Способ изготовления образца материала пьезокристаллических преобразователей для механических испытаний

Способ изготовления образца материала пьезокристаллических преобразователей для механических испытаний

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к механическим испытаниям 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 а (0,0Т-0,03)ff-i, гдеси - предел выносливости материала пьезоэле- .ментов 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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧ Е С К ИХ

РЕспуБлик (5!)5 G 01 N 3/00 (U«g:, ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

4 Ф. д 4

Ю

О

М

0 (21) 4779581/28 (22) 08.01.90 (46) 15.04.92. Бюл. ¹ 14 (71) Институт проблем прочности АН УССР (72) Г.Г.Писаренко, В.Н.Решетинский и

B Ê.ÕàóñTîâ (53).620.179.2(088,8) (56) Смажевская Б.Г. и др. Пьезоэлектрическая керамика. M.: Сов. радио, 1971, с. 147. (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБРАЗЦА

МАТЕРИАЛА П Ь ЕЗОКЕ РАМИЧ Е СКИХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ (57) Изобретение относится к механическим испытаниям конструкций и материалов.

Целью изобретения является повышеБ1 м 1727026 А1 ние 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 G=(0,01 — 0,03)U-l, гдео-1— 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.

1727026

U =o

Сзз С1 F

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

o = (0,01 — 0,03) a-<, где o-< — предел выносливости материала элементов, а во время полимеризации клеевого состава на элементы подают постоянное электрическое напряжение U в направлении их растяжения, величину, которого выбирают из соотношения где о — амплитуда циклического напряжения, возникающего в элементах в условиях эксплуатации; ! — длина элементов;

55 йзз — и ьезоэлектрическая постоя нная материала элементов;

С11 — упругая постоянная материала шпильки;

C33 — упругая постоянная материала элемента;

F — площадь поперечного сечения шпильки;

F — площадь поперечного сечения элементов.

Образец стержневого пьезокерамического преобразователя представляет собой набор кольцевых пьезокерамических 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 электромеха нической 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 коль1727026 цевых пьезоэлементах, составляющие о" = {0,01 — 0,03) о- 1 получены авторами экспериментально. Так при сг< 0,01о-< отмечены 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 > 0,03о-< появляется 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 е40 xj32x5 мм состава ЦТБС-З.

Амплитуда испытательных напряжений осоставляла 10 МПа, Предел выносливости и-1= 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 шва, свободного от внутренних напряжений, т,е. с улучшенным качеством клеевого шва.

Величина подводимого электрического напряжения связана с величиной циклического напряжения, развиваемого в пьезопреобразователе при эксплуатационных режимах работы. Это связано с необходимостью создания в клеевом шве за счет пьезоэлектрического сжатия, еще на стадии его формирования, напряженно-деформированного состояния, которое соответствует эксплуатацион н ым режимам и реобразователя, что позволяет определить влияние отдельных узлов конструкции преобразователя на его механические параметры при

5 реальных нагрузках, Таким образом, качество клеевых швов, сформированных при подготовке преобразователя к механическим испытаниям за счет меньших внутренних остаточных на10 пряжений в преобразователе позволяет не учитывать состояния клеевых швов на результаты последующих испытаний, Т,е, применение предлагаемого способа подготовки образцов к механическим испы15 таниям позволяет существенно повысить достоверность испытаний, поскольку образцы преобразователей становятся однородными и разброс прочности клеевых швов уже не влияет на результаты механических

20 испытаний, что существенно повышает достоверность испытаний.

В процессе сборки преобразователя на клеевые швы пьезоэлементов действует сжимающее напряжение o .

25 Подача на пьезоэлементы постоянного электрического напряжения в направлении растяжения пьезоэлементов вызывает суммарное механическое напряжение сжатия клеевого слоя, равное

30 ст, =о +о,, (2) o„»o и о =оп. (3) При этом величина суммарного механи45 ческого напряжения о, обеспечивающего сжатие клеевых швов, должна быть равной величине динамического напряжения ст, развиваемого в преобразователе при эксплуатационных режимах работы

50 (4) o =o.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 внутгде о" — механическое напряжение сжатия;

o„механическое напряжение в пьезо35 керамических элементах; возникшее в результате подачи на них постоянного электрического напряжения. Это напряжение создает дополнительное пьезоэлектрическое сжатие клеевых швов.

