Способ изготовления композитного чувствительного пьезоэлемента
METHOD OF PRODUCING COMPOSITE SENSITIVE PIEZOELECTRIC CELL

Изобретение относится к пьезотехнике, а именно, к технологии изготовления композитных чувствительных пьезоэлементов на основе пористой пьезокерамики со смешанной связностью 3-0 и 3-3, используемых в акустических и гидроакустических пьезопреобразователях, работающих в режиме приема.
В качестве чувствительных элементов приемников звука традиционно использовали плотную пьезокерамику, отличающуюся высокими значениями электрофизических параметров и их стабильностью в широком интервале температур. Однако плотная пьезокерамика способна фиксировать преимущественно, одноосные колебания, поскольку имеет крайне низкие объемно-чувствительные характеристики, высокие значения плотности и скорости звука и, как следствие, высокий акустический импеданс, что затрудняет согласование в воздушной и водной средах. При использовании плотной пьезокерамики для целей акустики и гидроакустики приходится трансформировать объемные колебания в одноосные путем усложнения конструкции пьезоэлектрического преобразователя.
Этих недостатков лишены преобразователи на основе пьезокомпозитов, которые благодаря высоким объемно-чувствительным характеристикам и лучшему акустическому согласованию с водой позволяют отказаться от необходимости трансформации объемного давления в одноосное и, следовательно, существенно упростить конструкцию преобразователей для целей акустики и гидроакустики и снизить их стоимость.
Частным случаем композиционных материалов является пористая пьезокерамика. Ее высокая эффективность, возможность в широких пределах варьировать свойствами материала и технологическая простота вызывают растущий интерес к пористой пьезокерамике и чувствительным пьезоэлементам на ее основе. Пористая пьезокерамика может иметь как открытые, так и закрытые поры. Чем выше общая пористость керамического каркаса чувствительного пьезоэлемента, тем выше удельная доля пористости открытого типа [1, 2]. С ростом открытой пористости возрастают объемно-чувствительные характеристики пьезокомпозита, вследствие этого наибольший практический интерес представляют пьезокомпозиты с пористостью от 40 до 60%. Пьезокомпозиты с пористостью более 65% практически не используются в связи с их низкой механической прочностью [3].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ изготовления композитного чувствительного пьезоэлемента (RU 2298300, МПК H04R 17/00, H01L 41/08, G01L 21/10, опубл. 21.04.2007 С. 6-7) [4], принимаемый за прототип.
Согласно способу - прототипу изготовление чувствительных пьезоэлементов включает следующие операции:
- изготовление из пьезокерамического материала ЦТС-36 пористого керамического каркаса в форме диска диаметром 12 мм, высотой 5 мм с пористостью 62-63% объема;
- металлизацию торцевых поверхностей дисков;
- припаивание к электродам проводов для снятия сигналов;
- поляризацию композитного чувствительного пьезоэлемента;
- изолирование композитного чувствительного пьезоэлемента слоем эластичного полимера, такого как полиуретан, силиконовый каучук и синтетический каучук.
Металлизацию торцевых поверхностей выполняют методом нанесения и вжигания серебросодержащей пасты при температуре 800-850°С, поскольку альтернативные способы нанесения электродов - никелирование и напыление металлов неприемлемы для высокопористых чувствительных элементов. Это обусловлено тем, что при никелировании в результате погружения пьезоэлемента в раствор происходит проникновение по открытым порам растворов по всему объему керамического каркаса, что полностью исключает возможность применения такого способа нанесения электродов. Способ напыления электродов не применим к пористым композиционным материалам, так как при напылении образуется тонкий слой металлического электрода, что для пористых пьезоэлементов делает практически невозможной дальнейшую пайку электрических выводов. В способе - прототипе серебросодержащая паста при нанесении проникает вглубь керамического каркаса по открытым порам, что приводит к уменьшению эффективного (реального) расстояния между электродами пьезокомпозита, и как следствие, недостаточно высокой объемной чувствительности к звуковому давлению по напряжению Mu,, а также расходу серебросодержащей пасты. При изготовлении чувствительных элементов в соответствии с технологией прототипа серебросодержащая паста, имеющая консистенцию сметаны и используемая при нанесении электродов, проникает в открытые поры вглубь керамического каркаса, а образующийся металлический электрод после спекания полностью повторяет морфологию поверхности керамического каркаса. При этом глубина проникновения серебросодержащей пасты связана с величиной общей пористости керамического каркаса: чем выше пористость, тем глубже проникает серебросодержащая паста вглубь пористого керамического каркаса элемента. При вжигании серебросодержащей пасты это приводит к уменьшению эффективного (реального) расстояния между электродами пьезокомпозита, и как следствие, недостаточно высокой объемной чувствительности к звуковому давлению по напряжению Mu. Кроме этого для образования качественного электрода, пригодного для последующей поляризации и пайки, необходимо нанесение 2-3-х слоев серебросодержащей пасты на пористые каркасы с пористостью 30-40% и 3-4х слоев с пористостью более 40%, что приводит к значительному расходу драгметалла.и, следовательно, удорожанию пьезоэлемента.
Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение объемной чувствительности к звуковому давлению по напряжению Mu композитного чувствительного пьезоэлемента за счет увеличения эффективного (реального) расстояния между электродами, и удешевление пьезоэлемента за счет уменьшение расхода серебросодержащей пасты при нанесении электродов.
Указанный технический результат достигается тем, что способ изготовления композитного чувствительного пьезоэлемента заключается в нанесении электродов на торцевые поверхности пьезокерамического каркаса, имеющего общую пористость 40-60% путем вжигания серебросодержащей пасты, поляризации, припаивании к электродам проводов и покрытии пьезоэлемента слоем эластичного полимера.
Согласно изобретения перед нанесением серебросодержащей пасты на торцовые поверхности пористого пьезокерамического каркаса наносят слой органического полимера и сушат его до получения тонкопленочного покрытия.
В предпочтительном варианте выполнения:
- в качестве органического полимера использован бутираль-фенольный состав марки БФ-2;
- в качестве органического полимера использован нитроцеллюлозный состав марки НЦ-88.
Создание тонкопленочного слоя из органического полимера перед нанесением серебросодержащей пасты "залечивает" поверхностные открытые поры и выравнивает поверхность, что препятствует проникновению серебросодержащей пасты при ее нанесении вглубь пористого керамического каркаса. При вжигании серебросодержащей пасты уже при температуре 400°С слой из указанных органических полимеров полностью выгорает. Чтобы получить электроды, пригодные для последующей поляризации и пайки, наносят 1-2 слоя серебросодержащей пасты на пористые каркасы с пористостью 30-40% и 3-4 слоя с пористостью более 40%, что приводит к экономии драгметалла.
Сущность изобретения поясняется фигурами чертежей и таблицами.
Фиг. 1 Фотография поверхности пористого керамического каркаса, материал ЦТС-36, пористость 40%, увеличение х 100.
Фиг. 2. Поперечное сечение композитного чувствительного пьезоэлемента -прототипа, где 1 - пористый керамический каркас, 2 - серебряный электрод на поверхности керамического каркаса, частично проникающий внутрь него, 3 - эффективное (реальное) расстояние между электродами.
Фиг. 3 Поперечное сечение композитного чувствительного пьезоэлемента, изготовленного заявляемым способом, где 1 - пористый керамический каркас, 2 - серебряный электрод на поверхности керамического каркаса, 3 - эффективное (реальное) расстояние между электродами.
Таблица 1. Сравнение значений объемной чувствительности к звуковому давлению по напряжению Mu композитного чувствительного пьезоэлемента из материала ЦТС-36 диаметром 12 мм, высотой 5 мм и 9 мм, изготовленного способом - прототипом и с использованием органического полимерного слоя.
Таблица 2. Сравнение значений объемной чувствительности к звуковому давлению по напряжению Mu композитного чувствительного пьезоэлемента из материала ПКП-13 диаметром 12 мм, высотой 5 мм и 9 мм, изготовленного способом - прототипом и с использованием органического полимерного слоя.
Пьезокерамический композитный материал изготавливают по известной технологии [2]. Пьезокерамический состав смешивают с порообразователем в требуемом соотношении, формуют заготовку и подвергают термической обработке в процессе которой порообразователь удаляется в виде газообразных соединений и происходит спекание керамического каркаса заданной пористости 40-60% (фиг. 1), затем на поверхности керамического каркаса, подлежащие металлизации, наносят равномерно слой органического полимера- бутираль-фенольный состав марки БФ-2 или нитроцеллюлозный состав марки НЦ-88, сушат при температуре 60°С. Далее наносят последовательно два слоя серебросодержащей пасты и помещают заготовку в печь и нагревают до температуры 800-850°С в результате чего происходит вжигание серебросодержащей пасты и выгорание органического полимерного слоя. В качестве органического полимера может любой органический полимер, который полностью выгорает при температуре вжигания серебросодержащей пасты. Полученную заготовку поляризуют при напряженности поля 0,9-1,5 кВ/мм, припаивают электроды и герметизируют слоем эластичного полимера, такого как полиуретан, силиконовый каучук и синтетический каучук. Измерения объемной чувствительности к звуковому давлению по напряжению Mu композитного чувствительного пьезоэлемента из материала ЦТС-36 диаметром 12 мм выполнены на установке контроля параметров пьезоэлементов «Паскаль-4» (изготовитель НКТБ Пьезоприбор, Ростов-на-Дону).
Так как объемная чувствительность к звуковому давлению по напряжению Mu прямо пропорциональна расстоянию между электродами:
v
Mu=g⋅h,
v
g - удельная объемная чувствительность;
h - расстояние (реальное) между электродами.
