы на больших глубинах.
Поставленная задача решена за счет достижения новых технических результатов:
- создание под действием внешнего давления в монолитных пьезокерамических стержнях дополнительных поперечных механических напряжений;
- увеличения продольного механического растяжения/сжатия пьезокерамических стержней под воздействием внешнего давления;
- увеличение жесткости и уменьшение скорости акустической волны в полимерной матрице;
- повышения механической прочности.
Указанные технические результаты достигаются тем, что чувствительный элемент из пьезокомпозита связности 1-3 содержит стержни, выполненные из пьезоэлектрического материала на основе цирконата-титаната свинца (ЦТС), имеющие продольную поляризацию и расположенные равномерно в полимерной матрице с полыми керамическими шариками и снабженные на торцах электродами.
9
Согласно изобретения, к торцам пьезокерамических стержней последовательно приклеены токопроводящие сетки, которые позволяют избежать больших локальных напряжений в месте контакта пьезокерамического стержня, и как следствие потерю электрического контакта, и тонкие упругие пластины из материала, имеющего значение модуля Юнга не менее 2,5⋅10 Па, модуль Юнга для материала пластин подобран экспериментально исходя из гибкости и прочности при статическом сжатии, а токопроводящие сетки и электроды электрически соединены.
В частном случае выполнения:
9
- упругие пластины выполнены из полиметилметакрилата с модулем Юнга 3⋅10 Па;
- упругие пластины имеют толщину 0,5-0,7 мм.
Способ получения чувствительного элемента из пьезокомпозита связности 1-3 заключается в спекании пьезокерамического блока из пьезоматериала системы ЦТС с последующим распиливанием на тонкие стержни квадратного сечения, нанесением на торцы пьезокерамических стержней электродов, поляризацией и размещением пьезокерамических стержней в полимерной матрице.
9
Согласно изобретения, предварительно изготавливают полимерную матрицу, для этого в форму для изготовления матрицы, имеющей заданное распределение отверстий в объеме матрицы, соответствующим геометрии пьезокерамических стержней, заливают жидкий полиуретан с добавкой полых керамических шариков в равном соотношении по объему, выдерживают полученную композицию до окончания полимеризации, вставляют пьезокерамические стержни в отверстия полимерной матрицы, припаивают к электродам пьезокерамических стержней токопроводящие сетки с токовыводами, на поверхность каждой токопроводящей сетки приклеивают тонкую упругую пластину с модулем упругости Юнга не менее 2,5⋅10 Па, полученную заготовку пьезоэлектрического композита помещают в форму, заливают жидким полиуретаном и выдерживают до окончания полимеризации.
В частном случае выполнения:
- тонкие стержни имеют сечение равное (4,5×4,5) мм;
- количество пьезокерамических стержней равно девяти;
- пьезокерамические стержни поляризуют в воздушной среде под напряжением 1 кВ/мм.
Указанная новая последовательность операций способа позволяет проводить поляризацию и отбраковку пьезокерамических стержней по электрофизическим параметрам до помещения в полимерную матрицу, что повышает выход годных изделий.
Наличие полых керамических шариков в полимерной матрице приводит к увеличению ее жесткости и препятствует попаданию акустического воздействия на пьезокерамические стержни в направлении, перпендикулярном поляризации. Следовательно, предполагаемая полимерная матрица обеспечивает акустическое экранирование боковых поверхностей пьезокерамических стержней, выполняя тем самым функцию дополнительных акустических экранов классических звукоприемников.
В прототипе полимерная матрица имеет включения графита и цемента, которые вносят вклад в повышение скорости распространения акустической волны в поперечном направлении и не обеспечивают подавление акустического воздействия на боковые поверхности пьезостержней.
9
При воздействии внешнего давления Р на чувствительный элемент из пьезокомпозита связности 1-3 вдоль направления поляризации пьезокерамических стержней, являющихся активной составляющей, тонкие упругие пластины, имеющие значение модуля Юнга не менее 2,5-10 Па, в областях между пьезокерамическими стержнями прогибаются навстречу друг другу, что приводит к возникновению в пластинах в областях, сопрягаемых с пьезокерамическими стержнями, дополнительных механических напряжений, направленных на растяжение упругих пластин, а, следовательно, и жестко скрепленных путем клейки с ними пьезокерамических стержней в направлении, перпендикулярном поляризации и воздействие давления Р (см фиг. 5). Таким образом предложенная конструкция чувствительного элемента обеспечивает одновременное воздействие на пьезокерамические стержни суперпозиции двух составляющих механических напряжений, сдавливающих в направлении поляризации, и растягивающих в перпендикулярном направлении. Следовательно, уравнение (2) для предлагаемой пьезокерамической композиции принимает вид:
33
31
v
Учитывая, что для пьезоматериалов системы ЦТС пьезоконстанты g и g имеют разные знаки, реализованное в предложенном пьезокомпозите изменение знака механического напряжения в направлении перпендикулярном поляризации (не сжатие, а растяжение) в соответствии с уравнением (3) приводит к значительному увеличение g, а значит и объемной чувствительности гидроакустического приемника в целом. После прекращения воздействия акустического давления упругие пластины принимают первоначальную форму.
