автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Получение керамических и полимерно-керамических материалов на основе цирконата-титаната свинца взрывным нагружением

кандидат технических наук
Логинов,
Олег Николаевич
город
Пенза
год
2003
специальность ВАК РФ
05.02.01
Диссертация по машиностроению и машиноведению на тему «Получение керамических и полимерно-керамических материалов на основе цирконата-титаната свинца взрывным нагружением»

Автореферат диссертации по теме "Получение керамических и полимерно-керамических материалов на основе цирконата-титаната свинца взрывным нагружением"

На правах рукописи

ЛОГИНОВ Олег Николаевич

ПОЛУЧЕНИЕ КЕРАМИЧЕСКИХ И ПОЛИМЕРНО-КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ЦИРКОНАТА-ТИТАНАТА СВИНЦА ВЗРЫВНЫМ НАГРУЖЕНИЕМ

Специальность 05.02.01 — Материаловедение (машиностроение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 2003

Работа выполнена в Пензенском государственном университете.

Научный руководитель - заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Атрощенко Э. С.

Официальные оппоненты — доктор технических наук

профессор Лдаменко Н. А.; кандидат технических наук Смирнов Г. А.

Ведущее предприятие — ФГУП «НИИФИ», г. Пенза.

Защита диссертации состоится «_» декабря 2003 г., в

«_» часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.03

при Пензенском государственном университете по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенского государственного университета.

Автореферат разослан «_» октября 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук,

профессор Соколов В. О.

2ооз-А ¿5

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одними из основных функциональных материалов датчиковой аппаратуры электроники и приборостроения являются пьезокерамические материалы, неослабевающий интерес к которым обусловлен их широкими функциональными возможностями, высокой надежностью и возможностью миниатюризации изделий на их основе. Однако природа керамических материалов накладывает ряд серьезных ограничений на производство и применение изделий на их основе, определяет профиль и размеры изделий.

Наряду с традиционными сегнетокерамическими материалами широкое распространение приобретают композиционные материалы на основе пьезокерамики с добавлением полимерного компонента. Особый интерес вызывают термопластичные полимеры, обладающие в своем большинстве высоким коэффициентом трещиностойкости, широкой областью упругих деформаций в сочетании с высокой технологичностью и надежностью и позволяющие расширить номенклатуру изделий и упростить технологию получения сложнопрофильных пье-зоактивных изделий методом горячего прессования.

Механические и пьезоэлектрические свойства керамических материалов сильно зависят от структуры, пористости, фазового состава керамики, а в случае полимерно-керамического материала (ПКМ) -еще и от пространственного распределения керамики в полимере и взаимодействий на границе раздела фаз.

В этой связи эффективным является технология взрывного на-гружения, реализующая высокоэнергетические термомеханические воздействия, способствующие активации исходного материала и получению изделий высокой плотности и прочности.

Вместе с тем применение технологии взрывного нагружения в производстве изделий из керамических и полимерно-керамических материалов сдерживается рядом особенностей. В частности, малоизученными остаются вопросы влияния параметров взрывного прессования на структуру и свойства материала, на технологические особенности процесса спекания заготовок, полученных взрывным прессованием. Для выбора технологических параметров взрывного нагружения необходимо знать механизмы уплотнения порошковых материалов и учитывать их влияние на конечные свойства заготовок, однако существующие модели, описывающие динамику протекающих процессов, имеют ряд недоработ нных во-

просов требует проведения комплексных исследований с целью выявления особенностей влияния режимов взрывного нагружения на структуру и физико-механические свойства материалов различной химической природы: металлов, керамик, термопластичных, термореактивных полимеров и композиционных материалов на их основе.

Настоящая работа проводилась в рамках гранта Министерства образования РФ «Разработка научных основ формирования структуры и свойств порошковых заготовок, полученных методом взрывного прессования и ударно-волновой активации» (гос. per. № 01.9.80004081) и госбюджетной темы целевого финансирования научно-исследовательской программы «Разработка технологии взрывного прессования композиционных керамико-металлических, полимерно-керамических и сегнетокерамических материалов различного функционального назначения» (гос. per. № 01.20.0008182).

Цель работы - получение керамических и полимерно-керамических пьезочувствительных материалов на основе цирконата-титаната свинца взрывным нагружением для изделий различного функционального назначения с повышенными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

- создать математическую модель взрывного прессования для определения взаимосвязи и влияния параметров процесса на конечные эксплуатационные свойства изделий с учетом особенностей квазистатического и ударно-волнового механизмов уплотнения;

- исследовать влияние параметров взрывного прессования на структуру и свойства получаемых материалов;

- выявить особенности кинетики спекания керамических заготовок после взрывного прессования и ударно-волновой активации;

- исследовать связь между параметрами взрывного нагружения, спеканием, фазовым составом и эксплуатационными свойствами изделий;

- разработать устройства взрывного прессования и активации пьезокерамических и полимерно-керамических композиционных материалов в условиях промышленного производства;

- использовать полученные результаты для внедрения технологии и материалов в производство.

