ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ГЕНЕРАТОР И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
HIGH-VOLTAGE GENERATOR AND METHOD OF ITS MANUFACTURE

Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно: к пьезоэлектронике, преобразователям механической энергии в электрическую энергию, к источникам электрического заряда высокого напряжения на основе пьезокерамики.
Известны пьезоэлектрические приборы - преобразователи механической энергии в электрическую энергию. Преобразование энергии за счет деформации пьезокерамического элемента, состоящего из поляризованной сегнетоэлектрической керамики, происходит в пьезоэлектрических датчиках (В.В. Янчич. Пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи. Ростов-на-Дону, Издательство «ЮФУ», 2010), а в бытовых приборах - пьезозажигалках - образуется высоковольтный разряд. При продольной, относительно вектора остаточной поляризованности, деформации сжатия-растяжения пьезокерамического элемента под действием силы, приложенной нормально к плоскостям электродов, согласно определению пьезоэффекта, на электродах возникает заряд.
Известны взрывные генераторы для метеорологического применения, преобразующие механическую энергию ударной волны, распространяющейся в рабочем теле, в высоковольтную электрическую энергию (Прищепенко А.Б., Третьяков Д.В., Щелкачев М.В. Баланс энергии взрывного пьезоэлектрического генератора частоты. Труды конференции «Мегагаусная и мегаамперная технология применения», г. Саров, ВНИИЭФ, 1997, с. 954÷958). Основным элементом таких генераторов является рабочее тело, выполненное как пакет из n пластин поляризованного сегнетоэлектрического материала с нанесенными на них токопроводящими поверхностями. Ударная волна в рабочем теле формируется специальным зарядом взрывчатого вещества. Достоинствами рассматриваемых устройств являются компактность и полная автономность от внешних источников энергии.
Взрывная ударная волна имеет большую интенсивность, и доминирующим процессом при конверсии механической энергии ударной волны в электрическую энергию является процесс перехода сегнетоэлектрического состояния в параэлектрическое.
Э
Ток источника i и возникающий заряд Q, в предположении о линейности свойств материала рабочего тела, могут быть оценены по формулам:
где: n - число пластин сегнетоэлектрического материала с нанесенными на них токопроводящими поверхностями;
ΔР - скачок поляризации на фронте ударной волны;
Э
Э
u - скорость движения фронта ударной волны, u приравнивают к скорости звука в рабочем теле;
Э
S - площадь контактных поверхностей сегнетоэлектрического рабочего тела;
δ=nh - путь ударной волны по сегнетоэлектрическому рабочему телу;
h - расстояние между контактными поверхностями сегнетоэлектрических пластин;
Э
t=δ/u - время протекания тока.
Известный взрывной пьезогенератор (патент РФ №2154888, прототип) содержит генератор ударной волны, пьезоэлектрический преобразователь энергии ударной волны в электрическую энергию, выполненный в виде одной пьезопластины с электродами на двух противоположных гранях, параллельных направлению распространения ударной волны.
К недостаткам данных конструкций высоковольтного генератора относятся:
- наличие во взрывных генераторах взрывчатого вещества и сопутствующей ему системы инициализации для создания ударной волны;
- наличие источника электрической энергии (аккумулятора, батарейки) и электронной начинки для образования высокого напряжения;
- относительно малые значения возникающего заряда в единице объема рабочего тела при необходимости создания высоких значений разности потенциалов между нанесенными на пластины токопроводящими поверхностями.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является, при сохранении достоинств (компактности и полной автономности), достижение технического результата, заключающегося:
- в создании высоковольтного генератора, исключающего наличие взрывчатого вещества, преобразующего работу механического удара в высоковольтную электрическую энергию с помощью рабочего тела пьезоэлектрического высоковольтного генератора под воздействием ударной волны, например, в объеме выстрела типа ВОГ-25 подствольного гранатомета типа ГП-25;
- в уменьшении времени образования и увеличении значения возникающего электрического заряда в единице объема рабочего тела при высоких значениях разности потенциалов между нанесенными на пластины токопроводящими поверхностями.
