730

Действие максимального статического напряжения сжатиясж = 150 МПавызываетувсехсоставовпотерюихрезонансныхиантирезонансных частот,т.е. потерюпьезосвойств.

Восстановление пьезосвойств после снятия статической нагрузки происходит медленно: для ЦТБС-3 спустя 180 сут «отдыха» величина механической добротности Qм составила 6 %, акоэффициентаэлектромеханическойсвязиКр –20 %отихисходныхзначений;втовремякакQм иКр дляПКЦТС-19послетакойженагрузкивосстанавливаютсяполно- стьюпосле170 сут«отдыха».

Таким образом,результатыисследованиястаренияПКсистемыЦТС свидетельствуетотом, чтопринадлежностьсоставаПКкопределенной категориисегнетожесткостинеимеетоднозначнойсвязисееустойчивостью кдлительным электрическим имеханическим напряжениям.

Литература

1.Данцингер А.Я., Разумовская О.Н., Резниченко Л.А., Дудкина С.И. Высокоэффективные пьезокерамические материалы. Оптимизация поиска: Справочник. Ростов н/Д, 1994. С. 30.

2.Гавриляченко В.Г., Решетняк Н.В., Резниченко Л.А., Семинчев А.Ф., Дудки-

на С.И. Электрическая усталость в сегнетоэлектрических твердых растворах // Пьезотехника-97: Сборник. Ростов н/Д, 1977. С. 292–296.

3.Плетнев П.М., Ланин В.А. Старение пьезокерамики системы ЦТС под действи-

ем внешнего электрического поля // Огнеупоры и техническая керамика. 2005. № 6. С. 1.

УДК 666.654.:546.43

3.6.РЕЗОНАНСНЫЕ СВОЙСТВА И САМОРАЗОГРЕВ

ПЬЕЗОКЕРАМИКИЦТС-19 ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И

МЕХАНИЧЕСКИХНАПРЯЖЕНИЙ*

Исследована зависимость амплитуды радиальных колебаний пьезодисков ЦТС-19 и степень их саморазогрева под действием переменного электрического напряжения звуковой частоты. Изучены резонансные и температурные эффекты для свободных и механически нагруженных образцов. Выявлены изменения в резонансных характеристиках пьезодисков после их длительного старения в полях электрических и механических напряжений.

Большинство пьезоэлектрических преобразователей (ультразвуковые излучатели и приемники, пьезотрансформаторы, пьезодвигатели, узкополосныефильтры и т.д.) работают в резонансных режимах, когда частота возбуждающего электрическогонапряжения близка к одной из собственных частотмеханическихколебанийпьезоэлемента.Наборта-

* Ланин В.А., Плетнев П.М. Материаловедение. 2007. № 7. С. 41.

131

ких частот различен для разных типов (мод) колебаний (толщинные, радиальные, изгибные) и зависит от механических констант материала пьезокерамики(ПК), геометрииобразцаиспособаегозакрепления. Как правило, пьезоустройство работает на основной (низшей) резонансной частоте cоответствующей колебательной моды снаибольшей амплитудой.

Амплитудно-частотные характеристики пьезокерамических образцов, не подверженных внешнему механическому воздействию, изучалисьэкспериментальноитеоретически(моделирование)врядеработ. В работе [1] исследована зависимость резонансной амплитуды изгибных деформаций консольно защемленных пьезопластин керамики марок ЦТС-19,ПКР-1,ПКР-8отвеличинывозбуждающегоэлектрическогона- пряженияитемпературы;выявленхарактерееизмененияприпредварительном «старении» пьезообразцов в ступенчато-нарастающем электрическом поле.

Автор [2] исследовал локальное распределение температур вдоль поверхности тонких (h =2 мм) пьезодисков ЦТС-19 и ЦТС-23 при их резонансном возбуждении на основной радиальной моде колебаний. Исследованияпроводилисьвсвязисвозможностьюиспользованияпьезоустройств для измерения статических усилий. Следует отметить, что возбуждающееколебанияпьезодискаэлектрическоеполеиизмеряемое усилиесжатиябылималымиповеличине(Е~ 15В/мм, F 20Н);кроме того, длительностьихвоздействиябыламенееполучаса.