Диапазон толщин тонких упругих пластин составляет 0,5-0,7 мм, что является оптимальным для обеспечения сочетания достаточной прочности и массы чувствительного элемента из пьезокомпозита.
Известен пьезокомпозитный преобразователь связности 1-3 для гидроакустических антенн, работающих в поверхностных арктических водах. На одной поверхности каждого пьезопреобразователя расположен стальной защитный слой, а на другой поверхности согласующий слой из стеклополимера [11, абзацы 10-35 описания патента]. В отличие от [11], заявленный преобразователь в силу присутствия с двух сторон одинаковых упругих пластин с указанными характеристиками обеспечивает работоспособность чувствительного элемента в составе датчиков на глубине до 5 км и одновременно приводит к повышению объемной чувствительности, что не следует из [11] и не является очевидным из предшествующего уровня техники. При этом функцию согласующего слоя выполняет полиуретановый корпус пьезопреобразователя, а не специальный согласующий слой в виде пластины из стеклополимера.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - Пьезокомпозит со связностью 1-3, в аксонометрии - прототип.
Фиг. 2 - Заявляемый чувствительный элемент из пьезокомпозита связности 1-3, вид сбоку.
Фиг. 3 - Заявляемый чувствительный элемент из пьезокомпозита связности 1-3, вид сверху.
Фиг. 4 - Форма для изготовления полимерной матрицы, вид сверху.
Фиг. 5 - Схема деформации заявляемого чувствительного элемента из пьезокомпозита связности 1-3 под воздействием акустического продольного давления Р, где F - сила, растягивающая пьезокерамические стержни, являющиеся активной составляющей, в поперечном направлении.
Фиг. 6 - Схема деформации чувствительного элемента из пьезокомпозита связности 1-3 под воздействием акустического продольного давления Р при отсутствии тонких упругих пластин.
Осуществление изобретения
9
Чувствительный элемент из пьезокомпозита связности 1-3 (фиг. 2) содержит блок пьезокерамических стержней 1, являющихся активной составляющей, равномерно расположенных в полимерной матрице 2, выполненной из полиуретана с добавкой полых керамических шариков в равном соотношении по объему. На торцах пьезокерамических стержней 1 методом вжигания серебряной пасты нанесены электроды 3, 4, припаянные к токопроводящим сеткам 5, 6 с токовыводами 7, 8, соответственно. К поверхностям каждой токопроводящей сетки 5, 6 приклеены тонкие упругие пластины 9, 10 с модулем упругости Юнга не менее 2,5⋅10 Па, а вся конструкция покрыта полиуретановой оболочкой 11, выполняющую функцию согласующего слоя.
При воздействии внешнего давления Р (фиг. 5) на чувствительный элемент из пьезокомпозита связности 1-3 вдоль направления поляризации пьезокерамических стержней, тонкие упругие пластины 9 и 10 прогибаются навстречу друг другу, при этом возникает сила F, которая приводит к дополнительному давлению на торцы пьезоэлектрических стержней 1, что приводит к растяжению пьезокерамических стержней 1 в поперечном направлении. В отсутствие тонких упругих пластин 9, 10 дополнительного давления на торцы пьезокерамических стержней не происходит (фиг. 6).
Пример конкретного выполнения способа изготовления чувствительного элемента из пьезокомпозита связности 1-3.
Пьезокерамический блок из материала ЦТС-19 распиливали на отрезном станке на стержни размерами (4,5×4,5×7,5) мм, на торцы которых методом вжигания серебряной пасты наносили серебряные электроды. Поляризацию образцов проводили в воздушной среде на поляризационной установке ПВС-2, (изготовитель НКТБ «Пьезоприбор» ЮФУ) при напряжении 1 кВ/мм и температуре 360°С. Полимерную матрицу готовили путем добавления в жидкий полиуретан марки Гермокаст 7980285 керамических полых шариков с размером частиц 120 мкм в равном соотношении по объему.
