устройство для создания градиента температур в образце

Формула изобретения

Устройство для создания градиента температур в образце пьезоэлектрической керамики для получения в нем градиента поляризации, содержащее нагреваемый и охлаждаемый стаканы с плоским днищем, оснащенные термопарами, причем охлаждаемый стакан помещен коаксиально внутрь нагреваемого стакана с зазором между стенками стаканов, равным 0,25÷0,30 диаметра внутреннего стакана, и теплоизоляционный кожух.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электронной технике, а именно к пьезоэлектронике, к устройствам для поляризации пьезоэлектрической керамики.

Существующие в настоящее время промышленные методы поляризации керамических пьезоэлектрических элементов используемых в пьезоакустических преобразователях создают однородную поляризацию по толщине образца. Такая поляризация образцов позволяет получать в переменных электрических полях только продольные или поперечные колебания. В то же время значительный практический интерес представляют пьезокерамические преобразователи, в которых создаются изгибные колебания.

Практическое применение пьезопреобразователей с изгибными колебаниями:

Пьезопреобразователи на основе изгибных колебаний пьезокерамических элементов являются элементами пассивных интеллектуальных конструкций, которые регистрируют информацию о состоянии объекта. Как активные интеллектуальные конструкции они содержат триаду: датчик (сенсор), процессор (анализ и принятие решения), актюатор (исполнительный механизм). Законченный прибор, составной частью которого является такой пьезопреобразователь, может обеспечивать тепловые измерения, измерения механической нагрузки, измерения отклонения и растяжения и получение другой информации, которая может храниться в базе данных и считываться немедленно в случае, например, организации эвакуации из высотного здания. Это позволит решить задачу мониторинга высоких зданий, мостов, дамб, туннелей, трубопроводов и других инфраструктур. Пьезопреобразователи позволяют создать миниатюрные радиодатчики с практически неограниченным сроком службы, без сменных элементов питания, пассивную интеллектуальную конструкцию можно сделать абсолютно герметичной. С помощью устройств на основе пьезоэффекта возможно осуществление устройств и систем гашения вибраций, что чрезвычайно актуально, например, для прецизионного машиностроения, электротехнической промышленности (мощные трансформаторы), судостроения, летательных и ракетных аппаратов и др. Устройства и системы гашения вибрации могут быть диверсифицированы и использованы для подавления акустических волн в воздухе и воде.

Создание изгибных колебаний возможно в пьезоэлектрических материалах с градиентом поляризации по толщине образца.

Градиент поляризации в образце может создаваться непосредственно или за счет градиента других физических свойств (например, температуры или концентрации составляющих химических компонент) [S. Zhong, Z.-G. Ban, S.P. Alpay, J.V. Mantese. Large piezoelectric strains from polarization graded ferroelectrics. Appl. Phys. Let. 2006. V.89. P.142913; Z.-G. Ban, S.P. Alpay, J.V. Mantese. Fundamentals of graded ferroic materials and devices. Phys. Rev. B.2003. V.67. P.184104].

Использование материалов с постоянным градиентом температуры по толщине образца для широкого практического применения наименее пригодно, поскольку требует привязки к специальному оборудованию (печи, элементы Пельтье, термостаты и т.п.). В последнее время наблюдается тенденция к созданию градиентных функциональных материалов. Градиентные функциональные материалы (functionally graded materials) - это материалы, у которых концентрация химических составляющих (или другая физическая характеристика) изменяется непрерывно или пошагово по толщине.

Получение материалов на основе твердых растворов с градиентом концентрации химического состава - один из способов создания градиента поляризации и пьезоэлектрических свойств в сегнетоэлектрических материалах. Неоднородность системы является результатом воздействия композиционных, температурных градиентов или градиентов напряжения. В то же время практически реализовано два способа получения пьезоэлектрических материалов с градиентом физических свойств -склеивание однородных по химическому составу образцов, поляризованных в противоположном направлении и создание керамики с градиентом концентрации химического состава.

1 способ реализован в ОАО «Элпа» г.Зеленоград, Россия.

2 способ - в институте физики Университета Мартина-Лютера, Германия (Institut fur Physik, FG Physik FerroischerMaterialien, Martin-Luther-Universitat, Halle, Germany) на базе пьезокерамики титаната-станната бария [Steinhausen R. / Pientschke С., Kuvatov A.Z., Langhammer H.T., Beige H., Movchikova A.A., Malyshkina O.V. Modeling and characterization of piezoelectric and polarization gradienrs // J Electroceram. - 2008. - V.20. - P.47-52].

В растворе титаната-станната бария BaTi_1-xSn_x O₃, основным является состав BaTiO₃, а BaSnO₃ - замещающим.

Рассмотрим технологию получения градиента поляризации в образцах функциональной керамики BaTi_1-xSn_xO₃ (BTS), на примере образцов BTS с градиентом олова 0,075 х 0,15, состоящих из двух (составы BTS7.5 и BTS15), трех (BTS7.5; BTS10; BTS15) и четырех (BTS7.5; BTS10; BTS12.5 и BTS 15) слоев с разной концентрацией олова [Steinhausen R. / Pientschke С., Kuvatov A.Z., Langhammer H.T., Beige H., Movchikova A.A., Malyshkina O.V. Modeling and characterization of piezoelectric and polarization gradienrs // J Electroceram. - 2008. - V.20. - P.47-52].

Приготовления образцов с градиентом концентрации олова возможно двумя разными способами:

1. Прессование и спекание слоев порошка с разной концентрацией олова

Функциональная керамика BTS с градиентом олова синтезируется с последовательным прессованием гранулированного порошка с содержанием 7,5; 10; 12,5 и 15% олова и последующим спеканием в течение одного часа при температуре 1400°С под одноосным давлением приблизительно 1 кПа.

