2.5.1. Применение эффекта электрострикции
Эффект широко применяется в электростикционных преобразователях. Достоинства электростикционных преобразователей состоят в высокой чувствительности, равномерной частотной характеристике и низком уровне собственного шума, а также в малой температурной зависимости свойств (чувствительности, резонансной частоты, электрического импеданса и т.д.). Их недостатки - сравнительная сложность конструкции и необходимость применения согласующих каскадов в непосредственной близости от капсуля микрофона: малая емкость конденсатора (несколько десятков пикофарад) и большое сопротивление нагрузки исключают возможность присоединения электростикционного преобразователя к усилительному устройству кабелем даже малой длины, т.к. в этом случае чувствительность резко падает в результате того, что емкость микрофона шунтируется емкостью кабеля. В качестве согласующих устройств используются либо катодные повторители на миниатюрных электронных лампах, либо каскады, выполненные на полевых транзисторах.
Рис. 2.29. Схема работы устройства контроля электропроводности
Эффект электрострикции применяется в электростикционных преобразователях, примером этого служит устройство контроля электропроводимости среды (рис. 2.29).
К устройству подключен стрелочный вольтметр. При подаче напряжения жидкость втягивается в зазор конденсатора. В качестве жидкой среды лучше брать чистое касторовое масло, в котором для визуализации взвешены окрашенные пластмассовые частицы. Зазор в конденсаторе - порядка сантиметра, размер пластин - порядка 10 сантиметров. Подаваемое напряжение - 5-10 кВ. Наблюдаем течение на краях пластин при подаче и снятии напряжения.
Для увеличения чувствительности электростикционных преобразователях на неподвижном электроде делают канавки или выемки и повышают поляризующее напряжение U0, однако величина U0 ограничена опасностью электрического пробоя между обкладками конденсатора и возможностью залипания мембраны в результате ее прогиба из-за действия электрических сил. ОбычноU0 не превышает 250 В. Электростикционные преобразователи могут работать и без поляризующего напряжения. Это достигается применением в устройствах материалов, несущих на себе постоянный электрический заряд (электреты). Электретная полимерная пленка помещается в зазоре между электродами. Свойства полимерных электретов позволяют обеспечить стабильную работу микрофонов в течении десятков лет при заряде, соответствующем напряжению 150В.
В диапазоне звуковых частот чувствительность электростикционных преобразователей колеблется в пределах 5-50 мВ/Па. При динамическом диапазоне 10-150 дБ. У более высокочастотных электростикционных преобразователей (известны миниатюрные электростикционные преобразователи с линейной характеристикой вплоть до 100-140 кГц) чувствительность снижена до 0,5-3 мВ/Па, зато они могут работать в полях со звуковыми давлениями до 174-184 дБ.
Разновидностью электростикционных преобразователей являются акустические зонды, предназначенные для измерений в малых объемах и труднодоступных местах. Для этого служат трубчатые звукопроводы. Такие зонды могут выполняться как обычные конденсаторные микрофоны, но снабжены трубчатыми насадками разной длины и диаметра, либо иметь "бесконечную" длинную линию, обеспечивающую режим бегущей волны в приемной трубке с целью устранения в ней нежелательных резонансов.
Электростикционные преобразователи предназначенные для измерения колебаний поверхностей твердых тел, устроены, в принципе, аналогично электростикционным преобразователям для воздушной среды, только подвижным электродом служит сама колеблющаяся поверхность тела, амплитуду колебаний которой необходимо измерить. В таких электростикционных преобразователях чаще применяется способ измерения амплитуды колебаний, основанный на частотной модуляции. Детектируя полученный высокочастотный сигнал, можно определить частоту и амплитуду колебаний вибрирующей поверхности.
а) б)
Рис.2.30. Схематическое представление структуры
полимерного геля и полиуретанового эластомера
Рис.2.31. PUE - актюатор монофорфного типа
Рис.2.32. Магнитные характеристики PUE актюатора
Как обнаружили японские ученые (совместная работа сотрудников Nara National College of Technology; Nitta Corp.; Matsue National College of Technology), пленки полиуретанового эластомера (PUE) проявляют эффект электрострикции аналогично полимерным гелевым материалам, на основе которых уже предложено много различных движущих устройств. В полимерных гелевых материалах используется изменение объема геля, и эффект значителен, однако отклик - замедленный из-за участия ионного растворителя.