Поставленная задача решается в пьезоэлектрическом высоковольтном генераторе, состоящем из инерционной массы и пакета из пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с высокими значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения и заданной для каждой пластины прочностью на сжатие, механически соединенных последовательно так, что возникающие в пластинах при ударе механические напряжения суммируются, а электрически соединенных параллельно так, что суммируются возникающие в пластинах электрические заряды с одинаковой разностью потенциалов, для чего расстояния между нанесенными на пластины токопроводящими поверхностями устанавливают такими, чтобы их значения, умноженные на значения механического напряжения и пьезоэлектрического коэффициента напряжения, были одинаковы для каждой пластины в пакете, причем рабочее тело подвергается воздействию ударной волны; и размещаемом, например, в объеме выстрела типа ВОГ-25 подствольного гранатомета типа ГП-25.
Заявляемый высоковольтный генератор и свойства составляющих его элементов иллюстрируются Фиг. 1 и 2, Табл. 1.
Фиг. 1а - Механическая схема пьезоэлектрического высоковольтного генератора.
Фиг. 16 - Электрическая схема пьезоэлектрического высоковольтного генератора.
Фиг. 1в - Габаритные размеры выстрела ВОГ-25.
0
M - инерционная масса.
k
1÷6 - пластины плотностью ρ поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с повышенными значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения  и заданной для каждой - k-й пластины прочностью на сжатие
7 - электроды,
8 - монтажная лента из серебра,
9 - закладные детали - электроды токосъемников,
10 - корпус из пористого полимерного материала,
11 - направление поляризации каждой пластины,
- направление движения генератора при уларе,
- направление сил сжатия (инерции) при ударе.
Фиг. 2 Зависимости свойств пьезокерамики с закрытой пористостью (связности 3-0) от пористости.
Фиг. 2а. Зависимость пьезомодулей d от пористости Р пьезокерамики с закрытой пористостью.
33
d - продольный пьезомодуль;
v
d - объемный пьезомодуль;
31
d - поперечный пьезомодуль.
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mn>33</mn></mrow><mi>T</mi></msubsup></mrow>
Фиг. 2б. Зависимость диэлектрической проницаемости
от пористости Р пьзокерамики с закрытой пористостью.
СЖ
Фиг. 2в. Зависимость прочности на сжатие Т от пористости Р пьезокерамики с закрытой пористостью.
Таблица 1. Характеристики свойств пьезопластин рабочего тела высоковольтного генератора.
Таблица 2. Характеристики свойств пластин рабочего тела, изготовленных из поляризованного сегнетоэлектрического материала.
k - порядковый номер пластины;
k
P - пористость k-й пластины, %;
k
3
ρ - плотность k-й пластины, кг/м;
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mrow><mn>33</mn></mrow><mi>k</mi></msubsup></mrow>
8
- механические напряжения, возникающие в k-й пластине, 10 Па;
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mn>33</mn></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mi>k</mi></msub></mrow></msubsup></mrow>
- диэлектрическая проницаемость k-й пластины;
<mrow><msubsup><mi>g</mi><mrow><mn>33</mn></mrow><mi>k</mi></msubsup></mrow>
- пьезоэлектрический коэффициент напряжения k-й пластины, В·м/Н;
k
h - расстояние между токопроводящими поверхностями k-й пластины, м;
k
Q - заряд, возникающий в k-й пластине, Кл;
k
U - разность потенциалов зарядов на токопроводящих поверхностях k-й пластины;
k
33
СЖ
33
33
СЖ
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mn>33</mn></mrow><mi>T</mi></msubsup></mrow>
Х - концентрация вводимого порообразователя для k-й пластины с заданной прочностью на сжатие, мас. %. В поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалах связности 3-0, которым соответствует керамика с закрытой пористостью, при повышении ее пористости Р от ≈0 до ≈50% пьезомодуль d практически не изменяется, а диэлектрическая проницаемость
и прочность на сжатие Т уменьшаются, как это приведено на Фиг. 2а), 26) и 2в) причем в диапазоне 0≤Р≤30% изменения ε (Р), g (Р) и Т (Р) определены экспериментально и описываются формулами:
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mn>33</mn></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>g</mi><mrow><mn>33</mn></mrow><mn>1</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Ж</mi></mrow><mn>1</mn></msubsup></mrow>
где
,
,
- характеристики «беспористой» керамики, которая соответствует спеченным без порообразователя образцам.
Характеристики «беспористой» керамики, соответствующей спеченным без порообразователя образцам, приведены в строке 1 Таблицы 1 и отражены на Фиг. 2.