Данная технология позволяет получить материал с градиентом химического состава по толщине образца. Двухслойные образцы содержали составы BTS7.5 и BTS15, трехслойные - BTS7.5, BTS10 и BTS15; четырехслойные - BTS7.5, BTS10, BTS12,5 и BTS15. Для практического применения данные материалы интересны тем, что состав BTS15 при комнатной температуре (выше 24°С) находится в параэлектрической фазе, тогда как составы BTS7.5 и BTS10 в сегнетоэлектрической фазе, состав BTS12.5 имеет область Кюри в интервале 24÷31°С.

2. Склеивание образцов с разной концентрацией олова

Четыре образца керамики BTS, содержащие 7,5; 10; 12,5 и 15% олова склеиваются в один.

Градиент пьезоэлектрических свойств по толщине образцов в описанных выше материалах реализуется за счет слоев с разной концентрацией олова. Неоднородное распределение поляризации по толщине имеет место, когда при температуре поляризации компоненты одного слоя находятся в параэлектрической фазе, другого - в сегнетоэлектрической. В то же время примесь олова в керамику титаната бария значительно понижает точку Кюри материала; область Кюри рассмотренных выше керамик BTS с различной концентрацией олова лежит в интервале 15÷75°С.

Недостаток существующих способов: узкий температурный интервал применения данных материалов от 10 до 70°С.

В связи с этим актуальна задача получения градиента поляризации в однородных по химическому составу пьезоэлектрических керамиках с высокой температурой фазового перехода, что значительно расширит температурный диапазон практического применения.

Теоретически создание градиента поляризации возможно, если в процессе приложения электрического поля в образце существует постоянный градиент температуры. На практике это неосуществимо, поскольку проводимость деполяризованной керамики имеет сильную зависимость от температуры. Степень нагрева поляризуемого образца ограничена вероятностью теплового пробоя. Время поляризации определяется временем релаксации объемных зарядов в образце, обеспечивающих стабилизацию поляризованного состояния. Электрофизические характеристики поляризуемого сегнетоэлектрика ограничивают область допустимых режимов, обусловленных условием теплообмена.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в создании устройства для создания градиента температур в образце пьезоэлектрической керамики для получения в нем градиента поляризации, позволяющем получать поляризованную пьезоэлектрическую керамику с рабочим интервалом температур расширенным более чем в три раза по сравнению с готовыми изделиями, полученными в известных устройствах, и включающим область отрицательных температур, а именно: поляризованная пьезоэлектрическая керамика сохраняет свои свойства при температуре от -50 до +150°С.

Расширение вышеуказанного рабочего интервала температур возможно при соблюдении в устройстве для создания градиента температур в образце пьезоэлектрической керамики для получения в нем градиента поляризации следующих температурных режимов: поляризацию однородного по химическому составу образца пьезоэлектрической керамики с оппозитными плоскими элементами поверхности при температуре 100÷180°С; выдержку образца в течение 3÷5 дней при температуре 20÷25°С; градиентный нагрев образца поляризованной пьезоэлектрической керамики в течение 20÷30 минут, при котором один из плоских элементов поверхности образца нагревается до температуры параэлектрической фазы, а второй плоский элемент поверхности, оппозитный первому, имеет температуру сегнетоэлектрической фазы; охлаждение в электрически свободном состоянии, т.е. с закороченными электродами.

Изобретение поясняется графическими материалами: Фиг.1.

Фиг.1. Устройство для получения градиента поляризации в однородной по химическому составу пьезоэлектрической керамике с оппозитными плоскими элементами поверхности. 1 - нагреваемый стакан; 2 - охлаждаемый стакан; 3, 4 - термопары; 5 - теплоизоляционный кожух; 6 - нагреватель; 7 - образец; 8 - электроды, 9 - подача охлаждающего воздуха от компрессора; 10 - электроизоляция.

Устройство, разработанное для создания и поддержания в образце необходимого градиента температуры и получения градиента поляризации (Фиг.1), состоит из нагреваемого стакана 1, охлаждаемого стакана 2, имеющих плоское днище, причем охлаждаемый стакан помещен коаксиально внутрь нагреваемого стакана с зазором между стенками стаканов, равным 0,25÷0,30 диаметра охлаждаемого стакана. Между плоскими днищами обоих стаканов расположен образец 7 однородной по химическому составу пьезоэлектрической керамики. Образец имеет плоские оппозитные поверхности. Верхняя поверхность (грань) образца примыкает к плоскому днищу охлаждаемого подачей воздуха 9 от компрессора (не показан) стакана 2, нижняя, оппозитная верхней, поверхность образца примыкает к внутренней поверхности плоского днища стакана 1. Охлаждаемый стакан зафиксирован внутри нагреваемого стакана посредством электроизоляции 10. В качестве нагревателя 6 используется низковольтная печь (не показана). Устройство имеет теплоизоляционный кожух 5. Устройство оснащено термопарами 3 и 4.

Контроль температуры и скорости нагрева осуществляется по специализированной программе. Для создания и поддержания градиента температуры по толщине образца проведена разработка и изготовлено устройство для контролируемого охлаждения верхней поверхности образца. Нижняя грань образца нагревается до необходимой для поляризации температуры с использованием низковольтной печи.

Поддержание постоянной температуры в процессе поляризации и контроль температуры осуществляется микроконтроллерным терморегулятором «Минитерм-300.31», имеющим встроенный программный задатчик температур, встроенный порт RS232 для связи с управляющим компьютером и работающий с термопарой типа L в диапазоне температур от -50 до +400°С. Для контроля температуры используются две независимые термопары: термопара 3 - для нагревательного элемента встроена в терморегулятор «Минитерм-300.31», термопара 4 выносная.