Методы исследования. В качестве объекта исследования были выбраны пьезокерамический материал системы цирконат-титанат свинца марки ЦТС-19, обладающий наилучшими показателями электрофизических характеристик и применяемый для высокочувствительных пьезокерамических элементов, работающих как в условиях приема, так и излучения, и полимерно-керамические материалы на, основе полиэтилена низкого давления (ГОСТ 16338-85), с объемной долей пьезокерамики (ЦТС-19) - 50 и 70 % (ПКМ-50, ПКМ-70). В качестве взрывчатого вещества использовали аммонит марки 6ЖВ.

Методы исследований выбирали на основе стандартных методик, исходя из возможности получения наиболее полной информации об изменении структуры и свойств материала после взрывного нагру-жения, спекания и поляризации изделий. Для анализа структуры керамики применены рентгеноструктурный, рентгенографический, металлографический, электронно-микроскопический и дилатометрический и дериватографический анализы. В ходе исследования ПКМ проводили измерения плотности (ГОСТ 2409-80) и предела механической прочности при растяжении (ГОСТ 11262-80). Исследования микроструктуры проводили с помощью электронно-зондового микроанализатора "УСАТ- 733".

Обработку полученных данных и реализацию программной части работы проводили с использованием /ВМ-совместимых ПЭВМ.

Научная новизна.

1. Предложены математические модели ударно-волнового и квазистатического нагружения порошковых материалов, позволяющие расчетным путем определять основные технологические параметры процесса с целью получения порошковых заготовок с заданной плотностью, структурой и физико-механическими свойствами. Установлены области применения ударно-волнового и квазистатического режимов для получения качественных заготовок керамических и полимерно-керамических материалов.

2. Установлена взаимосвязь между параметрами ударно-волнового и квазистатического нагружения дефектностью кристаллического строения, плотностью и механическими свойствами порошковых заготовок из керамических и полимерно-керамических материалов на основе цирконата-титаната свинца.

3. Выявлено влияние режимов и параметров взрывного нагружения на состав атмосферообразующей засыпки, температуру и время

спекания, структуру и фазовый состав пьезокерамических материалов. Показана возможность управления фазовым составом за счет смещения границ морфотропной области, в сторону увеличения доли ромбоэдрической фазы (до 15 %). Установлены основные технологические параметры (давление горячего прессования, время и температура), влияющие на формирование структуры полимерно-керамических материалов.

4. Установлены зависимости между параметрами взрывного нагружения, режимами спекания, поляризации, структурой и физико-механическими свойствами керамических и полимерно-керамических материалов. Показано, что повышение механических, электрофизических и эксплуатационных свойств обусловлено низкой пористостью, фазовым составом, высокоплотной структурой и более прочной связью между частицами в керамическом материале и между матрицей и частицами в полимерно-керамическом материале.

Практическая ценность работы.

1. На основе предложенных математических моделей уплотнения по квазистатическому и ударно-волновому механизмам создана прикладная расчетная программа, позволяющая производить исследовательские расчеты параметров взрывного нагружения, для получения заготовок требуемых габаритных размеров и конечной плотности.

2. Разработаны рекомендации по выбору рациональных параметров взрывного нагружения и активации, режимов спекания и поляризации, позволяющие на основе керамики состава цирконат-титанат свинца (ЦТС-19) получать пьезоэлементы с повышенными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками.

3. Выявлены общие закономерности формирования структуры и физико-механических свойств полимерно-керамических материалов на основе пьезокерамики ЦТС-19 и полиэтилена низкого давления при взрывном и горячем статическом прессовании.

4. Предложено устройство" позволяющее производить активацию требуемого объема материала за счет применения контейнера сборно-разборной конструкции (патент РФ № 2193947 от 10.12.2002).

Реализация работы.

Результаты диссертации применяются на ФГУП «НИИЭМП» (г. Пенза) в рамках научно-исследовательской работы «Разработка и исследование новых перспективных изделий датчиковой аппаратуры на основе керамических и композиционных материалов». Пьезокера-

мические материалы, полученные по технологии взрывного прессования, использованы на ФГУП «НИИФИ» (г. Пенза) для улучшения эксплуатационных характеристик пьезоэлементов датчика ЛХ 611. Условный экономический эффект от внедрения составил 54,18 тыс. рублей (в ценах 2003 г.). Доля участия автора составила 40 %.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Математическая модель, описывающая динамику процесса уплотнения при квазистатическом и ударно-волновом механизмах уплотнения порошковых материалов при взрывном нагружении по плоской схеме и устанавливающая связь между технологическими характеристиками процесса и плотностью заготовок.