0
k
k
k
k
k
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Ж</mi></mrow><mi>k</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mrow><mn>33</mn></mrow><mi>k</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mrow><mn>33</mn></mrow><mi>k</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>g</mi><mrow><mn>33</mn></mrow><mi>k</mi></msubsup></mrow>
В предлагаемой конструкции высоковольтного генератора (Фиг. 1а), размещаемого, например, в объеме выстрела типа ВОГ-25 (Фиг. 1в), рабочее тело представляет собой инерционную массу М и пакет из n пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов (Фиг. 1б) плотностью ρ с высокими значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения  и заданной для каждой - k-й пластины прочностью на сжатие
, причем механически пластины соединены последовательно так, что возникающие в пластинах при ударе со скоростью V механические напряжения
суммируются, а электрически соединены параллельно так, что суммируются возникающие в пластинах электрические заряды с одинаковой разностью потенциалов U, для чего расстояния h между нанесенными на пластины токопроводящими поверхностями площадью S устанавливают такими, чтобы их значения h, умноженные на значения механического напряжения
и пьезоэлектрического коэффициента напряжения
, были одинаковы  для каждой пластины рабочего тела.
Характеристики k-й пластины высоковольтного генератора согласно выявленным и ранее представленным экспериментальным закономерностям и константам описываются следующими формулами
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mrow><mn>33</mn></mrow><mi>k</mi></msubsup></mrow>
Пластины в пакете соединяют механически последовательно так, что механические напряжения
в k-й пластине при ударе генератора параллельны направлению поляризации, и их максимальные значения в пластинах составляют:
- для «верхней», n-й пластины (k=n)
- для k-й пластины
где а - ускорение высоковольтного генератора при ударе;
n
S - площадь контактной поверхности «верхней», n-й пластины.
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mrow><mn>33</mn></mrow><mi>k</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Ж</mi></mrow><mi>k</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mn>33</mn></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mi>k</mi></msub></mrow></msubsup></mrow>
k
k
Приравняв для k-й пластины значение
значению прочности на сжатие
, по зависимостям характеристик поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов от пористости P, приведенным в формулах (3) (4) и (5), определяют требуемую пористость P композита и соответствующие этой пористости значения диэлектрической проницаемости
.
k
Электрически пластины соединены параллельно так, что суммируются возникающие электрические заряды с одинаковой разностью потенциалов  для чего величины расстояния h определяют из условия постоянства произведения  для каждой пластины.
k
k
Максимальное время возникновения зарядов с одинаковой разностью потенциалов U может быть оценено как время прохождения ударной волны (волны сжатия) по пластине с максимальным значением h, что существенно меньше времени прохождения волны сжатия последовательно по всем пластинам.
При значениях ускорения, обусловливающего превышение прочности на сжатие, процесс конверсии механической энергии сжатия в электрическую энергию происходит одновременно во всех пластинах рабочего тела и сопровождается скачком поляризации на фронте волны сжатия при переходе сегнетоэлектрического состояния в параэлектрическое.
Увеличение значения возникающего электрического заряда в единице объема рабочего тела при высоких значениях разности потенциалов между нанесенными на пластины токопроводящими поверхностями следует из зависимостей на Фиг. 2а) и 2б).
33
31
v
31
v
33
На Фиг. 2а) схематично приведены зависимости пьезомодулей d, и d и d от пористости Р. Если значения поперечного пьезомодуля d с увеличением пористости уменьшаются, объемного пьезомодуля d растет, то величина продольного пьезомодуля d, который определяет заряд, практически остается неизменной, а значение коэффициента напряжения, пропорциональное отношению  с увеличением пористости увеличивается.
Таким образом, отличительным признаком высоковольтного генератора, преобразующего энергию ударной волны механического сжатия в электрическую энергию, является рабочее тело, подвергаемое воздействию ударной волны, например, в объеме выстрела типа ВОГ-25 подствольного гранатомета типа ГП-25, представляющее собой инерционную массу и пакет из пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с высокими значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения и заданной для каждой пластины прочностью на сжатие, механически соединенных последовательно так, что возникающие в пластинах при ударе механические напряжения суммируются, а электрически соединенных параллельно так, что суммируются возникающие в пластинах электрические заряды с одинаковой разностью потенциалов, для чего расстояния между нанесенными на пластины токопроводящими поверхностями устанавливают такими, чтобы их значения, умноженные на значения механического напряжения и пьезоэлектрического коэффициента напряжения, были одинаковы для каждой пластины в пакете.
