Способ изготовления образца материала пьезокристаллических преобразователей для механических испытаний

702 СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛ ИСТИЧ Е С К ИХРЕспуБлик 19 01 И 3/О РЕТЕНИ ТЕЛЬ ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИ К АВТОРСКОМУ СВ(71) Институт проблем прочности АН УССР(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБРАЗЦАМАТЕРИАЛА ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ(57) Изобретение относится к механическимиспытаниям конструкций и материалов,Целью изобретения является повышение качества изготовления путем повышения однородности клеевых швов на основе эпоксидных компаундов, После нанесения на торцовые поверхности кольцевых пьезоэлементов 1 и сборки преобразователей последний подвергают сжатию при помощи шпильки 2 до напряжений ст=(0,01 - 0,03)0-1, гдето- предел выносливости материала пьезоэлементов 1. Затем подают в течение всего времени полимеризации .клеевого состава постоянное электрическое напряжение в направлении растяжения пьезоэлементов 1, величину которого выбирают из приведенного соотношения. 1 ил., 1 табл.СззС 11Еш Изобретение относится к механическим испытаниям конструкций и материалов. Оно может быть использовано для изготовления образцов стержневых сборных пьезокерамических преобразователей к механическим испытаниям.Наиболее близким к предполагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления образца материала пьезокерамических преобразователей для механических испытаний, по которому используют кольцевые элементы из испытуемого материала, наносят на их торцы клеевой состав и соединят их по торцам с последующей полимеризацией клеевого состава.Недостаток данного способа состоит в том, что в процессе полимеризации клеевого состава образуются неоднородные клеевые швы, поскольку в процессе сушки в клеевых швах возникают остаточные, неконтролируемые, внутренние напряжения, как следствие усадки клеящей массы в процессе ее полимеризации, направленные внутрь клеевого слоя, что снижает качество и, как следствие достоверность определения влияния отдельных узлов конструкций преобразователей на их механические параметры,Цель изобретения - повышение качества изготовления путем повышения однородности клеевых швов на основе эпоксидных компаундов.Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления образца материала пьезокерамических преобразователей для механических испытаний, по которому используют кольцевые элементы из испытуемого материала, наносят на их торцы клеевой состав и соединяют их по торцам с последующей полимеризацией клеевого состава. Согласно изобретению после соединения сжимают элементы по торцам с помощью шпильки до напряжения о = (0,01 - 0,03) о, где о- - предел выносливости материала элементов, а во время полимеризации клеевого состава на элементы подают постоянное электрическое напряжение 0 в направлении их растяжения, величину, которого выбирают из соот- ношения где о - амплитуда циклического напряжения, возникающего в элементах в условиях эксплуатации;- длина элементов; 5 10 15 20 25 30 35 40 50 55 йзз - и ьезоэлектрическая постоя нная материала элементов;С 11 - упругая постоянная материала шпильки;Сзз - упругая постоянная материала элемента;Г - площадь поперечного сечения шпильки;Р - площадь поперечного сечения элементов.Образец стержневого пьезокерамического преобразователя представляет собой набор кольцевых пьеэокерамических элементов 1, стянутых, например, шпилькой 2 и склеенных между собой клеем 3 на основе эпоксидного компаунда. Для понижения частоты преобразователя с помощью шпильки к пьезоэлементам крепятся частопонижающие накладки 4.Эксплуатационный режим преобразователя определяется величиной заданного смещения рабочей поверхности преобразователя, Для определения амплитуды циклического напряжения, развиваемого в преобразователе при его циклическом нагружении, преобразователь нагружают электрическим гармоническим напряжением на частоте основного резонанса до заданной амплитуды смещения рабочей поверхности преобразователя, соответствующей эксплуатационным режимам работы.