2. Результаты исследований влияния квазистатического и ударно-волнового режимов взрывного прессования и активации на несовершенства кристаллического строения, фрагментацию частиц, степень развитости их контактной зоны и кинетику спекания заготовок пье-зокерамического материала марки ЦТС-19.

3. Обоснование режимов взрывного и статического горячего прессования, позволяющих управлять величиной плотности, прочности и полимерно-керамических заготовок.

4. Результаты экспериментальных исследований влияния взрывного нагружения, режимов спекания и поляризации на механические, электрофизические и эксплуатационные характеристики пьезокера-мических и полимерно-керамических элементов на основе ЦТС-19.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии на рубеже веков» (г. Пенза, 2000 г.), 1П Всероссийской научно-практической конференции «Технические средства охраны, комплексы охранной сигнализации и системы управления доступом» (г. Заречный, Пензенская область, 2000 г.), конференции «Фундаментальные проблемы металлургии» (г. Екатеринбург, 2000 г.), международной конференции «Слоистые композиционные материалы-2001» (г. Волгоград, 2001 г.), Ш и IV Всероссийских научно-технических конференциях «Новые химические технологии: производство и применение» (г. Пенза, 2001, 2002 гг.), I и П Всероссийских научно-технических конференциях «Инновации в машиностроении» (г. Пенза, 2001, 2002 гг.), международной научно-технической конференции «Современные материалы и технологии-2002» (г. Пенза, 2002 г.), УШ международной научно-технической конференции «Проблемы машиностроения и технологии материалов

на рубеже веков» (г. Пенза, 2003 г.), на ежегодных научно-технических конференциях в Пензенском государственном университете.

Исследования в области технологии взрывного прессования и ударно-волновой обработки материалов отмечены золотой и серебряной медалями I и П1 международного салона инноваций и инвестиций (г. Москва, ВВЦ, 2001 г., 2003 г.), дипломом Всероссийского научно-практического форума «Россия Единая» (г. Н. Новгород, 2002 г.), дипломами региональных выставок.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 работ, в том числе патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 137 наименований и двух приложений. Общий объем составляет 201 страницу, из них 123 страницы машинописного текста, 11 таблиц, 48 рисунков, два приложения на 14 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены основные положения, выносимые на защиту, и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе на основе литературного обзора приводятся характеристики применяемых пьезокерамических материалов системы цирконат-титанат свинца, выбран материал ЦТС-19 как материал, обладающий наилучшими показателями эксплуатационных свойств и повышенной стабильностью электрофизических характеристик высокочувствительных пьезокерамических элементов, работающих в условиях как приема, так и излучения.

Показано, что эксплуатационные свойства пьезочувствительных материалов являются структурно-чувствительными, что обусловливает широкий диапазон вариаций при изменении величины плотности, зернового или фазового состава. В связи с этим сделано предположение о перспективности применения технологии взрывного на-гружения, под которым понимается взрывное прессование порошка для получения компактной заготовки (ВП) и ударно-волновая обработка материала с целью его активации (УВА), что на дальнейших стадиях обработки способствует повышению плотности и прочности формируемых изделий, улучшению физико-механических и эксплуатационных свойств материалов.

Отмечена перспектива разработки и применения полимерно-керамических композиционных материалов, обладающих наряду с пьезочувствительностью уникальным комплексом физико-механических свойств. Представлены краткая классификация композиционных материалов и математическая модель пьезоэлектрических и механических свойств полимерно-керамических пьезоэлектриков (шаровая модель Ригикалуа Т.). При рассмотрении необходимости применения специальных методов обработки исходных компонентов для сглаживания эффекта термодинамической несовместимости органической (полимерной) и неорганической фаз, увеличения прочности композита отмечается возможность применения технологии взрывного нагружения.

Приведены наиболее технологичные схемы взрывного прессования и ударно-волновой активации, на уровне изобретения предложено устройство для активации порошковых материалов по технологии взрывного нагружения в условиях серийного производства.

Рассмотрена кинетика процессов взрывного нагружения в плоских заготовках на основе данных рентгеноимпульсных снимков. На этом основании в прессовании взрывом выделены ударно-волновой и квазистатический механизмы уплотнения.

Во второй главе приводится анализ существующих моделей взрывного нагружения.

