Способ поляризации пьезокерамических материалов

 

О П И С А Н И Е <„,788230

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Респубпии (6! ) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено22Л 2 78 (21) 2705l 26/18-25

{53)M. Кл.

Н 01. L 41/22 с присоединением заявки,%

Гасударственный кемнтет (23) Приоритет—. СССР

Опубликовано l5.l2.90. Бюллетень ¹48

Дата опубликования описания18.12.80 дO делам наабретекнй и аткрытнй (53) УДК5З7.

-228Л (088.8) О. П. Крамаров, А. И. Сокалпо, В. А. Хренкин, (54) СПОСОБ ПОЛЯРИЗАЦИИ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ

МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к производству пьезокерамических элементов и преимущественно может быть использовано для поляризации крупногабаритных заготовок сложной формы и заготовок с переменным

5 межэлектродным расстоянием из пьезоматериалов с температурой Кюри выше

450 С, а также из материалов с высокой проводимос тью.

1О

Известен способ поляризации пьезокерамических материалов, предполагающий переход из параэлектрической в сегнетоэлектрическую фазу при одновременном приложении и поддержании оптимального значения тока jl) .

Однако этот способ непригоден для поляризации материалов с высокой проводимостью и с температурой Кюри выше

450 С, так как эти материалы неравномерно разогреваются током, протекающим при поляризации. Поэтому режим поляризации по току задается более разогретым участкам пьезоэлемента.

Известен также способ поляризации пьеэокерамики путем нагрева пьезоэлемента до температуры, превышающей температуру Кюри, с последукяцим охлажде кием его в электрическом поле. Причем образец сначала нагревают до 400-50д С, а затем охлаждают до температуры, превышающей температуру Кюри не менее чем на l0 С, подле чего вктпачают поля-, о ризуюшее поле 2 кВ см f23 .

Недостатки этого способа заключаются в том, что пьезокерамика с ростом температуры снижает электрическое сопротивление, и, хотЫ поляриэуюшее поле относительно невелико, оно вызывает ток проводимости тем больший, чем меньше удельное сопротивление материала. Выделяемая при этом мощность на пьезоэлементе вызывает дополнительный его разогрев, что еше больше снижает электрическое сопротивление и при неизменном напряжении на нем, Это приводит к увеличению выделяемой мощности на пьезоэлементе, что в свою очередь ведет режимов поляризации (кривые а и б) кольцевой заготовки из материала ЦТС-23, а также зависимость изменения коэрцетивной силы Е от температуры; на фиг. 4 и 5 — йьезоэлементы в форме цилиндра и призмы соответственно, поляризованные предложенным способом.

Установка содержит нагревательную камеру 1 с помещенной в нее заготовкой в держателе, устройство 2, задающее вольтамперную характеристику поляризуемой заготовки, источник 3 постоянного высокого напряжения. Пьезоэлементы (фиг. 4 и 5) имеют следующие геометрические размеры:

9 18мм -15 мм К = 2мм, 4 22 мм, — l4 мм, И вЂ” 7мм, К =7мм, 8 -60мм;

Сйособ поляризации осуществляют следующим обРазом.

Заготовку, изготовленную по керамической технологии, закрепляют в держатель и нагревают до температур, превышающих Т не менее, чем на 70 С.

По,токоведущим частям держателя через заготовку пропускают постоянный электрический ток плотностью 0,1-10wol см в зависимости от материала заготовки, затем охлаждают ее вне печи до 5060 С со скоростью не менее 50 мин.

Скорость охлаждения ограничена снизу возможностью развития теплового пробоя, а сверху - механической прочностью материала (конкретной для каждого типоразмера). Одновременно уменьшают ток поляризации и увеличивают напряжение на заготовке так, чтобы максимум выделяемой мощности находился при температурах (0,7-0,95) Т .

Рассмотрим поляризацию кольцевой заготовки из материала UTC-23, имеющую следующие геометрические размеры:

Р -20 мм, д =14 мм, Ь 2мм. о

Заготовку нагревают. до 500 С и пропускают через нее ток плотностью 3,dna си

45 В процессе охлаждения устройство 2 уменьшает ток поляризации и одновременно увеличивает напряжение на поляризуемой заготовке. Зависимость напряжения поляризации от тоха поляризации

5О и напряженности поляризующего поля от температуры (фиг. 2 и 3} фиксируются самописцем. По полученным данным определяют зависимость мощности, выделяемой на пьезоэлементе от температуры поляризации (фиг. 3). На основании этой зависимости устройство 2 настраивается таким образом, чтобы максимум выделяемой мощности на поляризуемом

3 788230 ф к дальнейшему разогреву и развитию теплового пробоя или образованию токовых шнуров, которые резко ухудшают электрофизические свойства поляризуемого пьезоэлемента, например пьезомодуль Bq диэлектрическую проницаемость 8 тангенс угла диэлектрических потерьtgd удельное сопротивление Я и т.д. Кроме того, предварительный разогрев заготовки до 400-500 С и его охлаждение без

О приложения электрического поля приводит к "омолаживанию" пьезоматериапов, что отрицательно сказывается на временной стабильности поляризованного состояния.