Указанная совокупность отличительных признаков изобретения позволяет достичь технического результата, заключающегося в:
- создании пьезоэлектрического высоковольтного генератора заряда, например, в объеме выстрела типа ВОГ-25 подствольного гранатомета типа ГП-25, преобразующего работу механического напряжения сжатия, возникающего при ударе генератора, в электрическую энергию и исключающего наличие взрывчатого вещества;
- уменьшении времени образования и увеличении значения возникающего электрического заряда в единице объема рабочего тела при высоких значениях разности потенциалов между нанесенными на пластины токопроводящими поверхностями.
Образование электрического заряда происходит одновременно во всех пластинах и может быть оценено по времени прохождения волны сжатия по пластине с наибольшим расстоянием между токопроводящими поверхностями. Разности потенциалов зарядов на токопроводящих поверхностями пластин одинаковы и равны
Способ изготовления заявляемого высоковольтного генератора. Технологический процесс изготовления высоковольтных генераторов включает изготовление:
- пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с высокими значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения и заданной для каждой пластины прочностью на сжатие;
- пакетов из пластин, механически соединенных последовательно (в столбик) так, что возникающие в пластинах при ускорении механические напряжения суммируются, а электрически соединенных параллельно так, что суммируются возникающие в пластинах электрические заряды;
- сборку высоковольтного генератора в корпусе из пористого полимерного материала, включая сборку рабочего тела из инерционной массы и пакета пластин, а также токосъемников, в корпусе из пористого полимерного материала.
2
Процесс изготовления пластин из пористой пьезокерамики для генераторов начинается с приготовления партий смесей пресс-порошка синтезированного материала и порошка порообразователя, например, кукурузного крахмала или метилцеллюлозы. Пресс-порошок синтезированного материала, например ЦТС-46, изготавливается из порошка синтезированного материала, имеющего суммарную удельную поверхность в пределах (1±0,1) м/г по прибору ПСХ-4, а размер зерен порошков органического порообразователя, например из метилцеллюлозы, Ø=6±1 мкм. Для каждой пластины партию смеси готовят отдельно в аппаратах смешения вихревого слоя (ABC), где хаотическое движение магнитных рабочих тел, например стальных иголок для патефонов, определяется вращающимся магнитным полем статора трехфазного электродвигателя. Объемное содержание порообразователя в смеси закладывается при загрузке и контролируется по величине насыпного веса смеси.
Прессование партий смесей порошков производят в пресс-формах, размеры которых учитывают усадку при спекании до 45% и необходимые припуски на механическую обработку.
Спекание заготовок проводят в свинецсодержащей засыпке по специальному температурно-временному режиму, в котором предусматривается подъем температуры со скоростью 25±3°C/ч, выдержка при температуре 450±10°C в течение 2,0±0,1 часа для выжигания связки и порошка порообразователя; спекание проводят при температуре 980±10°C в течение 3 часов.
Спеченные заготовки шлифуют по диаметру и, как чисто по плоскости, с припуском по высоте до 5 мм.
На шлифованных заготовках определяют плотность геометрически как отношение массы к объему (взвешивание на весах с погрешностью не более 0,1%, определение размеров штангенциркулем с ценой деления 0,01 мм. Итоговая погрешность определения плотности оценивается как не превышающая 1,0%. Из шлифованных заготовок выборочно, до 10% от каждой партии, изготавливают пробники, определяют электрофизические параметры и подвергают сдавливанию на гидравлическом прессе, определяя прочность на сжатие.
Заготовки партий с разной плотностью (пористостью) шлифуют в размер по высоте, определяемый на пробниках, в соответствии с вычисленными значениями.
Металлизацию плоских поверхностей пористых заготовок проводят традиционным способом, с нанесением серебросодержащей пасты через шелкотрафарет с закраинами и с вжиганием серебросодержащей пасты при значении пористости до 25%, когда пористость носит закрытый характер. На заготовках с открытой (сквозной) пористостью (больше 25%) вжиганием серебра металлизируют только контактные площадки, а затем напыляют через маску с закраинами серебро на все плоские поверхности.
Поляризацию заготовок проводят по режимам, подобранным на пробниках, например при температуре 120±3°C и напряженности поля 2,0±0,1 кВ/мм в течение часа.