Для описания процессов, происходящих при реализации квазистатического и ударно-волнового механизмов уплотнения, была разработана математическая модель, описывающая все стадии взрывного нагружения.

В основу расчета была положена система Баума-Станюковича-Шехтера, трансформированная к виду дискретной функции, учитывающей увеличение массы пластины-поршня за счет налипания и вовлечения в движение частиц порошка.

В случае ударно-волнового нагружения расчетный коэффициент интенсивности отраженной волны определялся соотношением между напряжениями в падающей и отраженной волнах

°отр __ Рпо • спо - Ро • сп ^

Рпо'спо +Ро • сп ' где р0) с„ и р„о, спо - плотность и скорость звука в прессуемом порошке и в материале пластины-основания, соответственно.

Уравнение волновой скорости для порошковых материалов

0 = а+ЬУ, (2)

где а - коэффициент, выражающий скорость распространения упругого возмущения; Ь - коэффициент, характеризующий предельное сжатие материала:

Ь = 1 + 1,8.р0/рх, (3)

где р0 - насыпная плотность порошка; рт - теоретическая плотность материала.

В работе показано, что наряду со скоростью прессования (V) важными параметрами ударно-волнового прессования также являются величина импульса {I) и энергия прессования в ударной (£уд) и отраженной (Е<щ) волнах. Их совместное действие определяет конечную величину плотности (р) и характер ее распределения по сечению порошковых заготовок.

Удельный импульс, сообщаемый г-му слою порошка толщиной Д8„: /¿ = ро;-А5 п,-Г,. (4)

Энергия прессования порошковой заготовки в ударной волне

£уд = ^ , (5)

где 5Ш- - толщина всего /-го слоя прессуемого порошка, мм.

При реализации квазистатического прессования значения импульса и энергии прессования не являются существенными, на первый план выдвигаются значения действующего давления и времени прессования

Ш 2 { & & ) ф

1 ° dt '

где Р - сила прессования; N-сила, действующая на основание; dKnn dV0

^ , ^ - ускорение пластины поршня и основания;

Мпор, Мт и Ма — масса прессуемого порошка, пластины-поршня и основания, соответственно.

Для рассматриваемых случаев ударно-волнового и квазистатического прессования существенно отличаются расчеты значений конечной плотности прессовки. В случае реализации ударно-волнового прессования плотность материала формируется в ударной и отраженной от основания волнах

Pnp-frf (7)

При реализации квазистатического механизма

Рпр" Ро'5ко (8)

где рпр - конечная плотность порошка; S^g - толщина контейнера (высота порошка) до приложения нагрузки; Znn и Z0 - величины перемещения пластины-поршня и основания к моменту времени, при котором скорости пластины-поршня и основания равны.

Представлена теоретическая зависимость температуры разогрева материала в процессе адиабатического сжатия при взрывном нагру-жении, позволяющая определить области практического применения ударно-волнового и квазистатического режимов прессования.

На основе представленных математических моделей, в среде Delphi (версия 6.0), разработана прикладная программа расчета основных параметров взрывного прессования порошковых материалов, учитывающая особенности ударно-волнового и квазистатического механизма, позволяющая производить исследовательские расчеты с целью получения изделий высокой плотности.

Сравнение расчетных и экспериментальных значений скорости нагружения, определенных по рентгеноимпульсным снимкам, показывает, что расхождение не превышает 11%, что свидетельствует о корректности Предлагаемой модели. Расхождение между расчетными и экспериментальными значениями плотности не превышает 5%.

Используя разработанную программу, были рассчитаны скоростные режимы взрывного нагружения исследуемых материалов.

В третьей главе изучено влияние скоростных параметров взрывного нагружения и преобладающего механизма уплотнения на структуру и свойства порошковых заготовок, приведены результаты исследования плотности, прочности, гранулометрического состава и структуры керамики ЦТС-19 и полимерно-керамических материалов ПКМ-50 и ПКМ-70.

Установлено, что с повышением скорости до 550... 600 м/с происходит монотонное увеличение плотности и прочности керамического материала. Дальнейшее увеличение скорости приводит к образованию в материале трещин и, как следствие, к снижению плотности и прочностных характеристик. С возрастанием скорости прессования наблюдается появление очагов транскристаллитного излома и увеличение их числа. Отмечается измельчение частиц порошка с 8,0 до 2,0 мкм.