Материалы, имеющие высоку|о удельную проводимость (UTCC-1, UTC-23 т т.д.) в районе фазового перехода, не могут быть эффективно поляризованы этим способом. Материалы, имеющие высокую температуру Кюри (600 С, 900 С и выше), . не могут быть эффективно поляризованы этим способом вследствие недостаточности прогрева (50Я. } и используемого поляризующего напряжения

2 кВ см ", а также в связи с высокой проводимостью материалов при этих температурах. Этим способом не могут быть эффективно поляризованы крупногабаритные заготовки и заготовки с переменным межэлектродным расстоянием.

Цель изобретения — улучшение пьезоэлектрических параметров пьезоэлементов, расширение номенклатуры поляризуемых материалов, обеспечение возможности поляризации крупногабаритных заГотовок и заготовок сложной формы с переменным межэлектродным расстоянием.

Поставленная цель достигается тем, что пьезокерамическую заготовку нагревают до температуры, превышающей температуру Кюри не менее . чем на

70 С, затем пропускают через нее по0 стоянный электрический ток плотностью

О,l-l0niy.см и охлаждают со скоростью не менее 50 мин, причем одноO/ временно уменьшают ток поляризации и увеличивают напряжение на заготовке: так, чтобы максимум выделяемой мощности находился при температурах (0,70,95) Т где Т - температура Кюри материала..

На фиг. l представлена блок-схема ч поляризационноя установки; на фиг. 2— зависимость напряжениями поляризации от тока 3 поляризации; на фиг. 3 — за55 висимость поляризующего поля Е и мощности Р,выделяемой на поляризуемом пьезоэлементе, от температуры для двух

7882

Таблица

Пьезомод ль

+yy ° 1.0 ед.

СГСЕ

Продолжительностьь (Ф ),мин

Напряжение поляризации

Плотность тока (1) t5 Q СМР (Qpp ),В

UTC-23

0,02-2000 2

3,0 В 20

ol

UTC-23

Э 20 б 14

0,02-2000

7,5

500

3,7

Пьезомо-6 с) у lO ед

СГСЕ

Примечание

H апряжение поляризации (u„), В

Продолжитель нос ть (t ), мин

Температура поляризации, 0С

Плотность, тока (J) а

Woi. см

Состав, размеры, режим

0,4

6-1 0 О, 0 2-4000

750-60

0,25

1 0 0,02-4000

5,0 0,02-4000

6-1 0 0,02-3000

l l 0,02-1 00

0,2

Пробит

Пробит

730-60

750-50

0,5

ТВ-l

2,5

0,01 2500

l,5

650-50 5-7

2,0

7 0,01-2500

4,0 . 0,01-2500

8 0,01-50

5-7 0,01-1 500

1,7

Пробит

Пробит

l,5

0,3

650-50

5 пьезоэлементе находился в пределах (0,7-0;95) Т, что обеспечивает оптимальность пьезоэлектрических параметров пьезоэлемента. Из зависимости коэрцитивной силы и поляризующего поля от температуры (фиг. 3) видно, что нагрев пьезоэлемента до температуры, превышающей температуру Кюри не менее чем на 7(УС (кривая б), является достаточным для увеличения напряженности поляризующего поля на пьезозаготовке в про. межутке температур (0,7-0,95)Т по

Состав, разме- Температура ры, мм, пьезо- поляризации, элементов ьс

В табл. 1 и 2 приведены различные режимы поляризации и соответствующие

ТВ-1

Р 12х30

Т 660+10 С 720-60 с

750-60 ф 1 2хl 2 630-50

Т 560+ 10 С 650-50

650 -50

30 6 срайнению с величиной коэрцптивной силы материала. При этом максимум выделяемой мощности на пьезоэлементе также находится в указанном промежутке температур. В отличие от вышесказанного, 0 прогрев заготовки до 350 С и подача поляризуюшего поля (кривая а) при этой температуре не дает желаемого результата, так как величина напряженности поляризующего поля остается ниже коэрцитивной силы, что приводит к уменьшению пьезочувствительности (см. табл.l). нм значения пьезомодуля (д yy ) для заготовки из высокотемпературных материалов.

Оптимальный режим

Тс+ 60 С

) с,6упО см

ы

Оп,WO / мин

g >10тьс см

Оптим альпы и режим

Т+ 6(5С

Г

j r. 5rna ° см

3.7 7и н ° см J0õ 50 /м

7 788230 8

Табл. 3 и 4 иллюстрируют режимы высокой и низкой проводимостью сооти результаты поляризации материалов с ветственно.