При этом на электрической стороне преобразователя измеряют эффективное значение тока, потребляемого преобразователем, коэффициент электромеханической трансформации и по ним с учетом модуля Юнга пьезоэлементов, скорости звука в пьезокерамике, коэффициента формы колебаний определяют амплитуду циклического напряжения,Во время полимеризации клеевого состава механические напряжения в клеевом шве направлены вдоль оси преобразователя внутрь клеевого шва. Дополнительное напряжение, вызванное сжатием пьезоэлементов при помощи шпильки, а также пьезоэлектрическим расширением пьезоэлементов, способствует сжатию клеевого шва, Это происходит вследствие того, что прикладываемое электрическое напряжение, полярность которого совпадает с направлением поляризации склеиваемых пьезоэлементов, приводит к их растяжению, Далее из-за конечной жесткости сжимающей шпильки, ограничивающей растяжение пьезоэлементов, деформация растяжения пьезоэлементов приводит к сжатию клеевых швов. При этом исходные напряжения сжатия в кольцевых пьезоэлементах, составляющие О" = (0,01 - 0,03) Ополучены авторами экспериментально. Так при ст 0,01 оотмечены случаи смещения отдельных пьезоэлементов относительно центральной оси преобразователя на этапе полимеризации клеевого состава, что ухудшает акустические характеристики преобразователя на этапе полимеризации клеевого состава, ухудшает акустические характеристики преобразователя. При О 0,03 опоявляется разнотолщинность клеевых швов за счет влияния перекосов в сжимающей системе и неодинаковых размеров пьезоэлементов, что приводит к снижению циклической долговечности образцов преобразователей.Результаты экспериментальной проверки представлены в таблице, Исследования проводили на образцах стержневых преобразователей, изготовленных из кольцевых пьезоэлементов размерами е 40 хр 32 х 5 мм состава ЦТБС-З, Амплитуда испытательных напряжений Осоставляла 10 МПа, Предел выносливости п= 20 МПа для пьезокерамики ЦТБС-З.После полимеризации клеевого состава за счет усилия поджатия и усадки клеящей массы в клеевом слое остается внутреннее остаточное напряжение, также направленное внутрь клеевого слоя. Это остаточное внутреннее напряжение является концентратором локальных напряжений и приводит к снижению прочности клеевого шва пьезоэлементов, Однако после полимеризации клеевого состава при снятии подводимого электрического напряжения устраняется напряженно-деформированное состояние склеиваемых пьезоэлементов (они стремятся сжаться). При этом происходит компенсация остаточных внутренних напряжений в клеевом шве напряжением упругого сжатия пьезоэлементов, направленным к торцам склеиваемых пьезоэлементов, В результате прекращения воздействия статического электрического поля после полной полимеризации клеевого шва обеспечивается получение клеевого швэ, свободного от внутренних напряжений, т,е, с улучшенным качеством клеевого швэ.Величина подводимого электрического напряжения связана с величиной циклического напряжения, развиваемого в пьезопреобразователе при эксплуатационных рекимах работы. Это связано с необходимостью создания в клеевом шве за счет пьезоэлектрического сжатия, еще на стадии его формирования, напряженно-деформированного состояния, которое соответствует эксплуатационным режимам и реобразователя, что позволяет определить влияниеотдельных узлов конструкции преобразователя на его механические параметры при5 реальных нагрузках,Таким образом, качество клеевых швов,сформированных при подготовке преобразователя к механическим испытаниям засчет меньших внутренних остаточных на 10 пряжений в преобразователе позволяет неучитывать состояния клеевых швов на результаты последующих испытаний, Т,е, применение предлагаемого способаподготовки образцов к механическим испы 15 таниям позволяет существенно повыситьдостоверность испытаний, поскольку образцы преобразователей становятся однородными и разброс прочности клеевых швовуже не влияет на результаты механических20 испытаний, что существенно повышает достоверность испытаний,В процессе сборки преобразователя наклеевые швы пьезоэлементов действуетсжимающее напряжение О.25 Подача на пьезоэлементы постоянногоэлектрического напряжения в направлениирастяжения пьезоэлементов вызывает суммарное механическое напряжение сжатияклеевого слоя, равное30О = О+ Оп, (2)где о" - механическое напряжение сжатия;оп - механическое напряжение в пьезо керамических элементах;возникшее в результате подачи на них постоянного электрического напряжения. Это напряжение создает дополнительное пьезоэлектрическое сжатие клеевых швов.40 На практике всегдаПри этом величина суммарного механи ческого напряжения о, обеспечивающегосжатие клеевых швов, должна быть равной величине динамического напряжения О; развиваемого в преобразователе при эксплуатационных режимах работы50.