Рентгенографическими исследованиями установлено, что ударно-волновое нагружение оказывает значительное влияние на состояние тонкой структуры. Из данных таблицы 1 видно, что с повышением скорости нагружения со 120 до 620 м/с ОКР почти линейно уменьшаются, в то время как величина микронапряжений возрастает. При квазистатическом нагружении, при скоростях 120-200 м/с наблюдается плавное увеличение значений микронапряжений, при реализации скоростей 200-320 м/с значения микронапряжений стабильны. Релаксация напряжений в данном случае происходит преимущественно путем дробления частиц керамики. Дальнейшее повышение скорости нагружения опять приводит к увеличению микронапряжений, однако после достижения скорости более 550 м/с значения микронапряжений снижаются, что связано с отжигом дефектов в результате адиабатического нагрева материала при нагружении.

Таблица 1 - Характеристики керамических заготовок

Скорость прессования V, м/с Параметры (единицы измерений)

Механизм уплотнения л fi-v Предел прочности при стат. изгибе ат, 10"3 Н/мм2 ff S Я оГ ы о •и ll"? SSO Физическое уширение линий

§ -У i с 1 в § !Г р й ¿J ц (002) (222)

Квазистатический 0 120 220 5,685 6,165 6,521 2,5 7,2 11,1 8,0 4,6 3,9 62,0 48,0 35,0 2,1 2,0 0,02 0,12 0,23 2,5 9,8 11,0

Ударно-волновой 320 480 540 620 6,823 7,192 7,268 7,371 15.6 19,2 20,8 18.7 3,6 2,4 2,0 25,0 22,0 20,0 19,0 2,6 2,9 2,3 1,7 0,32 0,42 0,44 0,37 12,1 17,2 15,5 11,2

Показано, что для получения керамической заготовки с оптимальным сочетанием физических и технологических свойств прессование необходимо осуществлять в диапазоне скоростей 450...550 м/с.

В ходе исследований полимерно-керамических материалов после взрывного прессования, направленных на выяснение влияния режимов нагружения (скоростной диапазон нагружения 67-300 м/с) на плотность заготовки и структуру полученного материала установлено, что величины плотности прессовок после взрывного нагружения находятся в интервале значений: от 78 % (3600 кг/м3) до 89 % (4070 кг/м3) от теоретической плотности для материала ПКМ-50 и от 79 % (4600 кг/м3) до 85 % (5000 кг/м3) для ПКМ-70. Прессовки, полученные на скорости 300 м/с, характеризуются максимальной величиной плотности (89 %), отличаются значительно лучшим качеством и большей прочностью, что объясняется частичным спеканием полиэтилена, произошедшим в результате разогрева материала при его адиабатическом сжатии. Данный процесс иллюстрируется результатами микрофрактографического исследования (рисунок 1).

На основе проведенных исследований и анализа литературных данных предложено теоретическое обоснование структурных превращений в полимерно-керамических материалах при взрывном прессовании. Представлен механизм активации полиэтилена как процесс механического и термомеханического разрушения полимер-

а хЮООО б хЮООО

Рисунок 1 - Микрофрактограммы излома полимерно-керамического материала (ПКМ-50), полученного на различных скоростях нагружения: а — статическое прессование; б - V— 68 м/с; в-У— 97 м/с; г - У= 300 м/с

ной цепочки с образованием достаточно устойчивых макрорадикалов и заряженных частиц

С(1> - С(2)

—► ~ С(1) + С(2)

~ С+} + С(2)

Вывод об одновременном протекании механической и термической деструкции полимера следует из сопоставления значений энергии активации механического разрушения (£/<>) и энергии термодеструкции (Е0), которые для полиэтилена составляют 106 и 85-106 кДж/моль, соответственно.

Отмечена возможность протекания реакций с участием кислорода воздуха, находящегося в порах прессовки (не менее 8,4 % чистого кислорода от исходного объема прессовки). Сжатый и разогретый в процессе сжатия кислород может вступать в реакцию с углеводородными радикалами, образуя перекисный радикал [Я-СНг-О-О ], стабилизация которого вблизи керамической частицы может происходить с образованием связей типа [~Ме-0-С~] и [-Ме-О-О-С-] соответствующих металлов.

Главное отличие квазистатического прессования в этом случае заключается в том, что общая энергия прессования меньше, а процесс разогрева прессовок выражен слабее. Из этого следует, что по количеству образующихся радикалов режимы квазистатического прессования уступают ударно-волновому, что в целом имеет положительное значение, так как интенсивная деструкция полимера способна привести к потере целостности прессовки вблизи мест первичного разрыва связей (85-106 кДж энергии способствуют разрыву 6,02-1023 связей).