Таблица 3

450-60 3-5 0,01 4000

1 3,0

ЦТС-Б

0,01-4000

0,01-200

0,01-4000

450-60 3-5 0,01-2000

ЦТС-23 500-50

2-4 0,01 2000

0,01 2000

380-50

7х7х60

T 320+ 10 С

500-50 5 0,01-1 00

500-50 1,5 0,01-2000

500-50 2-4 0,01-1 000

0,01-7000

ЦТСС-1

400-50 2-5 ф 1. Ox 1 0 330-50

Т 260 + 1 0 С 400-50

400-50

0,01-7000

l,5 0,01 — 7000

0,01-1000

0,01-4000

2-5

400-50

Таблица4

4 20х4 350-60 1 0

Тс 20(Й10 С 400-60 1 5

400-60 0,05

0,5

400-60 0,2

200-50

TEK-3 ф 10хl

Ч 10+10 С

l 70-50 1,0, 0,01-1 200

200-50 1,2

200-50 0,05

200-50 0,2

0,01-0,5

0,01-1 200

0,01-600

Ф 20xlo 410-60 5, Тс 350 1(РС 450-60 ° 6

450-60 2,5

0,01-4000

0,01-300

0,01-4000

0,91-30ОЭ

0,01-1 200

Оптимальный режим

1 2 5 Т 60ÎÑ

0,1 Пробит j > 5жа см

1 1,0 3 с.3òïà см

l 0 Пробит 0 (50 /мин.

3 7 5 Оптимальный режим

3 5 Т +60С

0,5 Пробит g >4 ад см

4 J (2m см

lO Пробит U(<(50 /мин

Оптимальный режим

Тс+ 60 С

P(2ъюа см

0,5 Пробит g >5 a см

7 Пробит U, 50 мин режим

40 Т + 60 С

Пробит g > 1мосм

4 g 4 0,1vea см" ЫHT охл 50 / мин

l 4,5 Оптимальный режим

4.0 Тс+ 60 С

0,2 Пробит g > 1тт а см 1 3 g C O,1>ea см

3 Пробит Оох лс50 / мин

788230 10 сложную форму (см. фиг. 4 и 5) приве— дены в табл. 5.

) Таблица5

1ITCC-l 400-50

2-5 0,02-2000

Оптимальный режим

Тс+ 60 С) у 1,0mB см

g > 2,0vn0I см

Мохи 50, мин

0,45

Т 270 10 С 340-50 5,0 0,02-2000 с

400-50 6 0,02-100

0,4

Пробит

400-50

400- 50

l 5 0,02-2000

2-5 0,02-1 500

0,3

Пробит

500-50

Оптимальный режим

Т+ 60 C

) > 4ва см"

) (2ьасм

0 <50 /мин

2-4 0,01-2000

0,46

I1TC-23

Т 320++10 С 380-50 с

500-50

0,40

Пробит

4 0,01-2000

5 0,01-200

1,5 0,01 — 2000

2-4 0,01-1000

0,5

500-50

500-50

0,37

Пробит

Из таблиц 2 — 5 видно, что диапазон 30

-1 значения плотности тока (0,1-10ва см ) выбран с целью поляризации широкого круга пьезоматериалов, имеющих различную проводимость при температурах, превышающих Т на 70 С. Сверху выбранО ный, диапазой ограничен тепловой прочностью в результате электрического старения ., Таким образом, предлагаемый способ позволяет поляризовать образцы практически иэ любых пьезоматериалов, а также крупногабаритные изделия и иэделия сложной формы с переменным межэлектродным расстоянием. При этом улучшаются пьезоэлектрические параметры поля ризуемых элементов.

Преимушество предлагаемого способа состоит также в том, что не требуется применения мощных высоковольтных установок напряжением 70-100 кВ, до50 статочно ограничится источником в 10кВ.

Возможно смешение процесса поляризации и вжигания металлических электродов.

Форм ула изобретения

Способ поляризации пьеэокерамических материалов путем нагрева пьезоэлемента до температуры, превышающей темпераДанные lIo режимам и результатам поляризации пьезоэлементов, имеющих туру Кюри, с последующим охлаждением его в электрическом поле, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью улучшения пьезоэлектрических параметров, расширения номенклатуры поляризуемых материалов, и обеспечения возможности поляризации крупногабаритных заготовок и заготовок сложной формы с переменным межэлектродным расстоянием, пьезокерамическую заготовку нагревают до темпе- ратуры, превышающей температуру Кюри не менее чем на 70 С, затем пропускают о через нее постоянный электрический ток плотностью 0,1-10vna. cM" - и охлаждают

О, со скоростью не менее 50 ./ мин, причем одновременно уменьшают ток поляризации и увеличивают напряжение на заготовке так, что максимум выделяемой мощности на пьезоэаготовке находился при температурах (0,7-0,95)T, где

Т вЂ” температура Кюри пьезом атериала.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США М. 274171, кл. 29-25,35, опублик. 1953.

2. Авторское свидетельство ; СССР

И 182428, кл. В 06 B 1/06, 1966 (прототип) .

788230

Составитель Т. Шукина

Техред Н.Баб урка - Корректор Н. Швыдкая

Редактор К). Петрушко

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 8365/62 Тираж 844 Подписное

ВНИИПИ. Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушсхая наб., д. 4/5