Сегнетожёсткие пьезоматериалы (PIC-181, PIC-184, PIC-300) отличаются устойчивостью к высоким электрическим и механическим воздействиям, низкими диэлектрическими потерями, что позволяет их использовать для создания мощных ультразвуковых устройств, пьезодвигателей.
Бессвинцовые материалы (PIC-700, PIC-050) отличаются высокой температурой Кюри (>500 °С), что позволяет использовать их длительное время на резонансной моде, а также обладают высокой линейностью, что позволяет создавать актуаторы с высокой повторяемостью позиционирования. Основным недостатком данных материалов является низкое значение пьезомодуля, ограничивающее ход актуаторов до нескольких микрон.
|
Область применения
|
PIC-181
|
PIC-184
|
PIC-300
|
PIC-700
|
PIC-050
|
|
Ультразвуковые пьезодвигатели
|
х
|
|
|
|
|
|
Гидроакустика (гидролокаторы, эхолоты)
|
|
х
|
|
х
|
|
|
Приложения, где требуется устойчивость к воздействию высоких температур (до 300 °С)
|
|
|
х
|
|
|
|
Ультразвуковые ванны/диспергаторы/сварка/сверление/склеивание
|
х
|
|
|
|
|
|
Ультразвуковые пьезопреобразователи в диапазоне более 1 МГц
|
|
|
|
х
|
|
|
Актуаторы, обладающие высокой линейностью (низким уровнем гистерезиса), высокочастотное позиционирование, температурная стабильность
|
|
|
|
|
х
|
Технология производства пьезокерамических элементов
Процесс изготовления пьезокерамики можно разделить на несколько этапов.
Прессование
Основными компонентами исходного сырья являются оксиды титана, циркония и свинца. Выпускаются также пьезокерамические материалы на основе титаната висмута и титаната бария. Перед стадией прессования полученный из исходных веществ порошок подвергают обжигу, измельчению и сушке методом распыления. Сами прессовки изготавливаются методом гидравлического прессования (рис.1).
Рис.1 Процесс прессования
Прессовки могут иметь различные формы: диск, пластина, стержень или цилиндр. Широкий выбор пресс-матриц позволяет изготавливать пьезоэлементы различных размеров: до 80 мм в диаметре и до 50 мм в высоту. До стадии спекания прессовки могут быть подвержены механической обработке.
Спекание
Спекание осуществляется при температурах до 1300 °С, при этом прессовка уменьшается в объёме приблизительно на 30 %. В результате получается твёрдая пьезокерамика с высокой плотностью и поликристаллической структурой (рис.2).
Рис.2 Прессовки после спекания
Механическая обработка
При необходимости возможно осуществлять обработку прессовок после спекания. Пьезодиски и пьезопластины могут иметь толщину от 0.2 мм, существует возможность сверления отверстий с диаметром от 0.3 мм. Почти любые контуры поверхностей пьезоэлементов могут быть изготовлены с точностью до 0.1 мм. Ультразвуковая обработка используется в случаях производства тонкостенных пьезотрубок с толщиной стенок порядка 0.5 мм. На рис.3 показана механическая обработка прессовок после стадии спекания. Вначале их располагают в виде плотной упаковки и склеивают для надёжной фиксации, затем проводят алмазную резку, после чего подвергают шлифованию, что позволяет обеспечить соответствие формы и размеров требуемому диапазону допусков. Геометрические размеры и свойства материала в конечном счёте определяют функциональные параметры, такие как резонансная частота, ёмкость, жёсткость.
Рис. 3 Процесс обработки прессовок
Нанесение электродов на пьезоэлементы
Наибольшее распространение получил способ вжигания серебра или сплава серебра с палладием, который состоит в следующем: на обезжиренную поверхность заготовки наносят слой серебряной пасты (смесь окиси серебра и связки), затем заготовки просушивают и производят вжигание при температуре порядка 800 °С. Типичная толщина получаемой плёнки составляет от 5 мкм до 10 мкм.
Рис.4 Процесс нанесения электродов методом трафаретной печати
Тонкоплёночные электроды наносят методом осаждения из газовой фазы (рис.5), при этом толщина плёнки составляет 1 мкм. Стандартными материалами для напыления являются золото, медь, сплав меди с никелем. Данный метод широко применяется для нанесения электродов на стенки пьезотрубок.
Рис.5 Процесс нанесения электродов методом конденсации из газовой фазы
Поляризация
Направление поляризации каждого домена в поликристаллической структуре распределяется случайным образом. Таким образом, в макроскопическом масштабе пьезоэлектрического эффекта не наблюдается, поэтому проводят процесс поляризации (рис.6) для выравнивания доменов.
Для поляризации к электродам подводится электрическое напряжение. Напряжённость поля составляет величину порядка 3000 В/мм. С целью уменьшения напряженности поля в ходе процесса поляризации пьезоэлемент нагревают до температур, близких к точке Кюри (т. к. при этом домены обладают большей подвижностью), а затем медленно охлаждают в присутствии поля.
Рис.6 Процесс поляризации пьезоэлементов
Заключительная проверка пьезокерамических элементов
Перед отгрузкой пьезоэлементов на склад осуществляется перечень процедур контроля по стандарту ISO 2859, включающие:
- Тестирование физических свойств, таких как резонансная частота, сопротивление, ёмкость, коэффициенты электромеханической связи и тангенс угла диэлектрических потерь.
- Визуальное инспектирование пьезоэлементов по стандарту MIL-STD-1376, в частности проверка качества поверхности электродов, пор внутри пьезокерамики, сколов по краям, царапин и т.п