Вконтексте проблемы изучения вынужденногостарения пьезокерамики системы ЦТС под действием переменного электрического поля и механическогонапряжениясжатия[3]представлялоинтересисследование резонансных и температурных эффектов для пьезокерамических образцовприболеевысокихзначенияхЕ~и сж идлядлительногопериода ихвоздействия.

Методика эксперимента

ОбъектомизучениявыбраныпьезодискикерамикиЦТС-19(d = 20 мм, h= 0,75 1,00 мм). Времяпослеихполяризациисоставлялоболееполугода,такчтопроцессыинтенсивногоестественногостаренияПКпрактически были завершены.

Ранее нами установлено [3], что стабильность основных диэлектрических( иtg )ипьезопараметров(d31,Кp, Qм)ПКЦТС-19(иихобрати- мость) при длительном старении сохраняется вплоть до значений Е~ ~300 В/мм (f = 1 кГц) и сж ~ 40 МПа. Поэтому характер изменения резонансных свойств пьезодисков изучался в диапазонах величин Е~ исж,непревышающихэтипределы.

132

Для измерения амплитуды радиальных колебаний пьезодисков использоваласьстандартнаяголовказвукоснимателя, иглакоторойфиксировалась на поверхности образца в пучности стоячей звуковой волны. Примеханическинагруженныхобразцахонаустанавливаласьнаповерхность тонкого латунного электрода-шайбы, через которую передавалось давление пуансона пресса. Синусоиидальный электрический сигналзвукоснимателяизмерялсямиливольтметромипараллельнонаблюдался на осциллографе. При одинаковой чувствительности звуковой головки в диапазоне частот f = 1 50 кГц величина этого сигнала (в мВ) пропорциональнаамплитудемеханическихдеформацийколеблющегосяпьезообразца. Данныйметодпозволяет измерятьнеабсолютноезначениеамплитуды колебаний (в мкм), а ееотносительную величину, что вполнеприемлем для целей данногоисследования.

Для измерения температуры пьезодиска использовалась хромель- капелеваятермопарасплоскимспаем–электродом(толщинаd 0,15 мм). Спай прижимался к поверхности образца верхним пружинящим латуннымэлектродом(длясвободныхобразцов),либопуансоном(дляобразцовпод механическойнагрузкой). Cаморазогревобразцов ПКисследовалсявдвухрежимах:

свободного теплообмена;в условиях ограниченного теплообмена.

Во втором случае образец с электродами теплоизолировался от металлическихчастейустановкипосредствомтеплоизоляционныхпрокла- док-дисковтолщиной~5ммиз алюмооксиднойкерамики(коэффициент теплопроводности = 0,167Вт/(м·К)).

Для свободных и механически нагруженных образцов изучались частотнаязависимостьамплитудыпьезоэлектрическихколебанийвблизи резонанса и температура их саморазогрева при фиксированной напряженностиэлектрическогополя. И,наоборот, нарезонанснойчастоте исследоваласьзависимостьуказанныхвеличинотнапряженностиполя.

Результаты эксперимента и их обсуждение

Резонансныеэффекты.Нарис. 1показанвидрезонансныхкривыхдля дисков ЦТС-19 при напряженности электрическогополя Е ~ =180 B/мм (U~ = 125B) дляcвободных (кривая1)идля механическинагруженных образцов сж =15МПа (кривая2).

Наиболее выраженные резонансы для свободного и сжатого образцовсдвинутыотносительнодругдругаилежатвдиапазонеfp 10 15кГц. Наличие ряда слабых побочных пиков, так называемых «паразитных резонансов» (вблизи основного резонанса) скорее можно отнести к смешениюразличныхколебательныхмод.Согласноавторамработы[4] ихвозбуждениевозможносвязаноснеидеальностьюформы пьезокера-

133

мическогодискаиотсутствиемрадиальнойсимметриивраспределении механической нагрузки поповерхности диска. Крометого, из-за неравномерности локального разогрева различных участков диска при его колебаниях возможны и внутренние несимметричные механические напряжения.

