Диссертация (1091101), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Рассмотрим физический принцип работы пьезоматериалов на основе пьезоэлектрических керамик.Пьезоэлектрические керамики (пьезокерамики), в основном, являются поликристаллическими материалами с решеткой типа перовскита. Каждая кристаллическая ячейка состоит из малого положительного четырёхвалентного иона металла (Zr, Ti и др.), расположенного внутри решетки из больших двухвалентныхионов металла (Pb, Ba и др) и ионов О2, как показано на рисунке 1.2.а)б)Рисунок 1.2 – Кристаллическая ячейка пьезокерамики ЦТС:а) – выше точки Кюри (около 300 °С); б) – ниже точки Кюри18Выше критической температуры, называемой температурой (точкой) Кюри,каждый кристаллик перовскита в нагретом керамическом элементе имеет простую кубическую решетку, не имеющую дипольного момента, как показано нарисунке 1.2, а).Однако, при температуре ниже точки Кюри каждый кристалл получает тетрагональною симметрию и связанный с ней дипольный момент (рисунок 1.2, б).Соседние диполи, имеющие близкие направления дипольных моментов, образуюттак называемые «домены».

Дипольные направления всех доменов формируютобщую поляризацию кристалла. Как правило, в неполяризованной керамике домены расположены хаотично (рисунок 1.3. а), компенсируют друг друга и поляризации образца в целом не наблюдается.а)б)в)Рисунок 1.3 – Процесс поляризации пьезокерамики: а) до поляризации доменырасположены в целом хаотично; б) приложение сильного электрического поля длясоздания поляризации вдоль определенной оси (оси 3); в) остаточная поляризацияпосле снятия электрического поля за счет преимущественной ориентациидоменов.Домены в пьезокерамическом элементе выравниваются с помощью приложения сильного постоянного электрического поля, обычно при температуре чутьниже точки Кюри (см. рисунок 1.3, б).

Этот процесс называется процессом поляризации (технология рассмотрена ниже). После поляризации большинство доменов выравнивается вдоль линии поля за счёт доменов, которые не выровнялисьвдоль поля и элементов, растягивающихся в направлении поля. Затем, когда элек-19трическое поле снимается, большинство доменов имеют преимущественную ориентацию, как показано на рисунке 1.3, в). С этого момента элемент приобретаетпостоянную поляризацию, остаточную поляризацию и постоянное удлинение.Увеличение длины, однако, очень мало и находится в микрометровом диапазоне[6, 10].Пьезоэлектрическую керамику, подобно обычной керамике, изготавливаютгорячим прессованием и литьем под давлением, поэтому форма пьезокерамических элементов может быть разнообразной.

Для проявления пьезоэффекта пьезокерамические элементы необходимо поляризовать (в отличие от монокристаллических сегнетоэлектриков). Сначала поверхности пьезоэлемента (чаще всего параллельные) металлизируют серебром или медью методом вжигания или ультразвуковым лужением. Затем пьезоэлементы поляризуют в специальных ваннах,наполненных силиконовой жидкостью при температуре 1000 – 1300 °С. Поляризация заключается в том, что на электроды подают в течение нескольких часоввысокое постоянное напряжение (в зависимости от толщины пьезоэлемента – от0,5 кВ до 10 кВ). Направление поляризации (от плюсового электрода к минусовому), перпендикулярное поверхностям электродов и совпадающее с координатнойосью, условно получило индекс "3", остальные два перпендикулярных направления получили индексы "1" и "2" (рисунок 1.4) [10].Рисунок 1.4 – Система координат пьезокерамического элементаПьезокерамика типа ЦТС принадлежит группе сегнетоэлектрических материалов, имеющих гистерезисный характер зависимости P(E) (рисунок 1.5, а).

Основными характерными точками на указанной зависимости являются: поляриза-20ция насыщения Рнас, остаточная электрическая поляризация Pост и коэрцитивноеполе Ec . Зависимость деформаций от напряженности S(E) (рисунок 1.5, б) для поляризованной пьезокерамики, имеющая форму «бабочки», имеет важное значениядля описания характеристик пьезоактюатора.а)б)Рисунок 1.5 – Зависимости P(E ) (а)и S (E ) (б) для пьезокерамики при T = 0(нулевых механических напряжениях). Рабочий цикл пьезоактюатора начинаетсяс точки E  0 , S r . Малые заштрихованные области соответствуютоднополярному режиму работы, большие заштрихованные области –биполярному (асимметричному) режиму [10].Вследствие зависимости P  D   0 E , где Р – электрическая поляризация, иD   0 E , две зависимости P(E ) и S (E ) отличаются лишь множителем  0 E .

Мак-симально достижимая деформация ограничивается насыщением и деполяризацией. Необходимо соблюдать меры предосторожности во избежание деполяризациив процессе работы ПП под действием электрических, температурных и механических перегрузок.

Пьезокерамика как правило, постепенно теряет пьезоэлектрические свойства даже при температурах значительно ниже температуры Кюри Тк(120…500 С для монолитных пьезокерамик и 80...220 С для многослойных).21Выше температуры Кюри пьезоэлектрик становится обычным диэлектриком илипарамагнетиком. Таким образом, рабочая температура пьезопреобразователей недолжна превышать ТК/2. Если в задаче используется переменное напряжение, еговеличина не должна превышать 20% от номинального значения во избежание деполяризации образца.Запишем систему уравнений, описывающих электромеханические свойствапьезоэлектрических материалов. Данное описание основано на стандарте, посвященном пьезоэлектричеству (IEEE Standard of Piezoelectricity) [11], который получил широкое распространение в зарубежной литературе благодаря подробномуописанию свойств пьезоматериалов.