Описанный способ использует известные технологии, но не обеспечивает изготовление пластин с требуемым набором параметров.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является достижение технического результата, заключающегося
в обеспечении технологических возможностей изготовления пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с высокими значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения и заданной для каждой пластины прочностью на сжатие с такими расстояниями между нанесенными на пластины токопроводящими поверхностями, чтобы их значения, умноженные на значения механического напряжения и пьезоэлектрического коэффициента напряжения, были одинаковы для каждой партии пластин.
Поставленная задача решается при использовании способа изготовления пьезоэлектрических высоковольтных генераторов, состоящих из корпуса из пористого полимерного материала с закладными электродами токосъемников и рабочего тела, включающего инерционную массу и пакет из пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с высокими значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения и заданной для каждой пластины прочностью на сжатие, причем изготовление каждой партии пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с заданной прочностью на сжатие включает операции: - приготовления пресс-порошка синтезированного материала, приготовления смеси пресс-порошка синтезированного материала и порообразователя, прессования из смеси заготовок и их высокотемпературной обработки (спекания), механической обработки, металлизации, поляризации и измерения параметров, отличающегося тем, что:
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Ж</mi></mrow><mi>k</mi></msubsup></mrow>
K
K
- партия смеси пресс-порошка с порообразователем для k-й пластины с заданной прочностью на сжатие
и пористостью P содержит порообразователь в концентрации Х, мас. %;
<mrow><msubsup><mi>К</mi><mrow><mi>у</mi><mi>с</mi></mrow><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>К</mi><mrow><mi>у</mi><mi>с</mi></mrow><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><mn>1,455</mn></mrow>
где
- коэффициент объемной усадки пьезокерамического материала
;
n/об
n/об
3
ρ - плотность порообразователя, ρ=1,2 г/см;
рг
рг
3
ρ - рентгеновская плотность пьезокерамического материала, ρ=8,02 г/см;
пр
пр
3
ρ - плотность прессовки, ρ=5,2 г/см;
k
a P вычисляется из зависимости
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Ж</mi></mrow><mn>1</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Ж</mi></mrow><mn>1</mn></msubsup><mo>≈</mo><mn>6</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>8</mn></msup><mi>П</mi><mi>а</mi></mrow>
где
- прочность на сжатие «беспористой» керамики первой, наиболее удаленной от инерционной массы, пластины,
;
6
2
а - ускорение при ударе a=(1,3÷1,5)·10 м/с;
1
1
3
3
ρ - плотность «беспористой» керамики первой, наиболее удаленной от инерционной массы, пластины, ρ=7,8·10 кг/м;
k
k
рг
k
ρ - плотность k-й пластины ρ=ρ·(1-P/100),
k
h - расстояние между нанесенными на пластину токопроводящими поверхностями,
K
k
5
- U - разность потенциалов зарядов на токопроводящих поверхностях пластин U≈10 В;
а все данные сводятся в рабочую Таблицу 1, значения параметров в которой проверяют на пробниках;
для первой, наиболее удаленной от инерционной массы пластины, значения параметров приведены в первой строчке Таблицы 1, причем параметры инерционной массы определяются из формул:
<mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><msubsup><mi>T</mi><mrow><mn>33</mn></mrow><mi>n</mi></msubsup><mo>⋅</mo><msub><mi>S</mi><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>M</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>a</mi></mrow>
0
0
n
0
; M=ρSh следовательно
<mrow><msub><mi>M</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>T</mi><mrow><mn>33</mn></mrow><mi>n</mi></msubsup><mo>⋅</mo><msub><mi>S</mi><mi>n</mi></msub><mo>/</mo><mi>a</mi></mrow>
0
0
0
n
и h=M/(PS)
0
где: ρ - плотность инерционной массы,
0
h - высота инерционной массы,
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mrow><mn>33</mn></mrow><mi>n</mi></msubsup></mrow>
- прочность на сжатие верхней пластины, прилегающей к инерционной массе (k=n=6);
n
S - площадь контактной поверхности «верхней», n-й пластины.
Примеры расчетов при изготовлении пьезоэлектрических высоковольтных генераторов.
6
2
5
Ускорение а, возникающее в пластинах при ударе высоковольтного генератора оценивается а=(1,2÷1,5)10 м/с(~10 g).
