Способ металлизации пьезокерамических элементов и устройство для его осуществления

Способ металлизации пьезокерамических элементов и устройство для его осуществления

Реферат

 

Изобретение относится к технологии металлизации поверхности изделий из пьезокерамики методом вжигания металлосодержащей пасты, в частности пасты, содержащей соединения серебра. На поверхность пьезоэлементов наносят металлосодержащую пасту, в частности пасту, содержащую соединения серебра. Затем ее вжигают путем высокочастотного нагрева пьезоэлементов в квазистационарном электрическом поле рабочего конденсатора генератора диэлектрического нагрева с размещением пьезоэлементов между двумя пластинами из диэлектрического материала с высоким значением тангенса угла диэлектрических потерь. Процесс вжигания проводят под контролем потока теплового излучения с поверхности пьезоэлементов. Определяют моменты времени t₁ и t₂, в которые происходит резкое изменение скорости нарастания контролируемого потока теплового излучения. Процесс высокочастотного нагрева завершают в момент t₂ повторного изменения скорости нарастания потока. Устройство для металлизации пьезокерамических элементов содержит электроды рабочего конденсатора генератора диэлектрического нагрева, в котором установлены пьезокерамические элементы, помещенные между двумя подложками из диэлектрического материала с высоким значением тангенса угла диэлектрических потерь, а также радиационный пирометр, средство для канализации потока теплового излучения с поверхности пьезоэлемента к радиационному пирометру и цепь управления, включающую последовательно соединенные дифференциатор, схему сравнения, реле времени и выключатель, управляющий работой генератора диэлектрического нагрева, при этом выход радиационного пирометра связан со входом дифференциатора. Технический результат изобретения - обеспечение высокого качества металлизации пьезокерамических элементов. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к технологии металлизации поверхности изделий из пьезокерамики методом вжигания металлосодержащей пасты, в частности пасты, содержащей соединения серебра.

Известен способ металлизации пьезокерамических элементов, включающий нанесение на поверхность элемента специальной пасты, содержащей соединения серебра, и последующее вжигание этой пасты в поверхностные слои керамики, сопровождающееся восстановлением серебра из его соединений [Глозман И.А. Пьезокерамика. - М.: Энергия, 1972, с. 17-27].

В качестве устройства для реализации данного способа используют электрическую камерную печь.

Согласно способу вжигание пасты, содержащей соединения серебра, производят в окислительной среде (в воздухе) при температуре в печи от 820 до 850^oC с выдержкой при этой температуре в течение 30-60 минут.

Для получения удовлетворительного результата процесс вжигания повторяют три раза. Скорость подъема и снижения температуры в зависимости от типоразмера пьезокерамического элемента регулируют в пределах (1-3)^oC/мин.

Недостатками рассматриваемого способа являются большая продолжительность процесса вжигания (свыше трех суток) и невысокая прочность сцепления серебряного покрытия с керамикой (не более 10 МПа).

Известны способ металлизации поверхности пьезокерамических элементов путем их нагрева в высокочастотном электрическом поле и устройство для его осуществления, которые выбраны авторами за прототип [Температурные функциональные покрытия. Труды XVII Совещания по температурным функциональным покрытиям, ч. 1, Пленарные доклады, СПб, 1997г., с. 120-127].

Согласно данному способу после нанесения на поверхность пьезоэлемента специальной пасты, содержащей соединения серебра, осуществляют высокочастотный нагрев металлизируемого пьезоэлемента в квазистационарном электрическом поле, при этом его размещают между двумя пластинами из диэлектрического материала с высоким значением тангенса угла диэлектрических потерь (0,08 - 1,0).

В качестве устройства для реализации указанного способа используют высокочастотную установку типа ВЧД2-1,6/40. В нагревательной камере металлизируемые изделия помещают в рабочий конденсатор генератора диэлектрического нагрева между двумя подложками из диэлектрического материала, обладающего указанным выше свойством.

Рассматриваемый способ позволяет резко снизить продолжительность процесса металлизации.

Условие квазистационарности электрического поля в процессе высокочастотного нагрева изделий позволяет обеспечить однородность напряженности поля по всей площади электродов рабочего конденсатора генератора диэлектрического нагрева и, следовательно, создает одинаковые условия нагрева для каждого металлизируемого изделия и для всех изделий в обрабатываемой партии, что положительно сказывается на качестве получаемых покрытий.