В четвертой главе исследован вопрос структурообразования пье-зокерамических заготовок при спекании. Установлено уменьшение температуры начала усадки (/ну) для образцов после взрывного прессования, полученных, соответственно, на скоростях 540 и 620 м/с, Гну = 751°С и 849°С, и при активации (/„.у = 869°С), по сравнению с образцами, полученными по технологии статического прессования (¿„у =• = 936°С) (рисунок 2). Подобное обстоятельство объясняется повышением дефектности тонкой структуры материала, улучшением физических контактов между порошковыми частицами, а также увеличением поверхностной энергии частиц образцов после взрывного нагружения.

Рисунок 2 - Дилатометрические кривые начала усадки керамики ЦТС-19: 1 - взрывное прессование при скорости 540 м/с; 2 - взрывное прессование при скорости 620 м/с; 3 - статическое прессование активированного взрывом материала; 4 - статическое прессование исходной керамики

Накопившуюся в материале внутреннюю энергию, характеризуемую дефектностью тонкой структуры, оценивали по скорости усадки материала при изотермическом спекании по методике, предложенной В. А. Ивенсоном, что позволяет определить энергию активации процесса устранения несовершенств кристаллического строения (Еа) и энергию активации течения, обусловленную наличием несовершенств (Еь). Результаты (таблица 2) свидетельствуют, что для образцов из порошка, обработанного методом ударно-волновой активации, процесс спекания требует меньших энергетических затрат, чем после статического прессования, (при снижении температуры спекания образцов после ударно-волновой обработки до 1170...1190°С).

Таблица 2 - Зависимость энергии активации от способа получения керамики

Статическое прессование Значение энергии активации Ел, кДж/г' атом

Интервалы температур /, °С

1050-1100 1100-1150 1150-1200 1200-1250

Исходная керамика 75420 63688 58660 55308

Активированная 53632 48185 43576 40643

Для исследования особенностей спекания образцов после взрывного прессования были проведены дериватографические исследования со снятием кривых (рисунок 3): температуры Т (1), дифференциальной термогравиометрии ДТГ (2), дифференциального термического анализа ДГА (3), изменения веса ТГ (4). Результаты деривато-1рафических исследований свидетельствуют о наличии у образцов после взрывного нагружения в диапазоне температур 330...340°С экзотермического эффекта, отсутствующего у исходного порошка, чго объясняется началом выделения из тетрагонального твердого раствора ромбоэдрической фазы. С увеличением скорости прессования величина экзотермического эффекта возрастает.

»..«с ш»

ТОО ООО

400 300

Рисунок 3 - ДериватОграммы керамики ЦТС-19: а - скорость нагружения 480 м/с; б - 540 м/с; в - 620 м/с; г - исходный порошок

Рентгенофазовым анализом доказано, что в результате взрывного прессования и последующего спекания при температуре 1250°С в пьезокерамике наряду с тетрагональной отмечается появление ромбоэдрической фазы, доля которой (до 15%) регулируется выбором соответствующих скоростей взрывного нагружения, темпсратурно-временного цикла спекания и состава атмосферообразуюгцей засыпки. Для керамики ЦТС-19, температура изотермической выдержки которой составила 1180°С, а содержание оксида свинца в атмосферо-образующей засыпке - 50 %, характерно наличие только тетрагональной фазы. Микроструктурными исследованиями показано, что такие образцы обладают чрезвычайно малой (не более 1 %) пористостью (рисунок 4) и мелкозернистым строением (преимущественный размер зерен до 2 мкм). Такая структура является более благоприятной для пьезокерамики, обеспечивая высокие механические свойства (таблица 3).

в х400 г х400

Рисунок 4 - Пористость образцов керамики ЦТС-19 после различных режимов спекания: а — статическое прессование и спекание но традиционной методике; б - активированный материал, статическое прессование и спекание; в - взрывное прессование и высокоскоростной нагрев (25001рад/ч); г - взрывное прессование и высокотемпературное (1250°С) спекание

Таблица 3 - Основные технические характеристики пьезокерамики ЦТС-19 в зависимости от технологии получения

Техническая характеристика (ед. изм.) Способ получения

СП СПА ВП

1. Плотность, г/см3 7,50 7,72 7,97

2. Пористость, % 11,5 4,2 1,0

3. Предел механической прочности 154,5 276,1 302,8

при статическом изгибе, 10'3 Н/мм2 176,1 245,5

4. Средний размер зерна, мкм 8,3 5,5 11

7,4 3,3

5. Трещиностойкость, МПам1Я 0,67 1.08 1.40

0,71 1,03

6. Пьезоэлектрический модуль ¿/33, 10'1г Кл/Н 420 446 491

492 535

7. Тангенс угла диэлектрических

потерь tg 8,110"2 1,81 1,72 1,65

8. Напряжение пробоя £„р, кВ/мм 5,0 6,1 8,5

9. Предел выносливости (£/>х.тах/мм) 315 380 540

10. Фазовый состав (Т - доля тетрагональной

фазы - 100 %; ТР - в тетрагональной фазе

присутствует до 15% ромбоэдрической) • Т 1 Т

ТР ТР

Примечание. СП - образец после статического прессования; СПА - статическое прессование активированного взрывом материала; ВП - взрывное прессование. В знаменателе указаны значения для образцов, полученных по технологии высокотемпературного (1250°С) спекания.

