АННОТАЦИЯ

Работа посвящена вопросам исследования свойств пьезоэлектрических элементов из ЦТС-19 разной геометрии (круглые пластины, кольцо и т.д.) в условиях статических нагрузок. С этой целью проведен обзор основных методов определения статических и квазистатических констант пьезокристаллических материалов, классифицированы методы измерения пьезомодулей при различных режимах нагружения. Проведено сравнение методов измерения пьезосвойств в условиях статических, квазистатических и динамических нагрузок.

В рамках работы был создан лабораторный стенд для испытаний пьезоэлементов различной геометрической формы при статическом нагружении. Экспериментально получены зависимости электрического заряда от величины силы, прикладываемой для сжатия образца, при одно- и многоцикловых испытаниях. Предложена методика расчета пьезомодулей по полученным экспериментальным данным.

Полученные результаты могут быть использованы при разработке пьезопреобразователей, работающих в условиях больших статических нагрузок,

а также при создании устройств генерации энергии.

Содержание

1 Аналитический обзор литературы 6

2 Исследование свойств пьезокерамических элементов 13

2.1 Разработка лабораторной установки 13

2.2 Динамометрэлектронный 13

2.3 ЭлектрометрKeithley 6514E 14

2.4 Механический пресс 16

2.2Экспериментальное исследование свойств пьезоэлементов 21

3 Методика определения пьезомодуляd₃₃ 26

4 Охрана труда на производстве 41

4.1 Электробезопасность 41

4.2 Пожарная безопасность 46

4.3 Освещенность 47

4.4 Производственный шум 48

4.5 Расчёт необходимого количества огнетушителей на площадь помещения. 51

4.6 Выбор вида огнетушителя. 52

4.7 Расчет количества огнетушителей. 54

4.8 Технологический процесс и требования к персоналу 54

5 Технико – экономическое обоснование 56

5.1 Определение капитальных вложений 57

5.2 Затраты на оплату труда 59

5.3 Затраты на материалы и запасные части 62

5.4 Затраты на электроэнергию 62

5.5 Затраты на воду 62

5.6 Расчет амортизационных отчислений основных фондов 62

5.7 Определение прочих расходов 63

5.8 Расчет общехозяйственных расходов 63

Заключение 65

Библиографический список 66

Исследования зависимости упругих и пьезоэлектрических параметров и внутреннего трения от механических напряжений очень немногочисленны, что объясняется методическими и экспериментальными трудностями. В то же самое время этот вопрос представляет значительный интерес, так как условия эксплуатации пьезопреобразователей часто связаны с действием больших механических нагрузок. Известно, что все параметры пьезокерамики – упругие, неупругие, пьезоэлектрические и диэлектрические – проявляют сильную нелинейность. Природа этой нелинейности в принципе ясна, однако детальные исследования проводились в основном в отношении диэлектрических и пьезоэлектрических свойств. Упругие динамические нелинейные свойства и нелинейность внутреннего трения мало изучены, что также объясняется экспериментальными трудностями.

Между тем именно данные о нелинейности неупругих параметров необходимы для реализации всех возможностей пьезокерамических материалов при разработке пьезопреобразователей, работающих в условиях больших статических, динамических и ударных нагрузок. Нелинейные свойства дают также возможность построения целого нового класса пьезопреобразователей – параметрических преобразователей, работающих на нелинейном эффекте.

Создание пьезоэлектрических текстур, управляемых механическими напряжениями, кажется весьма привлекательными также и с научной точки зрения, поскольку представляет собой удобный способ изучения особенностей пьезоупругих взаимодействий. Иначе говоря, изучение поведения динамических модулей упругости и внутреннего трения под действием одноосного сжатия является перспективным методом в физике твердого тела.

Все сказанное выше в полной мере относится также и к исследованию ползучести в пьезокерамике Несмотря на огромное число публикаций, этот вопрос остается малоисследованным. Известно что пьезокерамика обладает ярко выраженным эффектом последействия. Этот эффект многократно описан в литературе, однако последействие в большинстве случаев понимается различными авторами лишь как старение, то есть изменение параметров после изготовления, или поляризации, или после термического воздействия, в некоторых публикациях – после электростатического воздействия. Между тем последействие наблюдается после любого возмущения – механического статического, ударного воздействия, скачкообразного электростатического и т. д. В общем виде такое последействие может быть названо ползучестью. В таком виде явление ползучести применительно к пьезокерамике практически не исследовано.

Таким образом, в рамках работы стояла задача создания новых акустических методов исследования нелинейных упругих и неупругих динамических свойств пьезокерамических материалов с целью возможности управления системами, содержащими элементы из этих материалов, и более широко – создание новых методов неразрушающего контроля, пригодных для изучения нелинейных свойств и ползучести широкого класса материалов.

Были выполнены измерения модулей упругости в зависимости от величины приложенных статических механических напряжений сжатия, то есть, исследованы эффекты последействия или ползучести.