0
Пример 1. Пьезоэлектрический высоковольтный генератор для преобразования механической энергии удара в электрическую, в котором рабочее тело представляет собой инерционную массу М и пакет из пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов, причем каждой пластине соответствуют свои значения плотности, прочности на сжатие и диэлектрической проницаемости.
6
2
5
k
Пьезоэлектрический высоковольтный генератор преобразует работу механического напряжения сжатия, возникающего при ударе генератора с ускорением a=1,282·10 м/с, в электрическую энергию с разностью потенциалов зарядов на токопроводящих поверхностях пластин U=10 В.
6
2
-3
-5
Ускорению a=1,282·10 м/с соответствует изменение скорости генератора с 70 м/с до нуля на расстоянии L=1,9·10 м за 5,46·10 с.
Габаритные размеры прибора: диаметр D=38 мм, высота h<65 мм.
Эти габаритные размеры удовлетворяют посадочным размерам выстрела типа ВОГ-25 подствольного гранатомета типа ГП-25 (Фиг. 1в).
1
Характеристики поляризованного композиционного «беспористого» сегнетоэлектрического материала при значении пористости Р≈0-2,7%:
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Ж</mi></mrow><mn>1</mn></msubsup><mo>=</mo><mn>6</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>8</mn></msup><mi>П</mi><mi>а</mi></mrow>
предел механической прочности при сжатии
.
k
k
Значения прочности на сжатие и диэлектрической проницаемости каждой из пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов при значениях пористости P в диапазоне 0≤P≤30% определяют по формулам (3), (4) и (5).
Возникающие в пластинах при ускорении a механические напряжения суммируются, и их максимальные значения в пластинах составляют:
- для «верхней», n-й пластины (k=n)
- для k-й пластины
для первой, нижней, пластины
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mrow><mn>33</mn></mrow><mn>1</mn></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Ж</mi></mrow></msub></mrow>
В то же время для первой пластины максимальное значение
, и характеристики композиционного «беспористого» сегнетоэлектрического материала соответствуют приведенным выше значениям при пористости Р≈0-2,7%:
k
1
1
5
Для получения разности потенциалов U=10 В в первой пластине, при пористости Р≈0-2,7%, расстояние h между токопроводящими поверхностями составит:
Заряд
Для второй пластины
2
Это значение предела прочности на сжатие, в соответствии с формулой (5), характеризует композит с пористостью Р=8,2%, для которого основные параметры, в соответствии с формулой (3), определяются как:
33
-12
d=500·10 Кл/Н;
k
2
2
5
Для получения разности потенциалов зарядов на токопроводящих поверхностях пластин U=10 В расстояние h между токопроводящими поверхностями второй пластины поляризованного композиционного материала с пористостью Р≈8,2% будет равно
Заряд
Для третьей и последующих пластин вычисления проводят аналогично, их результаты приведены в Таблице 1.
Число пластин в приборе ограничено до 6, так как пористость пластины №7 будет более 30% и выходит за пределы действия формул (3), (4) и (5).
8
3
0
Механическое напряжение, действующее на поверхность 6-й пластины, равное 3,56·10 Па, соответствует инерционной массе М=0,315 кг, которую может создать слой материала высотой в 35,6 мм при плотности 7800 кг/м.
Общая высота рассматриваемого прибора, без учета толщины электродов, 64,4 мм, что соответствует поставленным условиям.
На Фиг. 1 приведена схема прибора по рассматриваемому примеру 1.
- направление векторов скорости и механического напряжения.
0
и
Пример 2. Пьезоэлектрический прибор для преобразования механической энергии в электрическую, отличающийся тем, что его рабочее тело представляет собой инерционную массу М пакет из пластин «беспористого» поляризованного сегнетоэлектрического материала.
6
2
5
k
Пьезоэлектрический прибор преобразует работу механического напряжения сжатия, возникающего при ускорении прибора а=1,282·10 м/с, в электрическую энергию с разностью потенциалов зарядов на токопроводящих поверхностях пластин U=10 В.
Характеристики поляризованного сегнетоэлектрического материала одинаковы для всех пластин прибора:
33
-12
d=500·10 Кл/Н;
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mn>33</mn></mrow><mi>T</mi></msubsup><mo>=</mo><mn>2000</mn></mrow>
;
3
3
ρ=7,8·10 кг/м;
СЖ
8
предел механической прочности при сжатии Т≥6·10 Па
Габаритные размеры прибора: диаметр D=38 мм, высота h<65 мм.