Эксперименты по горячему прессованию материалов ПКМ-50 и ПКМ-70 позволили определить рациональный диапазон давления (55-65 МПа) и температуры (200-240°С), приемлемый для горячего прессования изделий из полимерно-керамического материала на основе ПЭНД и пьезокерамики состава ЦТС-19. На основе данных режимов изготавливались образцы для механических испытаний (таблица 4). Анализ полученных результатов и микрофрактограмм свидетельствует, что прочностные свойства полимерно-керамического материала в конечном счете зависят от равномерности распределения полимерной составляющей. Чем больше групп ассоциированных, но не связанных друг с другом частиц керамики содержится в композите, тем ниже его прочностные характеристики.

Таблица 4 — Основные механические характеристики полимерно-керамического материала после взрывного прессования *

Скорость р взрывного р горячего

Материал прессования, прессования, прессования, <т„ МПа

м/с % г/см3 (%)

ПКМ-70, СП - 5,4(93) 4,4

горячее прессование 87,1 82,22 5,3 (91) 5,353

при Т= 240°С 125,7 85,35 5,2(89) 5,206

157,4 88Д6 5,2(89) 4,70

ПКМ-50, СП - 4,6 (99) 5,27

горячее прессование 67,3 87,88 4,22 (92) 5,26

при 7"=200°С 128,4 81,88 4.36 (951 6.23

4,43 (96) 7,075

218,6 87,51 4,3 (93) 5,33

Примечание.В знаменателе указаны значения для образцов, полученных при температуре горячего прессования 220°С.

В пятой главе исследованы электрофизические свойства материала и условия формирования пьезоэлектрической чувствительности. Показано, что электрическое разрушение связано с состоянием межзеренных границ и величиной пористости пьезокерамики. Выбран режим поляризации, обеспечивающий получение максимальных пьезоэлектрических свойств за счет наличия ромбоэдрической фазы и высокой электрической прочности образцов, полученных по' технологии взрывного прессования и ударно-волновой активации.

Установлено, что применение технологии взрывного прессования позволяет получать керамику, сочетающую в себе высокие механические и электрофизические характеристики (см. таблицу 3). В сравнении с образцами после статического прессования величину пьезоэлектрического модуля удалось повысить на 20 %, напряжение электрического пробоя - в 1,7 раза, предел механической прочности увеличить в 2 раза, удельное электрическое сопротивление - в 9 раз, снизить тангенс угла диэлектрических потерь на 10 %. Элементы, полученные по технологии ударно-волновой активации, имеют промежуточные значения.

В случае композиционных материалов измерения пьезоэлектрического модуля </33 и пьезоэлектрической чувствительности gгг (таблица 5) производили после горячего прессования между электродами из алюминиевой фольги при давлении 65,7 МПа. Образцы, полученные

Таблица 5 - Основные технические характеристики ньезокомпозита статического нрсесоиания, » зависимости от содержания керамики ЦТС-19

Техническая характеристика (ед. изм.)

Содержание ЦТС-19 (об.), %

100 70 50

247-254 18,1-18,5 13,6-16,4

3,89-3,93 0,33-0,35 0,28-0,31

1,81 0,90-1,07 0,79-0,90

5,0 10 12

7,50 5,47 4,41

93,3 ' 93,4 95,85

1. Пьезоэлектрический модуль йц, пКл/Н 2.1 {газоэлектрическая чувствительность g} 3, мН/П

3. Тангенс угла диэлектрических потерь tg б, 1 10"2

4. Напряжение пробоя Ки9, кВ/мм 5.11лотпость иьезоэлемента, г/см3 6. Относительная плотность, %

из материала, подверппегося взрывному прессованию, несмотря на различные скоростные режимы, в целом характеризуются близкими значениями пьезоэлектрического модуля (ПКМ-50 - = 20,17 пКл/Н и 1ЖМ-70 - йгъ = 25,64 пКл/Н).