Это условие, заключающееся в том, чтобы величина суммарного напряжения в процессе склейки была равна динамическому напряжению, развиваемому в данном преобразователе при его эксплуатационных режимах рабобты, определяет получение клеевого соединения, свободного от внут(8) Р =-Рш,О Рп Ьзз Сзз Еп Л =Лш,(6)(7) РпСззЕпоЬзз СЗЗС 11Еш ренних напряжений при эксплуатационных нагрузках. Таким образом, если сжатие клеевых швов напряжением о"осуществляется за счет механического сжимающего усилия, то растяжение пьезоэлементов, и тем самым дополнительное пьезоэлектрическое сжатие клеевых швов является следствием действия статического электрического поля, основанного на пьезоэлектрической природе керамики.Величину сГ можно выразить как где Р - сила, приложенная к пьезоэлементу в результате действия статического электрического поля;Еп - площадь поперечного сечения пьезоэлементов,Согласно третьему закону Ньютона где Рш - усилие, возникающее в шпильке вследствие поиложения элетрического поля,Для достижения механического равновесия рассматриваемого состояния, кроме равенства сил, необходимо выполнение условия равенства абсолютных удлинений (деформаций) пьезоэлементов преобразователя и сжимающей шпильки где Л- деформация пьезоэлементов преобразователя;Л ш - деформация шпильки,Уравнение деформации пьезоэлементов под воздействием постоянного электрического поля выражается где . - величина приложенного к пьезоэлементам постоянного электрического напряжения;Ьзз - пьезоэлектрическая постоянная материала пьезоэлементов;- суммарная толщина пьезоэлементов;Сзз - упругая постоянная материала пьезоэлементов.Первое слагаемое в уравнении (7) определяет деформацию растяжения пьезоэлементов при подаче на них постоянного электрического поля, Второе слагаемое в уравнении (7) согласно закону Гука является следствием сжатия пьезоэлементов сжимающей шпилькой и последующего поджатия, поскольку в результате воздействия элект рического поля возрастает деформация пьезоэлементов, а шпильке с конечной жесткостью вызывает соответственно деформацию сжатия в пьезоэлементах, чем и объясняется знак "минус" во втором члене 10 уравнения (7),Деформация сжимающей шпильки согласно закону Гука определяется по форму- ле 15 РшЛш -С 1 Ешгде Рш - сила, действующая на шпильку;Еш - площадь поперечного сечения 20 шпильки;С 11 - упругая постоянная материалашпильки,В результате из уравнений (7), (8) с учетом (6) следует25 Далее, согласно (5) и (9) следует30-0 (10)1 зз сзз С 11Еш Выражение (9) позволяет определитьвеличину механического напряжения сжатия пьезоэлементов, находящихся в сжатом состоянии, в зависимости от величины подаваемого на них постоянното электрического напряжения,Из выражения (9) можно определить величину постоянного электрического напряжения, необходимого для создания заданного механического напряжения в клеевых швах склеиваемых пьезоэлементов о45 Как следует из приведенного анализа, при равной величине и знаке сжатия склеиваемых пьезоэлементов механическим усилием и механическим усилием в сумме с дополнительными пьезоэлектрическими поджатием, возникают различные эффекты,При увеличении амплитуды механического сжатия клеевого слоя, увеличивается в нем остаточное внутреннее напряжение, что снижает прочность преобразователя, аоа преобразо упругости; иент форм иент трансф звука.авливаютс де 0 - ток чере Ею - модуль атель; Кф - коэффи М - коэффи С - скорост Далее подго зцы партии,рмации стальные обсверхсуммарный эффект, получаемый в результате новой совокупности признаков заключается в компенсации остаточных внутренних напряжений и повышении однородности преобразователей по прочности.Таким образом, при использовании предлагаемого способа представляется возможным повысить достоверность экспериментального определения механических параметров конструкции пьезопреобразователя.На фиг. 1 схематически показаны изготавливаемый пьезокерамический преобразователь.