Установлено, что при слабых электрическихполях и малых механических напряжениях пьезоматериалы имеют линейные зависимости параметров, входящих в уравнения пьезоэффекта.В зависимости от сочетания двух механических условий и двух электрических условий, в которых находится пьезопреобразователь, можно записать четыретипа уравнений пьезоэффекта (см.

таблицу 1.1) [9]:Таблица 1.1 – Различные формы записи уравнений пьезоэффекта [9].№Граничные условия и связанные коэффициентыНагрузкиУравнения пьезоэффекта синдексами*1Упругая податливость sEзакороченной цепи; диэлектрическая проницаемость εТ при свободнойдеформацииТ, ЕSi  sijET j  d nit EnУпругая жесткость сЕ закороченной цепи, диэлектрическая проницаемость εSзажатого элементаS, EУпругая податливость sDразомкнутой цепи; диэлектрическая непроницаемость βТ свободной деформацииT, D23Dm  d mj T j  Tmn EnT j  c Eji Si  enjt EnSDm  emi Si   mnEnSi  sijDT j  g mit DmEn   g niT j  Tmn Dm224Упругая жесткость cDразомкнутой цепи, диэлектрическая непроницаемость βS зажатого элементаS, DT j  c DjiT j  hmjt DmSEn  hni Si  mnDmЗдесь использованы следующие обозначения [3, 4, 6, 8, 9]:Si – вектор относительных деформаций (мм/м);Тj – вектор механических напряжений (Н/м2);Еn – вектор компонентов напряжений электрического поля (В/м);Dm – вектор электрических смещений (Кл/м2);εmn – матрица диэлектрических проницаемостей (Ф/м);βmn – матрица диэлектрических непроницаемостей (м/Ф);sij – матрица упругих податливостей (м2/Н);сji – матрица упругих жесткостей (Н/м2);dni – матрица пьезомодулей (м/В);enj– матрица пьезокоэффициентов (Кл/м2);gni – матрица пьезокоэффициентов напряжения (В·м/Н);hni – матрица пьезокоэффициентов деформации (В/м2)Верхние индексы D, E и Т означают, что данные величины определены дляусловий постоянных (нулевых) электрических смещений, электрических полейили механических напряжений.Индексы i, j = 1, 2, ..., 6; m, n = 1, 2, 3; верхний индекс t представляет собойоператор транспонирования.Конкретный вид уравнений пьезоэффекта, представленных таблице, такжесвязан с формами пьезоэлектрических коэффициентов, упругой податливости идиэлектрической проницаемости.

Как упоминалось ранее, материалы с различнойкристаллической структурой имеют различные независимые компоненты своихматриц, что соответствующим образом меняет вид уравнений пьезоэффекта. Кро-23ме того, уравнения пьезоэффекта могут изменяться в зависимости от среза монокристалла.Например, уравнения прямого и обратного пьезоэффекта для поляризованной пьезокерамики (кристаллический класс 6mm) выглядят следующим образом: Dx  D y  D  z00d 31000d1500d150d 31d 3300000000E440  x   s11E s12E s13E   EEE y   s12 s11 s13EEE z   s13 s13 s33  yz   0 0 0  xz   0 0 0   xy   0 0 0s0Es4400 x  yT0   1100 Ex z T0     0 110  E y   yz0    0 0  T33   E z  xz   xy 0 d31 0 x   0   0 d31 0  y   0 Ex 0 d33   0 z  0    E y 0   yz   0 d15 0   Ez0  0   xz  d15 0  E00 s66  xy   0Здесь использована запись компонентов указанных выше величин для поляризованной вдоль оси z (3) пьезокерамики в обозначениях, принятых в теорииупругости [122].Пьезокерамика широко используется для изготовления широкого круга пьезопреобразователей.

Рассматриваемые в рамках пьезопреобразователи можноразделить на датчики (сенсоры) и приводы (актюаторы). Датчики обычно работают в резонансном режиме, изменяя частоту своих колебаний в зависимости,например, от изменения массы вследствие адсорбции веществ из газов или действия кориолисовых сил или линейных ускорений. Для таких устройств используется сегнетожесткая керамика, обладающая высокой добротностью, естественные(кварц) или искусственные (ниобат лития) монокристаллы. Вызванная в этом случае разность частот или возникновение вторичных колебаний служит меройвходного воздействия. Пьезоприводы обычно работают в статическом (или квазистатическом) режиме. Для их изготовления используют сегнетомягкие керамики,обладающие высокими пьезомодулями d31 и d33.24Наиболее распространёнными марками пьезокерамики, применяемыми дляизготовления пьезоактюаторов являются отечественная ЦТС-19 и зарубежныеPZT-5A и PZT-5H.

Например, для PZT-5H значения постоянных: s11E  16,5 пм2/Н;s12E  –4,78 пм2/Н; s13E  –8,45 пм2/Н; s33E  20,7 пм2/Н; s 44E  43,5 пм2/Н; s66E  42,6Td31 = –274 пКл/Н; d33 = 593 пКл/Н; d15 = 741 пКл/Н; 11/  0  3130;пм2/Н; T33 /  0  3400. Для изготовления пьезорезонаторов, например, для вибрационныхгироскопов используют керамику с более высокой добротностью, например,ЦТБС-9.1.2. Пьезоприводы в оборудовании и приборах электронной техникиВ ходе работы выполнен анализ современного состояния отечественных изарубежных исследований, посвященных моделированию, разработке и применению пьезоустройств в оборудовании электронной техники.Мировой спрос на пьезоэлектрические устройства, используемые в высокотехнологическом оборудовании, показывает стабильный рост – от $14,8 млрд.США в 2010 году до $27,24 млрд.

Характеристики

Список файлов диссертации