Размещение пьезоэлементов между двумя пластинами из диэлектрического материала с высоким значением тангенса угла диэлектрических потерь обеспечивает стартовый нагрев сначала поверхностных слоев пьезокерамического элемента, а затем и всего пьезоэлемента в целом.

Однако при проведении процесса по рассматриваемому способу возможен недогрев или перегрев поверхности, что снижает качество металлизации пьезокерамических элементов.

При недогреве наблюдается неполное восстановление серебра, что значительно снижает электрическую проводимость серебряного покрытия и механическую прочность сцепления серебра с керамикой. При перегреве происходит "стягивание" серебра вплоть до образования капель и обнажения отдельных участков поверхности керамических изделий, что снижает качество покрытия.

Указанные процессы происходят, когда температура нагрева отличается в ту или иную сторону от оптимального значения температуры, контролировать которую сложно, что связано с известными трудностями измерения температуры изделий, нагреваемых в сильных высокочастотных полях [Лифсон В.Э.-Я. Специальные термометры для измерения температуры при высокочастотном нагреве диэлектриков. - Электронная обработка материалов, 1988, N 4, с.72- 75]. При проведении высокочастотного нагрева контроль температуры затруднен из-за искажения электрического и теплового полей в материале изделия при введении в него датчика температуры, а также из-за воздействия высокочастотного поля на сам датчик, вследствие чего искажаются его показания. Эти трудности не позволяют при высокочастотном нагреве использовать обычные методы измерения температуры, которые применяются в других областях техники.

Таким образом, невозможность в рассматриваемом способе определить момент времени, когда следует закончить процесс металлизации поверхности пьезокерамических элементов, ухудшает качество изделий.

Задачей предлагаемых способа и устройства является обеспечение высокого качества металлизации пьезокерамических элементов.

Это достигается тем, что в способе металлизации пьезокерамических элементов, включающем нанесение на поверхность пьезоэлементов металлосодержащей пасты, в частности пасты, содержащей соединения серебра, и последующее ее вжигание путем высокочастотного нагрева пьезоэлементов в квазистационарном электрическом поле рабочего конденсатора генератора диэлектрического нагрева с размещением пьезоэлементов между двумя пластинами из диэлектрического материала с высоким значением тангенса угла диэлектрических потерь, согласно изобретению процесс вжигания проводят под контролем потока теплового излучения с поверхности пьезоэлементов, определяют моменты времени t₁ и t₂, в которые происходит резкое изменение скорости нарастания контролируемого потока теплового излучения, при этом процесс высокочастотного нагрева завершают в момент t₂ повторного изменения скорости нарастания потока.

Это достигается также тем, что устройство для металлизации пьезокерамических элементов, содержащее электроды рабочего конденсатора генератора диэлектрического нагрева, в котором установлены пьезокерамические элементы, помещенные между двумя подложками из диэлектрического материала с высоким значением тангенса угла диэлектрических потерь, согласно изобретению содержит радиационный пирометр, средство для канализации потока теплового излучения с поверхности пьезоэлемента к радиационному пирометру, а также цепь управления, включающую последовательно соединенные дифференциатор, схему сравнения, реле времени и выключатель, управляющий работой генератора диэлектрического нагрева, при этом выход радиационного пирометра связан со входом дифференциатора.

Кроме того, согласно изобретению средство для канализации потока теплового излучения с поверхности пьезоэлемента включает световод, выходное отверстие которого сопряжено со входом пирометра, при этом параметры световода рассчитаны из условия затухания в нем электромагнитного поля электродов генератора диэлектрического нагрева.

Принципиальным в заявляемых способе и устройстве для его осуществления является то, что процесс вжигания металлосодержащей пасты, нанесенной на поверхность пьезокерамических элементов, осуществляют, контролируя протекание процесса образования металлической пленки на поверхности пьезокерамических элементов. В качестве критерия завершенности процесса вжигания металлосодержащей пасты в предлагаемом способе используют эффект резкого уменьшения степени черноты поверхности пьезоэлемента вследствие образования на ней слоя металла. При этом авторы предлагают контролировать степень черноты поверхности путем измерения потока теплового излучения с поверхности пьезоэлементов. Как показали проведенные авторами исследования, в момент времени ti, соответствующий началу формирования металлической пленки на пьезоэлементе, резко изменяется (уменьшается) скорость нарастания потока теплового излучения с его поверхности. В ходе дальнейшего нагрева в момент времени t₂, соответствующий окончанию формирования металлической пленки на пьезоэлементе, также происходит резкое изменение (увеличение) скорости нарастания потока теплового излучения с металлизированной поверхности изделия.