Пьезокерамический преобразователь содержит поляризованные пьезоэлементы 1, сжатые с помощью накладки 2 и шпильки 3, между торцами поляризованных пьезоэлементов 1 имеется клеевой шов 4. Пьезоэлементы 1 электрически соединены параллельно. Преобразователь снабжен электрическими контактами 5 и 6, Контакт 5 предназначен для присоединения к "плюсу" источника тока, а контакт 6 - к "минусу".Способ изготовления образцов материалов стержневых пьезопреобразователей для механических испытаний осуществляется следующим образом.Предварительно подвергают нагружению преобразователь, подготовленный по способу-прототипу, При этом определяют амплитуду циклических напряжений о; возникающих в преобразователе при эксплуатационных режимах, Эксплуатационный режим преобразователя определяется величиной заданного смещения рабочей поверхности преобразователя, При этом на электрической стороне преобразователя измеряют эффективное значение тока, потребляющего при эксплуатационном режиме, коэффициент электромеханической трансформации и по ним с учетом модуля Юнга пьезоэлементов скорости звука в пьезокерамике, коэффициента формы колебаний, определяют амплитуду циклического напряжения по формулеПодготавливаются склеиваемые поверхности к склейке, Подготовка поверхностей к склейке заключается в плоскоструйной обработке металлических деталей, обезжириваний всех склеиваемых поверхностей спирто-бензиновой смесью (1: 1) и просушки.Затем на склеиваемые поверхности наносится клея щая масса(например, клей ДМ-65 на основе эпоксидной смолы ЭДс отвердителем), собирается преобразователь и склеиваемые поверхности подвергаются при помощи шпильки сжатию до появления в них напряжений.После этого на контакты преобразова 5 10 15 теля подается постоянное электрическое напряжение, которое благодаря обратному пьезоэффекту создает в преобразователе механические напряжения, равные по амплитуде механическим напряжениям, возникающим в пьезопреобразователе при его эксплуатационным режимам работы.Далее производится полимеризация клеевых соединений преобразователя при температуре, определенной конкретным 20 25 эпоксидным компаундом (например, 85 .+. 10 С) для ДМ-.65 в течение 24 ч и последующее снятие электрического напряжения.В качестве примера была приведена 30 Об 0.0615.6 10 ф 21 10 20096 10+13,6 10 ю 50.241 12 ОЮ ,.96 1 О подготовка серии образцов стержневыхпьезопреобразователей к механическим испытаниям на пьезокерамики типа ЦТБС-З,Пьезокерамические стержни склеивались35 из пьезокерамических колец ф 40 х 32 х 5 мм.Значения параметров в 4 данном случае были следующие: Сзз=13,6 10 МПа; С 11=21 10 МПа;Ьзз=15,6 10 В/м;1=0,06 м; Ел=50,24 мм;Еш = 200,96 мм, Амплитуда циклическихг40 напряжений, соответствующая эксплуатационному режиму, равнялась о = 5 МПа,Эксплуатационный режим соответствовалнагружению преобразователя циклическими нагрузками с резонансной частотой, рав 45 ной 15 к Гц, до амплитуды смещения рабочейповерхности около 8 мкм. Предварительнопосле сборки образцы подвергали сжатиюдо напряжений в нихо=0,2 МПа, так какст.1=20 МПа для пьезокерамики ЦТБС-З, Подста 50 вив значение о в формуле (1) получили амплитуду постоянного электрическогонапряжения,1727026 12 жения, величину которого выбирают из соотношения Формула изобретения СззС 11Рш 30 Составитель Г,ПисаренкоРедактор А,Долинич Техред М.Моргентал Корректор С.Черни Заказ 1274 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Способ изготовления образца метариала пьезокерамических преобразователей для механических испытаний, по которому используют кольцевые элементы из испытуемого материала, наносят на их торцы клеевой состав и соединяют их по торцам с последующей полимеризацией клеевого состава, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения качества изготовления путем повышения однородности клеевых швов на основе эпоксидных компаундов, после соединения сжимают элементы по торцам с помощью шпильки до напряжения (у = (0,01 - 0,03) о-, где 0-1 - предел выносливости материала элементов, а во время полимеризации клеевого состава на элементы подают постоянное электрическое напряжение 0 в направлении их растягде о - амплитуда циклического напряжения, возникающего в элементах в условиях эксплуатации;10- длина элементов;Ьзз - пьезоэлектрическая постояннаяматериала элементов;С 11 - упругая постоянная материалашпильки;15 Сзз - упругая постоянная материалаэлемента;Рш - площадь поперечного сеченияшпильки;Гп - площадь поперечного сечения эле ментов.