Рис. 1. Резонансные кривые радиальных колебаний пьезодисков ЦТС-19 в переменном электрическом поле

На фиксированной резонансной частоте fр =10 кГц для свободного образца изучалась зависимость амплитуды колебаний в резонансе от переменного электрического напряжения (рис. 2). С напряжения U~ 200 В(Е~ 290В/мм)ростамплитудызамедляетсяикриваявыходит нагоризонтальноеплато,т.е. проявляетсяэффект«насыщения»поэлектрическомуполю.Подобныйхарактеризмененияамплитудырезонансных колебаний пьезокерамических пластин в переменном электрическом поле звуковой частоты наблюдали авторы работы [1]. По мнению авторов этосвязаносразогревом образцапри колебаниии ухудшением его механической добротности Qм.

Приведенныевышезависимости(см.рис. 1и2)относятсяккратковременномувоздействиюЕ~ и сж ( 5 10мин). Этовремядостаточно для установления теплового равновесия образца с внешней средой.

ДлительноестарениеПКподдействием Е~ и сж можетотразитьсяна резонансных свойствах пьезодисков, поэтому необходимо было иссле-

134

довать поведение параметров пьезодисков при длительном воздействии механическихи электрическихнапряжений. СтарениеПК ЦТС19 на резонансной частотепроводилось в комбинированном режиме: U~ 200 В+ сж 7,5МПа.Приэтоммеханическаянагрузкадействовала постоянно ( = 300 ч), а электрическое напряжение прикладывалось периодически: 12 ч в поле, затем 12 ч «отдыха»; суммарное время электрическоговоздействия составило Е = 70ч.

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют, что на начальном этапестарения резонансная частотаиспытывает небольшой «дрейф» вблизи fр 9 кГц в сторонуменьших частот, в дальнейшем ее значениестабилизируется. Амплитудаколебанийпьезодисказапервые 100 часстарения уменьшилась на 60 % от первоначального значения; в дальнейшемееизменения невелики: после200 ч старения ПК (из них ~ 45 час в электрическом поле) изменения амплитуды не превышали

±5%.

Саморазогревпьезодисков

Степень разогрева пьезоэлемента при его резонансных колебаниях (для определенных температурных внешних условий) важна с точки зрения выбора оптимальных температурных диапазонов, внутри которых рабочие характеристики пьезопреобразователей (например, коэф-

135

фициент трансформации) либо постоянны, либо их изменения носят линейныйхарактер.

Интерпретация температурных эффектов при колебаниях пьезообразцавстречаетопределенныетрудности. Этосвязаностем,чтовсамом процессе измерения температуры на поверхности образца-пьезодиска (посуществу—этаграницаразделадвухилинесколькихсред)заложена некотораянеопределенность, таккакневозможнаполнаятеплоизоляция образца. Кроме того, при резонансных колебаниях пьезодиска даже в слабыхпеременныхэлектрическихполях,какпоказанов[2],температурноеполепо егоповерхностинеоднородно:вцентральной частидиска, в месте егоконтакта с пуансоном пресса (пучность напряжения, узел для смещения),локальнаятемпературанаибольшаяионауменьшаетсявдоль радиуса диска. Поэтому, при принятом в эксперименте методе измерениятемпературы,дажевслучаеиспользованиятеплоизолирующихпрокладок, показание термопары определяет скорее некую среднюю, «эффективную» температуру пьезообразца.

U~= сonst, сж =0, изменяется частота fэлектрическогонапряжения; f = сonst, сж = 0, изменяется электрическое напряжение U~;

f = cоnst, U~= cоnst, изменяется механическая нагрузка сж. Результаты исследования в этих режимахотображены на рис. 3, 4, 5

соответственно.

