Способ поляризации пьезокерамических материалов

О П И С А Н И Е (1,)788230ИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспубпии(23) Приоритет -Опубликовано 15.12.80. Бюллетень %46Дата опубликования описания 18.12.80 до делам нэабретекнй и аткрытнй(53) УДК 5 З 7. .228.1 (088.8) О. П, Крамаров, А. И, Соквлло, В. А. Хренкин,(54) СПОСОБ ПОЛЯРИЗАЦИИ ПЬЕ МАТЕРИАЛОВАМ ИЧЕСКИХ тносится к производствуэлементов и преимубыть использовано для огабаритных заготовок заготовок с переменным расстоянием из пьезомаратурой Кюри выше из материалов с высокой Изобретение опьезокервмическихщественно можетполяризации круппсложной формы имеж электроднымтеривлов с темпе450 С, а такжепроводимостью. Известенспособ поляризации пьезокерамических материалов, предполагающий переход из параэлектрической в сегнетоэлектрическую фазу при одновременном приложении и поддержании оптимального значения тока 1).Однако этот способ непригоден для поляризации материалов с высокой проводимостью и с температурой Кюри выше 450 С, так квк эти материалы неравномерно разогреваются током, протекающим при поляризации. Поэтому режим поляризации по току задается более разогретым участкам пьезоэлемента,Известен также способ поляризациипьеэокерамики путем нагрева пьезоэлемента до температуры, превышающей температуру Кюри, с последующим охлаждекием его в электрическом поле, Причем 5образец сначала нагревают до 400-50 дС,а затем охлаждают до температуры, превышающей температуру Кюри не менеечем нв 10 С, подле чего випачают поля-,о1 Оризующее поле 2 кВ см 23Недостатки этого способа заключаютсяв том, что пьезокерамикв с ростомтемпературы снижает электрическоесопротивление, и, хотЫ поляриэующее поле т 5относительно невелико, оно вызывает токпроводимости тем больший, чем меньшеудельное сопротивление материала,Выделяемая при этом мощность на пьезоэлементе вызывает дополнительныйего разогрев, что еще больше снижаетэлектрическое сопротивление и при неизменном напряжении нв нем, Это приводитк увеличению выделяемой мощности напьезоэлементе, что в свою очередь ведетрежимов поляризации (кривые а и б) кольцевой заготовки из материала ЦТС,а также зависимость изменения коэрцетивной силы Е от температуры; нафиг, 4 я 5 - йьезоэлементы в формецилиндра и призмы соответственно, поляризованные предложенным способом.Установка содержит нагревательнуюкамеру 1 с помещенной в нее заготовкойв держателе, устройство 2, задающеевольтамперную характеристику поляриэуемой заготовки, источник 3 постоянноговысокого напряжения. Пьезоэлементы(фиг. 4 и 5) имеют следующие геометрические размеры:9 18 мм Ймм К - 2 мм,Ь - 22 мм,- 14 мм, И 7 мм,К =7 мм, В -60 мм;Сйособ поляризации осуществляютследующим обРазом.Заготовку, изготовленную по керамической технологии, закрепляют в держатель и нагревают до температур, превышающих Т не менее, чем на 70 С,0По,токоведущим частям держателя череззаготовку пропускают постоянный электрический ток плотностью 0,1-10 ьо( смв зависимости от материала заготовки,затем охлаждают ее вне печи до 5060 С со скоростью не менее 50 мин.ОСкорость охлаждения ограничена снизувозможностью развития теплового пробоя, а сверху - механической прочностью материала (конкретной для каждого типоразмера). Одновременно уменьшают ток поляризации и увеличивают напряжение на заготовке так, чтобы максимум выделяемой мощности находился притемпературах (0,7-0,95) Т ф .Рассмотрим поляризацию кольцевой ф заготовки иэ материала ЦТС, имеющую следующие геометрические размеры:Р -20 мм, д =14 мм, Ь - 2 мм.