Так же, как в первом примере, возникающие в пластинах при ускорении а механические напряжения суммируются, и их максимальные значения в пластинах составляют:
- для «верхней», n-й пластины
- для k-й пластины
для первой, нижней, пластины
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mrow><mn>33</mn></mrow><mn>1</mn></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Ж</mi></mrow><mn>1</mn></msubsup></mrow>
1
k
5
Для первой пластины
и расстояние h между токопроводящими поверхностями, которое соответствует разности потенциалов U=10 В, определяется как
Заряд
Для второй пластины
2
2
5
Так как другие параметры второй пластины идентичны параметрам первой пластины, то расстояние h, необходимое для разности потенциалов U=10 B, определится как
Заряд для второй пластины
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mrow><mn>33</mn></mrow><mi>k</mi></msubsup></mrow>
k
k
Аналогично определяются
, h и Q для пластин с k=3, 4, 5 и 6; эти значения сведены в Таблице 2. Значения параметров для пластины с k=7
7
(h=0,157 м) превышают габаритные размеры прибора.
8
3
0
Механическое напряжение, действующее на поверхность 6-й пластины, равное 0,23·10 Па, соответствует инерционной массе М=0,02 кг, которую может создать слой материала высотой в 2,3 мм при плотности 7800 кг/м.
Общая высота рассматриваемого прибора, без учета толщины электродов,<60,1 мм, что соответствует поставленным условиям.
В устройстве, рассмотренном в примере 1 (с композиционным материалом), значения возникающего электрического заряда в единице всего объема рабочего тела в 1,13 больше, чем в устройстве, рассмотренном в примере 2 (без композиционного материала). Если сравнивать объемы сегнетоэлектрических материалов, то преимущество прибора в первом примере составит 2,28 раза.
Способ изготовления
Технологический процесс изготовления высоковольтного генератора включает три стадии.
1.) 1) Первая стадия - изготовление пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с повышенными значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения и заданной для каждой пластины прочностью на сжатие,
2) Вторая стадия - изготовление пакета из пластин, механически соединенных последовательно так, что возникающие в пластинах при ускорении механические напряжения суммируются, а электрически соединенных параллельно так, что суммируются возникающие в пластинах электрические заряды
3) Третья стадия - изготовление генератора в корпусе из пористого полимерного материала, включая сборку рабочего тела из инерционной массы и пакета пластин, а также токосъемников в корпусе.
1) Первая стадия - изготовление пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов
Процесс изготовления пластин из пористой пьезокерамики включает
2
1.1. приготовление порошка синтезированного материала, например ЦТС-46, имеющего суммарную удельную поверхность в пределах 1,0±0,1 м/г по прибору ПСХ-4;
1.2. приготовление пресс-порошка из порошка синтезированного материала;
1.3. расчет концентрации порообразователя по формуле:
<mrow><msubsup><mi>K</mi><mrow><mi>у</mi><mi>с</mi></mrow><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>K</mi><mrow><mi>у</mi><mi>с</mi></mrow><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi></mrow></msubsup></mrow>
где
- коэффициент объемной усадки пьезокерамического материала
=1,455;
n/об
n/об
3
P - плотность порообразователя, P=1,2 г/см;
рг
рг
3
P - рентгеновская плотность пьезокерамического материала, Р=8,02 г/см;
np
np
3
Р - плотность прессовки, Р=5,2 г/см;
k
а Р - пористость задается для каждой партии по значениям столбца 2 Таблицы 1 для обеспечения необходимых параметров партии пьезоэлементов.
1.4. Приготовление партий смеси порошка синтезированного материала и порообразователя в аппаратах вихревого слоя (ABC), где хаотическое движение магнитных рабочих тел, например стальных иголок для патефонов, определяется вращающимся магнитным полем статора трехфазного электродвигателя.
1.5. Прессование партий смесей порошков проводят в пресс-формах, размеры которых учитывают усадку при спекании до 20-45% и необходимые припуски на механическую обработку.
1.6. Спекание заготовок проводят в свинецсодержащей засыпке по специальному температурно-временному режиму, в котором предусматриваются подъем температуры со скоростью 25±3°C/ч, выдержка при температуре 450±10°C в течение 2,0±0,1 часа для выжигания связки и порошка порообразователя; спекание при температуре 980±10°C в течение 3 часов.