1 Аналитический обзор литературы

Пьезокерамические материалы широко используются в самых различных устройствах в промышленности, в измерительных устройствах и в бытовых приборах в качестве материалов для преобразования энергии. Определенным преимуществом синтетических пьезокерамических материалов по сравнению с природными, такими, например, как кварц, являются значительно больший коэффициент электромеханической связи, большое разнообразие физических и акустических характеристик, значительно большая дешевизна, а также возможность их производства практически в неограниченных количествах и в самых разнообразных конфигурациях. Это позволяет разрабатывать технические устройства с заданными характеристиками для конкретного применения в тех или иных условиях. Для этих устройств существует разнообразная номенклатура пьезоматериалов и постоянно появляются новые.[1]

Но по сравнению с природнымипьезоэлектриками, пьезокерамика имеет существенные недостатки, которые в отдельных случаях ограничивают ее применение, заставляя отдавать предпочтение кварцу. К числу таких недостатков относится, в первую очередь, нестабильность ее свойств, их изменение во времени после изготовления или после некоторого воздействия. Таким воздействием может быть механическое (удар, статическое сжатие или растяжение, изменение давления – гидростатического или атмосферного и т. д.), электрическое (изменение или возникновение электрического поля), радиационное, тепловое и т. д.

Физические процессы, происходящие в пьезокерамических материалах, определяют работу многочисленных классов электромеханических преобразователей. Эти преобразователи применяются в акустике, гидроакустике, средствах наблюдения за окружающей средой, приборах неразрушающего контроля, дефектоскопии, автоматики и т. д

При разработке пьезоэлектрических приборов для систем неразрушающего контроля, вибрационных датчиков, пьезоэлектрических источников питания и других приборов возникает вопрос о том, что пьезоэлектрическиесвойства должны быть определены в статическом, квазистатическом, динамическом и др. режимах[2].

В методах определения статических и квазистатических констант одним из ключевых вопросов является соотношение длительности времени внешнего воздействия и отклика от образца со временем ответной релаксации поляризованной доменной структуры.

Пьезоэлектрическая керамика проявляет значительную нестабильность, которая выражается в длительном изменении ее свойств после какого-либо воздействия. При использовании керамика подвергается механической нагрузке или в дизайне самого устройства, либо устройство используется для изменения формы, как во многих применяемых смарт-структурах, либо электронных устройств. Конструкция устройства и выбор соответствующего материала для определенного применения имеет большее значение, нежели знания о том, как свойства материала изменяются в различных условиях нагрузки. Несмотря на этот факт, константы материалов, используемые в любых расчетах, часто получают без напряжения измерительного условия, что в свою очередь может привести к неправильным или неуместным конструкциям приводов и датчиков. Поэтому важно определить свойства этих материалов в зависимости от приложенного напряжения[2].

Время установления равновесной поляризации в сегнетоэлектрике можно оценить при переключении электрического поля. В частности, для пьезокерамики ЦТС-19 равновесное поляризованное состояние при переключении внешнего поляризующего поля 16 кВ/см устанавливается в течение 8-10 c, для пьезокерамики ЦТС-33 это время равно 30-40 с. Время располяризации при нагреве до 305-308 °C составляет для ЦТС-19 также 10 с[3]. Такое совпадение не случайно и показывает, что, несмотря на различие факторов, воздействующих на пьезокерамику, общность процессов переориентации доменов обусловливает постоянство значений времени перестройки доменной структуры для данного состава пьезокерамики. Поэтому данный фактор может служить одним из критериев для оценки пьезоактивости, а, следовательно, и величины пьезомодуля. Это следует из уравнений состояния твердого:

где диэлектрическая восприимчивость.

Напряженность электрического поля связана с величиной заряда на обкладках пьезоэлемента, поэтому степень наполяризованности можно оценить по отношению величин пьезозаряда и механического усилия, значения которых напрямую связаны с воздействием на пьезоэлемент и измерения возникающего при этом пьезозаряда.

Положив в основу критерий соотношения времен воздействия и измерения, методы измерений пьезоконстант сегнетоэлектриков можно условно подразделить на следующие группы[2]:

1. методы обратного пьезоэффекта (времена воздействия и измерения достаточно велики и независимы друг от друга);

2. методы, в которых , измеряются по отклику на квазистатическое воздействие ( задается зкспериментатором и достаточно велико, равно времени стекания электрического заряда через измерительную цепь);

3. резонансно-антирезонансные методы (связь между временем перестройки ориентации и временем зависимости зависит от геометрии образца и характера режима возбужденных колебаний);

4. обратный квазистатический метод (выбор и определяется аналогично первой группе методов).

Некоторые из методов, относящихся к этим группам, описаны в работах[5,6].В результате анализа, проведенного нами, установлено, что одним из главных среди источников ошибок при измерении пьезоконстант являются нелинейные эффекты, обусловленные переориентационными явлениями.