оЗаготовку нагревают. до 500 С и пропускают через нее ток плотностью 3,ив см 45 В процессе охлаждения устройство 2уменьшает ток поляризации и одновременно увеличивает напряжение на поляризуемой заготовке, Зависимость напряжения поляризации от тоха поляризации 50 и напряженности поляризующего поля оттемпературы (фиг. 2 и 3) фиксируютсясамописцем. По полученным данным определяют зависимость мощности, выделяемой на пьезоэлементе от температуры поляризации (фиг. 3). На основании этойзависимости устройство 2 настраивается таким образом, чтобы максимум выделяемой мощности на поляриэуемом 3 788230 фк дальнейшему разогреву и развитиютеплового пробоя или образованию токовыхшнуров, которые резко ухудшают электрофизические свойства поляризуемого пьезоэлемента, например пьеэомодуль ддиэлектрическую проницаемость Итангенс угла диэлектрических потерь У,удельное сопротивление Я и т.д. Крометого, предварительный разогрев заготовки до 400-500 С и его охлаждение безОприложения электрического поля приводитк "омолаживанию" пьезоматериапов, чтоотрицательно сказывается на временнойстабильности поляризованного состояния.Материалы, имеющие высокуо удельнуюпроводимость (ЦТСС, ЦТСт т.д.)в районе фазового перехода, не могутбыть эффективно поляризованы этим способом. Материалы, имеющие высокуютемпературу Кюри (600 С, 900 С ивыше) не могут быть эффективнополяризованы этим способом вследствиенедостаточности прогрева ( 50 СЙ:) и используемого поляризующего напряжения2 кВ см ", а также в связи с высокой проводимостью материалов при этихтемпературах. Этим способом не могутбыть эффективно поляризованы крупногабаритные заготовки и заготовки с переменным межэлектродным расстоянием.Цель изобретения - улучшение пьезоэлектрических параметров пьезоэлементов, расширение номенклатуры поляризуемых материалов, обеспечение возможности поляризации крупногабаритных заготовок и заготовок сложной формы спеременныммежэлектродным расстоянием.Поставленная цель достигаетсятем, что пьезокерамическую заготовкунагревают до температуры, превышающейтемпературу Кюри не менее . чем на70 С, затем пропускают через нее поостоянный электрический ток плотностью0,1-10 ос.см и охлаждают со скоростью не менее 50 Г мин, причем одноФ/временно уменьшают ток поляризациии увеличивают напряжение на заготовке,так, чтобы максимум выделяемой мощности находился при температурах (0,70,95) Тгде Т - температура Кюри материала.На фиг. 1 представлена блок-схема йполяризационноя установки; на фиг. 2 -зависимость напряженияО поляризацииот тока,1 поляризации; на фиг. 3 - за 55висимость поляризующего поля Е имощности Р,выделяемой на поляризуемомпьезоэлементе, от температуры для двух7882 Таблица 1 Пьезом оппель1.0 ед.СГСЕ Продолжительность (,), цин Напряжение поляризации Плотностьтока (2)ФДСм(Ъо) В ЦТС0,02-2000 2 3,0 В 2042 ЦТС Э гоб2 О, 02-2000 7,5 500 3,7 Пьезомо-Ь Яу 10 ед СГСЕ Примечание НапряжениеполяризацииСостав, размеры, режим 0,4 6-1 О О, О 2-4000 750-60 0,25 10 0,02-4000 5,0 0,02-4000 6-1 0 0,02-3000 11 0 02-100 0,2 ПробитПробит 10 730-60 750-50 0,5 2,5 0,01-2500 650-50 5-7 1,5 2,0 7 Оу 01-2500 4,0 . 