За расстояние между электродами на практике принимается геометрический размер между поверхностями элемента, которые подвергаются металлизации. В способе-прототипе, эффективное (реальное) расстояние между электродами уменьшается вследствие проникновения серебросодержащей пасты в открытые поры керамического каркаса (Фиг. 2), что и приводит уменьшению объемной чувствительности к звуковому давлению по напряжению Mu.
В заявляемом способе эффективное (реальное) расстояние между электродами соответствует геометрическому расстоянию между металлизированными поверхностями элемента, что и сопровождается более высокими значениями объемной чувствительности к звуковому давлению по напряжению Mu по сравнению с прототипом.
Повышение объемной чувствительности к звуковому давлению по напряжению Mu по сравнению с прототипом поясняется следующими примерами.
Пример 1.
Из пьезокерамического материала ЦТС-36 были изготовлены чувствительные элементы диаметром 12 мм и толщиной 5 и 9 мм и пористостью 40, 50, 60 об. %. Бутираль-фенольный состав марки БФ-2 наносился на поверхность, подлежащую металлизации, просушивался в течение 1 часа при температуре 60°С. Долее на поверхность наносилась серебросодержащая паста, которая вжигалась при температуре 800°С. После поляризации, пайки и герметизации, измерялась объемная чувствительность к звуковому давлению по напряжению Mu. Полученные результаты представлены в таблице 1.
Пример 2.
Из пьезокерамического материала ЦТС-36 были изготовлены чувствительные элементы диаметром 12 мм и толщиной 5 и 9 мм и пористостью 40, 50, 60 об. %. Нитроцеллюлозный состав марки НЦ-88 наносился на поверхность, подлежащую металлизации, просушивался в течение 1 часа при температуре 60°С. Далее на поверхность наносилась серебросодержащая паста, которая вжигалась при температуре 800°С. После поляризации, пайки и герметизации, измерялась объемной чувствительности к звуковому давлению по напряжению Mu. Полученные результаты представлены в таблице 1.
Пример 3.
Из пьезокерамического материала ПКП-13 были изготовлены чувствительные элементы диаметром 12 мм и толщиной 5 мм и пористостью 40, 50, 60 об. %. Бутираль-фенольный состав марки БФ-2 наносился на поверхность, подлежащую металлизации, просушивался в течение 1 часа при температуре 60°С. Долее на поверхность наносилась серебросодержащая паста, которая вжигалась при температуре 800°С.После поляризации, пайки и герметизации измерялась чувствительность к звуковому давлению по напряжению Mu. Полученные результаты представлены в таблице 2.
Пример 4.
Из пьезокерамического материала ПКП-13 были изготовлены чувствительные элементы диаметром 12 мм и толщиной 5 мм и пористостью 40, 50, 60 об. %. Нитроцеллюлозный состав марки НЦ-88 наносился на поверхность, подлежащую металлизации, просушивался в течение 1 часа при температуре 60°С. Долее на поверхность наносилась серебросодержащая паста, которая вжигалась при температуре 800°С. После поляризации, пайки проводов и герметизации пьезоэлемента измерялась чувствительность к звуковому давлению по напряжению Mu. Полученные результаты представлены в таблице 2.
Для сравнения на части образцов металлизация осуществлялась без нанесения органического полимерного слоя. Эти образцы являлись контрольными. Полученные на них значения объемной чувствительности к звуковому давлению по напряжению также представлены в таблицах 1 и 2.
Как следует из таблиц 1 и 2 композитные чувствительные пьезоэлементы, изготовленные заявляемым способом, превосходят по объемной чувствительности к звуковому давлению по напряжению Mu контрольные образцы на 8% при пористости керамического каркаса 40% и на 15-20% при пористости керамического каркаса 60%, что позволяет повысить отношение сигнал/шум в акустических и гидроакустических пьезопреобразователях, работающих в режиме приема. Повышение объемной чувствительности к звуковому давлению по напряжению Mu достигается для пьезоматериала ЦТС-36 и ПКП-13 и нет препятствий для достижения данного эффекта при использования других пьезоматериалов.
Источники информации:
1. А.А. Нестеров, А.А. Панич, С.Н. Свирская, А.Ю.Малыхин, А.В. Скрылев, Е.А. Панич - Способы формирования микроструктуры пористых пьезокерамических каркасов, Инженерный вестник Дона №3 (2012).
2. Е.В. Карюков, А.А. Панич, В.К. Доля, А.Ю. Малыхин, В.В. Немыкин, В.В. Бостанджиян - Пористые пьезокомпозиционные материалы на основе пьезокерамики ПКП-12, Инженерный вестник Дона 47 (4 (47)).
3. Тополов В.Ю. Пьезокомпозиты: получение, свойства, применение (учебное пособие) [Текст] / В.Ю. Тополов, А.Е. Панич. - Ростов н/Д, 2009. - 51 с.: ил.
4. RU 2298300, МПК H04R 17/00, H01L 41/08, G01L 21/10, опубл. 21.04.2007 С. 6-7 - прототип.