Из уравнений пьезоэлектрического эффекта, выведенных в линейном приближении, можно получить соотношения для расчета пьезоэлектрических констант. Но в них не учитываются границы тех областей испытательных режимов, при которых сегнетоэлектрик можно считать линейным пьезопреобразователем[5].Практическийрежим работы преобразователей отличается от теоретического наличием диэлектрических, механических и пьезоэлектрических потерь, нелинейных эффектов, наложением электрострикционных эффектов. Расчет этих факторов крайне затруднителен. Погрешности пьезоконстант, возникающие из-за не учёта потерь, были оценены в работах [7,8] и оказалось, что ими можно пренебречь по сравнению с другими видами погрешностей. B частности, величина тангенса пьезоэлектрических потерь ( , для пьезокерамики ЦТС-19 равна 0,006[8]). В другой работе [7] для той же пьезокерамики эта величина равна соответственно 0,017. Вклад других видов потерь еще меньше и в целом они составляют измеряемых величин. Известны также данные по влиянию сильных возбуждающих электрических полей на величину констант пьезокерамики[9].

В отличие от этих факторов проблема учета нелинейности, вызванная действием сильных механических напряжений, играет существенную роль. В первую очередь это касается нелинейности из-за доменных переориентаций. В работе [10] для четырех составов пьезокерамики было показано, что эти эффекты приводят к изменению пьезомодуля ( на 50%).

B связи с этим возникла необходимость исследования известных методов, систематизируя их по признаку влияния на величину пьезоконстант переориентаций доменов, возникающих в процессе измерения под действием измерительного усилия.

Рассмотрим разработанную по этому признаку схему, приведенную на рисунок 1.1

Рисунок 1.1- Систематизация методов измерения пьезомодулей

Анализ методов измерения констант показал [2], что их можно разделить на две группы – методы полностью и частично исключающие влияние доменных переориентаций. Представителем первой группы является метод расчета пьезомодуля по величине межплоскостных расстояний семейства кристаллографических плоскостей, которые оцениваются по смещению соответствующего дифракционного максимума под действием электрического поля [11].Этот метод хоть и позволяет исключить погрешность от переориентационных эффектов, однако обладает небольшой чувствительностью ( ).

Во вторую группу включены статические, квазистатические и динамические методы. Среди статических наиболее известен метод, использующий процесс снятия механической нагрузки, в течение которого измеряется пропорциональная пьезомодулю величина накапливаемого на электродах образца пьезозаряда [12].В этом методе точность измеренияпьезомодуля составляет , a чувствительность . К этой жегруппе может быть отнесен метод, реализованный в устройстве для измерения пьезомодуля, в котором предусмотрена возможность изменения режима нагружения[13], что позволяет несколько снизить погрешности. К статическим относится еще один подкласс методов, в которых нагружение осуществляется путем прямого механического удара. Класс квазистатических методов можно подразделить на два подкласса: во-первых, методов, использующих утечек пьезозаряда, и, во-вторых реализующих квазистатическоенагружение механическими способами. В первый подкласс входит метод, реализующий схему с эталонным конденсатором для перетекания пьезозаряда[12].

В ряде зарубежных работ [16,20] напряжения диэлектрических и сегнетоэлектрических свойств были исследованы у нескольких перовскитов на основе материалов, таких как BaTi (BT), Pb( (PZT), Pb( ) (PMN) , PZT-BT, PMN-PZT, и Pb( ) (PZN)-PZT, PbTi (PT). Так PMN-PТ практически во многих электромеханических устройствах используется керамика, что изложено в докладах [19,22] об электромеханических свойствах электрострикционной 0.9PMN-0.1PT и пьезоэлектрической 0.7PMN-0.3PT керамики в рамках различных механических и электрических состояний загрузки. Кроме того, предыдущие исследования [19,22] о влиянии приложенного напряжения на диэлектрические свойства керамической системы PMN-PТ также показали, что наложение напряжения сжатия значительно снижает как диэлектрическую постоянную, так и тангенс угла диэлектрических потерь керамики 0.9PMN-0.1PT, в то время как изменения не были столь значительным в другой (PMN-PТ) керамической композиции. Результаты ясно показали, что последствия сжатия на диэлектрические свойства существенно зависят от химического состава керамической композиции и уровня сжатия. Ранее многие исследования [16-22] также объяснили электрические свойства сегнетоэлектрической керамики под влиянием напряжения сжатия, приложенного перпендикулярно электрическому полю. Тем не менее, не было систематического исследования о влиянии прикладываемого напряжение сжатия на сегнетоэлектрические свойства керамики в системе PMN-PТ.

Из изложенного выше следует, что квазистатические методы позволяют определять статические пьезоконстанты с наименьшими по сравнению с другими методами погрешностями, причем основная часть их возникает из-за трудно учитываемых утечек пьезозаряда, возникающего на электродах испытуемого образца при действии на него измерительного усилия.Таким образом, цель данного исследования является определение сегнетоэлектрических свойств керамики типа ЦТС-19 в зависимости от сжатия.