0,01-2500 8 0,01-50 5-7 0,01-1500 1,7ПробитПробит 0,3 650-50 5пьезоэлементе находился в пределах (0,7-0;95) Т, что обеспечивает оптимальность пьезоэлектрических параметров пьезоэлемента. Из зависимости коэрцитивной силы и поляризующего поля от температуры (фиг. 3) видно, что нагрев пьезоэлемента до температуры, превышающей температуру Кюри не менее чем на 7 СРС (кривая б), является достаточным для увеличения. напряженности поляризующего поля на пьезозаготовке в про, межутке температур (0,7-0,95)Т по Состав, разме- Температура ры, мм, пьезо- поляризации, элементов С В табл. 1 и 2 приведены различныережимы поляризации и соответствующие ТВ12 х 30Т 660+10 С 720-60С750-60 Ф 12 х 1 2 630-50 Т 560+10 С 650-50 650 -5030 6срайнению с величиной коэрцптивной силы материала, При этом максимум выделяемой мощности на пьезоэлементе также находится в указанном промежутке температур. В отличие от вышесказанного,9прогрев заготовки до 350 С и подача поляризуюшего поля (кривая а) при этой температуре не дает желаемого результата, так как величина напряженности поляризуюшего поля остается ниже коэрцитивной силы, что приводит к уменьшению пьезочувствительности (см, табл.1). нм значения пьезомодуля ( д) для заготовки из высокотемпературных материалов. ОптимальныйрежимТс+ 60 Сс,бъР смб/Оп,50 / мин7 788230 8Табл. 3 и 4 иллюстрируют режимы высокой и низкой проводимостью сооти результаты поляризации материалов с ветственно. Таблица 3 450-60 3-8 0,01-4000 1 3,0 ЦТС-Б 450-60 3-5 0,01-2000 ЦТС500 50 2-4 0,01-2000 4 0,01-2000 380-50 7 х 7 х 60Т 3 20+ 10 фС 500-50 5 О, 01-1 00 500-50 1,5 0,01-2000 500-50 2-4 0,01-1000 0,01-7000 ЦТСС400-50 2-5 ф 10 х 10 330-50 Т 260+10 С 400-50 400-50,01-20 ,01-20 Т 0,55 500-50 500-50 с 7( 2 ьасм ит О С 50минохл 0 5 0,01 - 2000 4 0,01-1000 00-50 Из таблиц 2 - 5 видно, что диапазон 30ж 1 значения плотности тока (0,1-10 восм ) выбран с целью поляризации широкого круга пьезоматериалов, имеющих различную проводимость при температурах, превышающих Т на 70 С. Сверху выбран 0ный, диапазой ограничен тепловой прочностью в результате электрического "старения".,Таким образом, предлагаемый способ позволяет поляризовать образцы практически иэ любых пьезоматериалов, а также крупногабаритные изделия и иэделия сложной формы с переменным межэлектродным расстоянием. При этом улучшаются пьезоэлектрические параметры поляризуемых элементов.Преимушество предлагаемого способа состоит также в том, что не требуется применения мощных высоковольтных установок напряжением 70-100 кВ, до 50 статочно ограничится источником в 10 кВ. Возможно смещение процесса поляризации и вжигания металлических электродов. формула изобретенияСпособполяризации пьеэокерамических материалов путем нагрева пьезоэлемента до температуры, превышающей темпераЮ Данные по режимам и результатамполяризации пьезоэлементов, имеющих туру Кюри, с последующим охлаждением его в электрическом поле, о т -л и ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюулучшения пьезоэлектрическихпараметров,расширения номенклатуры поляризуемыхматериалов и обеспечения возможностиполяризации крупногабаритных заготовоки заготовок сложной формы с переменныммежэлектродным расстоянием, пьезокерамическую заготовку нагревают до темпе-ратуры, превышающей температуру Кюрине менее чем на 70 С, затем пропускаюточерез нее постоянный электрический токплотностью 0,1-10 ола см"- и охлаждаютО,со скоростью не менее 50,/ мин, причем одновременно уменьшают ток поляризации и увеличивают напряжение на заготовке так, что максимум выделяемоймощности на пьезоэаготовке находилсяпри температурах (0,7-0,95)Т, гдеТ - температура Кюри пьезом атериала.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Патент США М. 274171,кл. 29-25,35, опублик. 1953.2. Авторское свидетельство; СССРИ 182428, кл. В 06 В 1/06, 1966Составитель Т. Букинадактор Ю. Петрушко Техред Н,Бабурка Корректор Н. ШвыдкаяЗаказ 8365/62 Тираж 844 ПодписноеВНИИПИ. Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушсхая наб., д. 4/5Филиал ППП Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4