40 На практике всегда

1727026 и

Рп (5) (8) Pn= Рш

U Pn ! зз Сзз Fn

С . Р— 0 (9) Л! =Лш, (6) (7) Pn

Сзз Fn и йзз

Сзз С11 Рш 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 0 можно выразить как где Pn — сила, приложенная к пьезоэлементу в результате действия статического электрического поля;

Fn — площадь поперечного сечения пьезоэлементов.

Согласно третьему закону Ньютона где Рш — усилие, возникающее в шпильке вследствие приложения 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 вЂ” деформация пьезоэлементов преобразователя;

Л ш — деформация шпильки.

Уравнение деформации пьезоэлементов под воздействием постоянного электрического поля выражается где U — величина приложенного к пьезоэлементам постоянного электрического напряжения;

Ьзз — пьезоэлектрическая постоянная материала пьезоэлементов;

l — 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 элект5 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 формуле

15 Р !

Лш—

С Рш где P> — сила, действующая на шпильку;

Еш — площадь поперечного сечения

20 шпильки;

С11 — упругая постоянная материала шпильки, В результате из уравнений (7), (8) с учетом (6) следует

Далее, согласно (5) и (9) следует

30 — (10) ! зз сзз С Рш

Выражение (9) позволяет определить величину 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 о

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 эффекTbI

При увеличении амплитуды механического сжатия клеевого слоя, увеличивается в нем остаточное внутреннее напряжение, что снижает прочность преобразователя, а

1727026

10 сверхсуммарный эффект, получаемый в результате новой совокупности признаков заключается в компенсации остаточных внутренних напряжений и повышении однородности преобразователей по прочности.

Таким образом, при использовании и редл а гае мого способа и редставля ется возможным повысить достоверность экспериментального определения механических параметров конструкции пьезопреобразователя.

На фиг. 1 схематически показаны изготавливаемый пьезокерамический преобразо вател ь.

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 формуле где i0 — ток через преобразователь;

EK — модуль упругости;

Кф — коэффициент формы;

N — коэффициент трансформации;

С вЂ” скорость звука.

Далее подготавливаются остальные образцы партии, Подготавливаются 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 клеящая масса(например, клей ДМ5-65 на основе эпоксидной смолы ЭД-5 с отвердителем), собирается преобразователь и склеиваемые поверхности подвергаются при помощи шпильки сжатию до появления в них напряжений.

После этого на контакты преобразова5

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

25 эпоксидным компаундом (например, 85 ": 10 С) для ДМ-5-.65 в течение 24 ч и последующее снятие электрического напряжения.

В качестве примера была приведена

U5 1060Л6 166 id 21 10 20096 10 6+136 10N6024 10 б

1Ý.б 10 21 1О 200.96 10

4 <6 подготовка серии образцов стержневых пьезопреобразователей к механическим испытаниям на пьезокерамики типа ЦТБС-З, Пьезокерамические стержни склеивались

35 из пьезокерамических колец 40х32х5 мм.

Значения параметров в,данном случае были следующие: Сзз = 13,6 10 МПа; С1 1= 21 104 МПа;

h33 = 15,6 10 В/M;! = 0,06 м; Fn = 50 24 мм;

F = 200,96 мм, Амплитуда циклических г

40 напряжений, соответствующая эксплуатационному режиму, равнялась o = 5 МПа, Эксплуатационный режим соответствовал нагружению преобразователя циклическими нагрузкàMè с резонансной частотой, рав45 ной 15 кГц, до амплитуды смещения рабочей поверхности около 8 мкм. Предварительно после сборки образцы подвергали сжатию до напряжений s нихо =0,2 МПа, так како- 1=

20 МПа для пьезокерамики ЦТБС-3. Подста50 вив значение о в формуле (1) получили амплитуду постоянного электрического напряжения.

1727026

12 жения, величину которого выбирают из соотношения

Формула изобретения

Сзз С Рш

Составитель Г,Писаренко

Редактор 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-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. 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, отличающийся 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 o = (0,01 — 0,03) o- >, где 0-1— предел выносливости материала элементов, а во время полимеризации клеевого состава на элементы подают постоянное электрическое напряжение U в направлении их растягде o — амплитуда циклического напряжения, возникающего в элементах в условиях эксплуатации;

10 I — длина элементов;

Ьзз — пьезоэлектрическая постоянная материала элементов;

С)1 — упругая постоянная материала шпильки;

15 Сзз — упругая постоянная материала элемента;

FUj — площадь поперечного сечения шпильки;

F — площадь поперечного сечения эле20 ментов.