Процесс металлизации поверхности пьезоэлементов завершают в момент времени t₂, когда полностью сформировалась однородная металлическая пленка на поверхности пьезоэлементов. Тем самым, в предлагаемом способе исключаются недостатки, связанные с недогревом или перегревом поверхности металлизируемых изделий.

Предлагаемое устройство позволяет осуществлять процесс металлизации пьезоэлементов с завершением высокочастотного нагрева в оптимальный с точки зрения качества металлического покрытия момент времени.

Применение радиационного пирометра позволяет измерять поток теплового излучения с поверхности пьезоэлементов, а цепь управления позволяет отключить генератор диэлектрического нагрева в момент времени t₂, соответствующий завершению процесса металлизации.

Включение световода в средство для канализации потока теплового излучения с поверхности пьезоэлементов к радиационному пирометру исключает влияние на показания пирометра электромагнитного поля электродов генератора диэлектрического нагрева.

На фиг. 1 представлен график изменения потока теплового излучения при высокочастотной металлизации ряда партий изделий из пьезокерамики.

На фиг.2 представлена функциональная схема устройства для осуществления предлагаемого способа.

На фиг.3 представлен чертеж общего вида рабочего конденсатора генератора диэлектрического нагрева со средством для канализации теплового потока с поверхности пьезоэлемента к радиационному пирометру.

Способ осуществляют следующим образом.

Наносят металлосодержащую пасту, например, содержащую соединения серебра, на металлизируемые поверхности пьезокерамических элементов. Высушивают изделия с нанесенной на их поверхность пастой на воздухе. Помещают группу металлизируемых изделий между пластинами из диэлектрического материала с высоким значением тангенса угла диэлектрических потерь (от 0,08 до 1,0), например из асбоалунда.

Изделия, помещенные между пластинами из указанного материала, устанавливают между электродами рабочего конденсатора генератора диэлектрического нагрева, осуществляют процесс высокочастотного нагрева изделий в квазистационарном электрическом поле, контролируя поток теплового излучения с поверхности пьезоэлементов. Определяют моменты времени t₁ и t₂, в которые происходит резкое изменение скорости нарастания потока излучения с поверхности пьезоэлементов.

Осуществляют выключение генератора диэлектрического нагрева в момент времени t₂, соответствующий повторному изменению скорости нарастания потока теплового излучения с поверхности пьезоэлементов, которое происходит в момент окончания процесса формирования на ней слоя металла.

Завершение процесса высокочастотного нагрева в момент времени t₂ может быть осуществлено путем фиксации момента времени t₁, когда происходит первоначальное изменение скорости нарастания потока теплового излучения (начало резкого изменения степени черноты поверхности пьезоэлементов), и последующего отключения генератора диэлектрического нагрева через фиксированный интервал времени t, соответствующий интервалу времени (t₂ - t₁), при этом интервал t может быть определен в ходе предварительных исследований для опытной партии металлизируемых изделий.

Так, на фиг.1 представлены графики изменения потока теплового излучения Ф с поверхности пьезоэлементов для (I-IV) партий образцов изделий из пьезокерамики. Для изделий из II партии показаны моменты времени t₁ и t₂ резкого изменения скорости нарастания потока теплового излучения с поверхности пьезоэлемента на участке времени от ₀ до t₃. Указанная графическая зависимость позволяет определить величину искомого интервала t. С помощью указанного графика также можно определить значение скорости нарастания потока теплового излучения с поверхности пьезоэлемента на участке t, которое можно использовать для сравнения с текущим измеряемым значением скорости нарастания потока теплового излучения для выработки на базе их сравнения сигнала, управляющего отключением генератора диэлектрического нагрева.

Устройство для металлизации пьезокерамических элементов включает (см. фиг. 2) металлизируемые изделия 1, радиационный пирометр 2, контролирующий поток теплового излучения с поверхности изделия 1, и цепь управления, включающую последовательно соединенные дифференциатор 3 медленно меняющихся сигналов, схему сравнения (компаратор) 4, реле времени 5 и выключатель 6, управляющий работой генератора 7 диэлектрического нагрева.

Устройство также снабжено средством для канализации потока теплового излучения с поверхности изделия 1, которое содержит световод 8, сопряженный со входом пирометра 2.