9
Жидкий полиуретан с керамическими полыми шариками заливали в литьевую форму с профилем отверстий 12 прямоугольного сечения (фиг. 4), соответствующим толщине пьезокерамических стержней 1 и выдерживали при комнатной температуре в течение 12 часов до полной полимеризации. Полученную полимерную матрицу 2 равномерно заполняли пьезокерамическими стержнями 1. Затем к положительным электродам пьезокерамических стержней 1 припаивали токопроводящую сетку 6 с токовыводом 8, а к отрицательным электродам пьезокерамических стержней 1 припаивали токопроводящую сетку 5 с токовыводом 7. На поверхность каждой токопроводящей сетки 5, 6 приклеивали клеем БФ-2 по одной тонкой упругой пластине 9, 10 выполненной из материала с модулем Юнга не менее 2,5⋅10 Па. В частном случае выполнения тонкие упругие пластины 9, 10 выполнены из полиметилметакрилата и имеют толщину 0,5 мм. Полученная конструкция помещалась в литьевую форму и заливалась жидким полиуретаном марки Гермокаст 7980285.
u
v
На установке для измерения объемной чувствительности пьезоэлектрических элементов «Паскаль-4», изготовитель НКТБ «Пьезоприбор» г. Ростов-на-Дону была измерена чувствительность по напряжению М. Значения объемной пьезоконстанты g вычисляли по формуле:
v
u
g=M/h,
u
где М - чувствительность по напряжению, мкВ/Па;
h - расстояние между электродами активной составляющей чувствительного элемента из пьезокомпозита равное 7,5 мм.
v
t
33
33
Сравнительные данные для пьезоконстанты g мВ⋅м/Н, коэффициента электромеханической связи k продольного пьезоэлектрического модуля d и значений тангенса угла диэлектрических потерь tgδ активной составляющей чувствительного элемента из пьезокомпозита связности 1-3 в процентах от значений прототипа (строка 1), заявляемого чувствительного элемента из пьезокомпозита связности 1-3 (строка 2) и чувствительного элемента из пьезокомпозита связности 1-3 без диэлектрических пластин на торцах пьезокерамических стержней из пьезокерамики со значением продольного пьезоэлектрического модуля d=500 пКл/Н. (строка 3) приведены в таблице.
v
v
33
v
33
33
33
v
Как следует из таблицы значение объемной чувствительности заявляемого чувствительного элемента из пьезокомпозита связности 1-3 (строка 2) составляет g=20 мВ⋅м/Н, что в 1,5 раза выше, чем у прототипа (строка 1), у которого g=g=13,3 мВ⋅м/Н. Значение g=16,8 мВ⋅м/Н получено для чувствительного элемента из пьезокомпозита связности 1-3 без тонких упругих пластин 9, 10 на торцах пьезокерамических стержней (строка 3), что подтверждает их влияние на повышение пьезочувствительности. При более низких значениях продольного пьезоэлектрического модуля d активной составляющей (d=500 пКл/Н) по сравнению с прототипом (d=600 пКл/Н), получены более высокие значения g. Разработан экспериментальный образец заявляемого чувствительного элемента из пьезокомпозита связности 1-3.
Источники информации
1. R.Е. Newnham, D.P. Skinner, and L.Е. Cross, "Connectivity and piezoelectric-pyroelectric composites," MaterialcRes. Bull., vol. 13, pp. 525-536, 1978.
2. Modeling 1-3 Composite Piezoelectrics: Thickness-Mode Oscillations. W. Smith and B. Auld, IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERROELECTRICS AND FREQUENCY CONTROL. VOL. 38. NO. I. JANUARY 1991.
3. FABRICATION OF PIEZOELECTRIC CERAMIC/POLYMER COMPOSITES BY INJECTION MOLDING, Leslie J. Bowen and Kenneth W. French, Materials Systems Inc. 53 Hillcrest Road, Concord, MA 01742.
4. US 5539965 A, Method for making piezoelectric composites.
5. Method for making an acoustic transducer. WO 2007012604 (A2), МПК B06B 1/06, H01L 41/37, опубл. 2007-02-01.
6. В.Ю. Тополов, A.E. Панин. Пьезокомпозиты: получение, свойства, применение (учебное пособие), Ростов-на-Дону, 2009, с. 43.
6
7. RU 2080743 С1, МПК  H04R 1/44, опубликовано: 27.05.1997.
8. WO 2011005535 (А1) 2011-01-13 CERAMIC-POLYMER COMPOSITES A61L 27/40; A61L 31/12; С04В 35/117; С04В 35/185; C08J 5/24; С09K 8/58; С09K 8/80; H01L 41/18.
9. Piezoelectric Composites for Sensor and Actuator Applications. E. Koray Akdogan et al. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency control, vol. 52, no. 5, may 2005, 756) [2], (R.L.  and G. Hayward, "Investigation into the effects of modification of the passive phase of improved manufacture of 1-3 connectivity piezocomposite transducers," IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr., vol. 46, pp. 511-516, 1999.
10. Design, fabrication and property investigation of cement/polymer based 1-3 connectivity piezo-damping composites. Xu Dongyu, Cheng Xin, Guo Xiaojing, Huang Shifeng. Conduction and Building Materials 84 (2015) 219-223. Journal homepage: www.elsevier.com/locate/conbuildmat - прототип.
11. US 6806622 (B1) - 2004-10-19, Impact-reinforced piezocomposite transducer array, B06B 1/06; G10K 11/00; H04R 17/00; H04R 1/44; (IPC1-7): H01L 41/04.