Авторы синтезировали пленки эластомера, аналогичные гелевому материалу без растворителя. Как видно из рис. 2.32, молекулярная структура эластомера состоит из гибких и жестких сегментов, и полимерная цепь сама может заменить ионные растворители. Авторы предлагают актюаторы, состоящие из пленок PUE и Al или Au электродов, нанесенных на обе стороны пленки (например, методом термического испарения или ионной имплантации). Для того, чтобы понизить рабочее напряжение (обычно более 1кВ), в пленку был добавлен фуллеренол, являющийся производным фуллерена с гидроксильными группами (предположительно С60 содержит 10 -12 групп). Было обнаружено, что PUE-пленки проявляют эффект электрострикции и растягиваются под действием, приложенного электрического поля. Механизм растягивания можно связать с конформационными изменениями, обусловленными ориен-тацией множества полярных групп гибких сегментов молекулярных цепей вдоль электрического поля. Из-за наличия с двух сторон тонких пленочных электродов пленка PUE изгибается (рис.2.33).
Рис. 2.33. Фотография «работающего» PUE-актюатора
Смещение пластины работающего актюатора при приложенном высоком напряжении также очень велико.
Меняя толщину одного из электродов, можно управлять направлением изгиба (актюаторы всегда изгибаются в направлении более толстого электрода). Однако если электроды имеют одинаковую толщину около 200нм, все актюаторы изгибаются в сторону катода. Поскольку PUE-актюаторы толщиной 100-400мкм работают при приложенном напряжении более 1кВ, их очень сложно использовать в качестве искусственной мышцы. Тут и помогли производные фуллеренов. Оказалось, что при добавлении 0.25вес.% фуллеренола смещение при электрическом поле 15кВ/см увеличивалось в три раза (как и в случае обычной пленки наблюдалась квадратичная зависимость деформации от приложенного электрического поля, т.е. эффект электрострикции). Интересно, что при добавлении фуллеренов смещение, наоборот, стало очень небольшим по сравнению с обычной PUE-пленкой. Очевидно, гидроксильные группы добавленных в жесткие сегменты звездчатых фуллеренолов способствует образованию поперечных связей в трех измерениях, и кажущаяся длина молекулярной цепи в PUE-пленке возрастает.
Это приводит к эффективному растягиванию при более низком напряжении. Ученые синтезировали три типа фуллеренолов с разным количеством гидроксильных групп и убедились, что актюатор с добавкой большего числа этих групп при той же концентрации фуллеренола изгибается более сильно. Чтобы прояснить связь между растягиванием пленок и механизмом изгиба актюатора, исследователи импульсным электроакустическим методом измерили пространственное распределение заряда в PUE-пленках с добавками фуллеренола и пленок полиэтилентерефталата (PET). Оказалось, что пространственные заряды двух пленок резко отличаются. Если в пленках PET разноименные пространственные заряды имеются соответственно около катода и анода, то в PUE-пленках с добавками фуллеренола при приложении напряжения и отрицательный, и положительный пространственные заряды имеются около катода.
Происхождение зарядов обусловлено ориентированными полярными группами гибких сегментов. Это подтверждает предположение о том, что растягивание PUE-пленках основано на конформации молекулярных цепей. Последние около катода испытывают взаимное притяжение, обусловленное отрицательным и положительным зарядами, и PUE-пленкам с добавками фуллеренола всегда изгибаются в сторону катода. Для определения индуцированной силы к PUE-пленкам толщиной 100, 200 и 400мкм были приложены нагрузки от 100мг до 1г. На рис. 2.32 показана зависимость между изгибающим смещением для PUE-фуллереноловых актюаторов и индуцированной силой для трех разных толщин пленок при нагрузке 500мг. Актюатор толщиной 200мкм является самым сильным (опыты показали, что он может поднять груз до 700мг). В настоящее время авторы изучают добавление в PUE-актюаторы углеродных нанотрубок с гидроксильными группами. Как и в случае с фуллеренолом, изгибание растет при увеличении количества гидроксильных групп. Для актюатора с углеродными нанотрубками эффект при низком электрическом поле даже больше, чем для актюатора с добавками фуллеренола такой же концентрации. Согласно опытным данным, линейные нанотрубки являются более эффективными для поперечных сшивок полимерных цепей, чем сферические фуллеренолы.