Металлизируемые изделия 1 (см. фиг. 3) помещены в кассету, состоящую из матрицы 9 и крышки 10, изготовленных из материала с высоким тангенсом угла диэлектрических потерь. Кассета с изделиями 1 установлена между высоковольтным 11 и заземленным 12 электродами рабочего конденсатора генератора 7 диэлектрического нагрева. Высоковольтный электрод 11 жестко закреплен на изоляционной плите 13 и соединен шиной 14 с генератором 7. Для установки кассеты с изделиями 1 между электродами 11 и 12 заземленный электрод 12 выполнен с возможностью перемещения в вертикальном направлении с помощью привода 15. Для предотвращения проникновения электромагнитного излучения в окружающую среду рабочий конденсатор генератора 7 окружен заземленным экраном 16. Для канализации потока теплового излучения с поверхности изделий 1 к радиационному пирометру 2 в крышке 10 и электроде 12 выполнены соосные отверстия. На экране 16 установлен световод 8. Отверстие световода 8 затянуто полимерной пленкой 17, пропускающей инфракрасное излучение, но препятствующей влиянию на показания пирометра 2 конвенционных потоков нагретого воздуха.

Размеры световода рассчитываются из условия затухания в нем электромагнитного поля электродов 11 и 12.

Устройство работает следующим образом. Металлизируемые изделия 1 помещают в кассету, состоящую из матрицы 9 и крышки 10. Кассету устанавливают между электродами 11 и 12 рабочего конденсатора генератора 7 с помощью привода 15.

Включают генератор 7 и начинают осуществлять высокочастотный нагрев изделий 1 в квазистационарном электрическом поле. С помощью пирометра 2, сопряженного с одним из изделий 1 посредством световода 8, осуществляют измерение потока теплового излучения с поверхности изделия 1. Выходной сигнал с пирометра 2 подается на вход дифференциатора 3, где определяется скорость изменения потока теплового излучения с поверхности изделия 1, и далее в компаратор 4, где сигнал с выхода дифференциатора 3 сравнивается с величиной, соответствующей предварительно установленному значению скорости нарастания потока теплового излучения с поверхности опытной партии изделий 1 на участке времени t (см, фиг. 1). При совпадении указанных величин с выхода компаратора 4 подается сигнал на реле времени 5, которое через заданный расчетный интервал времени t (см. фиг. 1) срабатывает, вследствие чего выключатель 6 отключает генератор 7.

По окончании процесса металлизации вынимают кассету из рабочего конденсатора и извлекают из нее готовые изделия 1.

Устройство может быть реализовано с применением компьютера, который подключен к радиационному пирометру через аналого-цифровой преобразователь. Применение компьютера позволяет реализовать предлагаемый способ для образцов различных типоразмеров и составов, а также для различных составов паст.

Формула изобретения

1. Способ металлизации пьезокерамических элементов, включающий нанесение на поверхность пьезоэлементов металлосодержащей пасты, в частности пасты, содержащей соединение серебра, и последующее ее вжигание путем высокочастотного нагрева пьезоэлементов в квазистационарном электрическом поле рабочего конденсатора генератора диэлектрического нагрева с размещением пьезоэлементов между двумя пластинами из диэлектрического материала с высоким значением тангенса угла диэлектрических потерь, отличающийся тем, что процесс вжигания проводят под контролем потока теплового излучения с поверхности пьезоэлементов, определяют моменты времени t₁ и t₂, в которые происходит резкове изменение скорости нарастания контролируемого потока теплового излучения, при этом процесс высокочастотного нагрева завершают в момент t₂ повторного изменения скорости нарастания потока.

2. Устройство для металлизации пьезокерамических элементов, содержащее электроды рабочего конденсатора генератора диэлектрического нагрева, в котором установлены пьезокерамические элементы, помещенные между двумя подложками из диэлектрического материала с высоким значением тангенса угла диэлектрических потерь, отличающееся тем, что устройство содержит радиационный пирометр, средство для канализации потока теплового излучения с поверхности пьезоэлемента к радиационному пирометру, а также цепь управления, включающую последовательно соединенные дифференциатор, схему сравнения, реле времени и выключатель, управляющий работой генератора диэлектрического нагрева, при этом выход радиационного пирометра связан со входом дифференциатора.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что средство для канализации потока теплового излучения с поверхности пьезоэлемента включает световод, выходное отверстие которого сопряжено со входом пирометра, при этом параметры световода рассчитаны из условия затухания в нем электромагнитного поля электродов генератора диэлектрического нагрева.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3