Рис. 3. Частотная зависимость температуры разогрева образца при фиксированном электрическом напряжении

Длявсехрежимовподтверждаетсяфакт,чтовслучаетеплоизоляции саморазогрев пьезообразцов выше. Следует отметить, что отсутствует корреляциямеждуростомамплитудыколебанийпьезодискаиегоразогревом в зависимости от частоты f (при одинаковом значении электри-

136

ческого напряжения U~). Температура растет линейно (см. рис. 3), а амплитудаизменяетсярезонансно(см. рис. 1). Возрастаниетемпературыпьезодискавозможносвязаностем,чтосростомчастотыэлектрическогополяувеличиваютсядиэлектрическиепотери(tg )пьезоматериала. и, соответственно, тепловыделениевнутри образца.

t0, C

f = 10 кГц

20

U, B

0

Рис. 4. Зависимость температуры образца ПК от переменного электрического напряжения U~

t0, C

301- без теплоизоляции

2 - с теплоизоляцией

Рис. 5. Зависимость температуры образца от механического напряжения сжатия

Характер увеличения температуры пьезообразца с ростом электрического напряжения (на резонансной частоте) близок к квадратичному закону(см. риc. 4).

137

Влияниемеханическогонапряжениясжатиянаразогревпьезообразцанезначительно(см.рис. 5).Отличиевзначенияхначальнойиконечной температурсоставляетнеболее4 %какдлятеплоизолированныхпьезодисков, такибезихтеплоизоляции.

Степень разогрева образца и его рабочая температура остаются неизменными(прификсированныхзначениях fриU~),еслитемпература окружающейсредыостаетсяпостоянной. Изменениятемпературывнешней среды в пределах 10 25 °С могут повлиять на степень разогрева пьезообразца, находящегося вусловияхплохойтеплоизоляции: приизменениикомнатнойтемпературыот14°до20 °Стемпературасаморазогреваобразца увеличивается на ~40 %.

Наблюдаемоевлияниетемпературы средынастепеньразогревапьезодискапроявляетсятолькоприрезонансныхколебанияхеговслабыхпо напряженности переменных электрических полях. Всильных жеполях разогревобразцаПК приеговынужденныхколебаниях большеопределяется частотой переменного электрического поля и его напряженнос-

тью(см.риc. 3, 4).

Выводы

Прималой(менееполучаса)длительностидействиямеханической нагрузки сжатия( сж 15МПа)формарезонанснойкривойиамплитуда радиальныхколебанийпьезодискаврезонансеизменяютсянезначительно.ДлительноестарениепьезокерамикиЦТС-19( 100ч)вполяхмеханических ( сж 7,5 МПа) и электрических (Е~ 290 В/мм) напряжений приводит к значительному(на ~ 60 %) уменьшению резонансной амплитуды с последующей ее стабилизацией.

Степеньсаморазогрева пьезокерамическогообразца приегорезонансныхколебанияхпрактическинезависитотмеханическогонапряжениясжатияпривеличинах 15МПаиэлектрическогополяE 150В/мм.

При более высоких напряжениях переменного электрического поля U~ 100В(Е~ 150В/мм)наблюдаетсязаметныйразогревпьезодиска,при этом рост температуры имеет характер близкий к квадратичному.

Влияние температуры окружающей среды на степень разогрева пьезодиска,проявляетсятолькоприслабыхэлектрическихполях,вслучаесильных полей роль окружающей среды незначительна.

Литература

1.Cитало Е.И. Экспериментальные исследования изгибных деформаций сегнетокерамических пластин / Е.И. Ситало, В.З. Бородин, А.В. Приходько // Пьезотех- ника-2005: Cб. тр. Междунар. науч.-практ. конф. Ростов н/Д, 2005. С. 198–203.

2.Кербель Б.М. Выбор режимов работы пьезопреобразователей статических усилий с учетом температурных явлений // Пьезотехника-2005: Cб. тр. Междунар. науч.-практ. конф. Ростов н/Д, 2005. С. 65–75.