-0,1
1.7. Шлифовка спеченных заготовок по диаметру в размер 38 мм и, как чисто по плоскости, с припуском по высоте до 5 мм.
1.8. Определение плотности каждой партии заготовок геометрически, как отношение массы к объему, (взвешивание на весах с погрещностью не более 0,1%, определение размеров штангенциркулем с ценой деления 0,01 мм.)
1.9. Изготовление для каждой партии пробников, определение электрофизических параметров, сдавливание на гидравлическом прессе и определение прочности на сжатие.
1.10. Шлифовка заготовок партий с разной плотностью (пористостью) в размер по высоте, определяемый на пробниках, в соответствии с значениями столбца 7 таблицы 1,
1.11. Металлизация плоских поверхностей пористых заготовок традиционным способом, с нанесением серебросодержащей пасты через шелко-трафарет с закраинами и с вжиганием серебросодержащей пасты при значении пористости до 25%, когда пористость носит закрытый характер. На заготовках с открытой (сквозной) пористостью (больше 25%) вжиганием серебра металлизируют только контактные площадки, а затем напыляют через маску с закраинами серебро на все плоские поверхности.
1.12. Поляризация заготовок по режимам, подобранным на пробниках, например при температуре 120±3°C и напряженности поля 2±0,1 кВ/мм в течение часа.
Таким образом, отличительным признаком способа изготовления пьезоэлектрических высоковольтных генераторов, состоящих из корпуса из пористого полимерного материала с закладными электродами токосъемников и рабочего тела, включающего инерционную массу и пакет из пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с высокими значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения и заданной для каждой пластины прочностью на сжатие, причем изготовление каждой партии пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с заданной прочностью на сжатие включает операции: - приготовления пресс-порошка синтезированного материала, приготовления смеси пресс-порошка синтезированного материала и порообразователя, прессования из смеси заготовок и их высокотемпературной обработки (спекания), механической обработки, металлизации, поляризации и измерения параметров, отличающегося тем, что:
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Ж</mi></mrow><mi>k</mi></msubsup></mrow>
К
k
- партия смеси пресс-порошка с порообразователем для k-й пластины с заданной прочностью на сжатие
и пористостью Р содержит порообразователь в концентрации Х, мас. %;
<mrow><msubsup><mi>K</mi><mrow><mi>у</mi><mi>с</mi></mrow><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>K</mi><mrow><mi>у</mi><mi>с</mi></mrow><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi></mrow></msubsup></mrow>
где
- коэффициент объемной усадки пьезокерамического материала
=1,455;
n/об
n/об
3
Р - плотность порообразователя, Р=1,2 г/см;
рг
рг
3
Р - рентгеновская плотность пьезокерамического материала, Р=8,02 г/см;
np
np
3
ρ - плотность прессовки, ρ=5,2 г/см;
k
a P вычисляется из зависимости
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Ж</mi></mrow><mn>1</mn></msubsup></mrow>
где
- прочность на сжатие «беспористой» керамики первой, наиболее удаленной от инерционной массы, пластины,
6
2
а - ускорение при ударе a=(1,3÷1,5)·10 м/с,
1
1
3
3
ρ - плотность «беспористой» керамики первой, наиболее удаленной от инерционной массы, пластины, ρ - 7,8·10 кг/м;
k
k
рг
K
ρ - плотность k-й пластины, ρ=ρ·(1-P/100);
k
h - расстояние между нанесенными на k-ю пластину токопроводящими поверхностями,
К
K
5
- U - разность потенциалов между нанесенными на пластины токопроводящими поверхностями U≈10 В;
а все данные сводятся в рабочую таблицу типа таблицы 1, значения параметров в которой проверяют на пробниках; причем параметры инерционной массы определяются из формул:
0
где ρ - плотность инерционной массы;
0
h - высота инерционной массы;
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mrow><mn>33</mn></mrow><mi>n</mi></msubsup></mrow>
- прочность на сжатие верхней пластины, прилегающей к инерционной массе (k=n=6);
n
S - площадь контактной поверхности «верхней», n-й пластины.
Для первой, наиболее удаленной от инерционной массы пластины значения параметров приведены в первой строчке Таблицы 1.