138

3. Плетнев П.М. Старение пьезокерамики системы ЦТС при одновременном воздействии механических и электрических напряжений/ П.М.Плетнев, В.А.Ланин, И.И.Рогов // Огнеупоры и техническая керамика. 2005. № 9. С. 13–19.

4. Шахворостов Д.Ю. К вопросу о моночастотности пьезокерамических преобразователей. Тонкие диски / Д.Ю. Шахворстов, Г.Г. Черных, А.В.Наумов, В.А.Головнин // Пьезотехника2005: Cб.тр. Междунар. науч.-практ. конф. Ростов н/Д, 2005. С. 249–252.

4.ФЕРРИТОВАЯКЕРАМИКА

УДК 666.653

4.1.МОДИФИЦИРОВАНИЕ ФЕРРИТОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДОБАВКАМИ

ИЗВОДНЫХ РАСТВОРОВ СОЛЕЙ*

Регулированиесвойствкерамическихматериаловмодифицированиемсущественнозависитнетолькоот видаиколичествадобавки, ноиот технологическогоприемаеевведениявкерамику.Введениемалыхдобавок из водных растворов солей предопределяет ряд технологических преимуществ: достижение более равномерного распределения микродобавки по объему изделия по сравнению со смешиванием оксидов; микродобавкинаходятсявактивномсостоянии,сольврастворедиссоциирует на ионы; метод может быть применен на различных стадиях технологическогопроцесса-послесинтезашихты,оформленияизделий.

В данной работе изучены изменения свойств, микроструктуры и физико-химические процессы, происходящие при обработке пористых ферритовых изделийводнымирастворамисолейспоследующимобжи- гом.Былисследованмарганец-цинковыйферритмарки3000НМСсоста- ва(%;здесьидалеемассовоесодержание):71,1Fe2O3,19,6МnО,7,8ZnO, 0,9 NiO, используемый в прецизионном приборостроении.

Ферритовыеизделиябылиизготовленыметодомпрессованияферритизированнойшихты,полученнойхимическимосаждением(термообработка при 900 °С) и содержащей 10 % связки (10 %-ый водный раствор поливиниловогоспирта-ПВС).

Для определения вида солимодифицирующегокатиона и пористого состояния изделий предварительно были изучены кислотно-щелочная устойчивость феррита 3000 НМС и процесс удаления связки. Из рис. 1 видно, что наименьшей кислотостойкостью к действию НСl обладает феррит 3000 НМС. При концентрации раствора кислоты 1 Н потери массы феррита могут достигать 25 и 15 % соответственно у порошка (размерчастиц0,5–0,8мм)иобразцов(пористость~25%). Устойчивость

* Плетнев П.М., Новикова Н.И., Степанова С.А., Власюк С.В., Громов П.А. «Стекло

и керамика» № 1. январь 1991. С. 21–23.

139

феррита 3000 НМС к воздействию серной и азотной кислот, а также щелочамзначительновыше. Следовательно,сцельюуменьшенияхимического растворения феррита при обработке в водных растворах солей целесообразно использовать соли азотной или серной кислоты.

Рис. 1. Химическая стойкость феррита 3000 НМС: сплошные кривые — образец; пунктирные — порошок; 1 — воздействие НCl; 2 — H2SO4; 3 —

HNO3; 4 — NaOH

Результаты анализа (ДТА, ТГ, ДТГ) пресс-порошка 3000 НМС свидетельствуют, чтоосновныеэффектыипотеримассы, соответствую- щиеудалениюсвязующего—ПВС,заканчиваютсядотемпературы600 °С. Отпрессованные образцы после термообработки при 600 °С в течение 1,5–2чимеютоткрытуюпористость30–35%,онипрочныипригодныдля обработки вводныхрастворахсолей.

Выбор модифицирующих катионов (Са, Сu, Со, Zr, V, Sm и др.) осуществленнаосновеанализаихкристаллохимическихиэнергетичес-

140