Сравнение практических и теоретических значений, рассчитанных с опорой на модель композиционного пьезочувствительного материала, показывает, что пьезомодуль образцов, полученных горячим прессованием, превышает расчетные значения композита типа 0-3, в котором только полимер образует непрерывную трехмерную структуру. Дня объяснения данных явлений применена модель Лущей-кина 1'. Л., согласно которой при температуре горячего прессования полимер плавится и растекается, в то время как частацы керамики иод действием сжимающего давления сближаются и частично соприкасаются друг с другом, образуя цепочки, ориентированные перпендикулярно плоскости образца (тип композита 1-3), находящиеся в среде хаотично распределенных керамических частиц (тип 0-3). Данные структурные особенности материала подтверждаются мик-рофрактографическими исследованиями изломов полимерно-керамических материалов после взрывного и горячего прессования.

На основе проведенных исследований пьезокерамики ЦТС-19 и композитов на ее основе установлено, что композиционный материал имеет более высокие характеристики при использовании спеченной керамики взамен обычной. Как отмечалось выше, наилучшими пье-зосвойствами обладает материал с ромбоэдрической структурой, что достигается прессованием ЦТС на скорости более 500 м/с и спеканием полученной заготовки при температуре 1200...1250°С. В то же время и

статическое горячее прессование, и взрывное нагружение полимерно-керамического материала способствуют, увеличению ньезосвойств лишь за счет сближения частиц керамики до установления контактов. .

При использовании в качестве наполнителя мелкодисперсной керамики ЦТС-19 после взрывного прессования со скоростью 520 м/с и последующего изотермического спекания при температуре 1250°С статическим прессованием были получены образцы с максимальными значениями пьезомодуля </33 = 23,628 пКл/Н и 35,72 пКл/Н для ПКМ-50 и ПКМ-70, соответственно.

Таким образом, проведенные исследования позволили выявить основные структурные закономерности (кристаллическая решетка керамического материала и доля ромбоэдрической фазы, возможность образования в объеме композита структурно упорядоченных участков типа 1-3), определяющие пьезоэлектрические свойства но-лимерно-керамических композитов и позволяющие управлять ими с целью получения максимально высоких пьезохарактеристик изделий.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны математические модели ударно-волновог о и квазистатического нагружения для расчета основных технологических параметров во всем временном диапазоне процессов уплотнения, позволяющие прогнозировать значения конечной плотности прессуемого материала. Создана прикладная программа, учитывающая особенности каждого из механизмов уплотнения.

2. Установлено, что дефектность кристаллического строения преимущественно зависит от скорости нагружения, достигая максимума при скорости 460-540 м/с (значения ОКР - 22,0-20,0 им, микропа-пряжений (Да/а) 2,9'10"3-2,3'10"3). При квазистатическом прессовании дефектность кристаллической решетки является незначительной (ОКР - 48,0 нм, Да/а = 2,1'Ю"3). Для прессования керамического материала с целью активации структуры рационально применять ударно-волновой, а для полимерно-керамического — квазистатический механизм уплотнения при скорости прессования в диапазоне 230-300 м/с. Дальнейшее увеличение скорости приводит к интенсификации процессов термодеструкции полимерного компонента.

3. Показано, что взрывное нагружение активирует процесс спека ния. Установлено, что температура начала усадки для пьезокерамики состава цирконат-титанат свинца (ЦТС-19) после статического прессования составляет 846°С, после взрывного прессования • 693°С, а

ударно-волновой активации - 784°С. Показана возможность получения высокоплотных заготовок (плотность до 97-99 %) с мелкозернистой структурой при снижении температуры спекания на 40-50°С, а времени - в 1,5 раза, по сравнению с традиционной технологией.

4. Установлена возможность смещения границ морфотропной области и управления фазовым составом материала цирконат-титанат свинца без изменения соотношения между компонентами, а только воздействием взрывного нагружения и последующего спекания. Показано, что для образцов после взрывного нагружения со скоростью 540±30 м/с содержание ромбоэдрической фазы может быть увеличено до 15 %, за счет их спекания при температуре 1240...1250°С и изменения состава атмосферообразующей засыпки в сторону увеличения оксида свинца с 30 до 50 %.

5. Определены рациональные параметры горячего прессования изделий из полимерно-керамического материала на основе полиэтилена низкого давления и пьезокерамики состава цирконат-титанат свинца. Установлено, что максимальные значения плотности (93 и 99 %) и предела прочности на разрыв (а, - 4,4 и 5,8 МПа) соответствуют режимам прессования: для материала с объемной долей керамики 70 % - температура 240°С, давление 65,7 МПа, а для материала с объемной долей керамики 50 % - 220°С и 52,6 МПа. Применение взрывного нагружения позволяет повысить прочностные показатели изделий в 1,2-1,3 раза.

6. Показано, что технология взрывного нагружения керамических материалов способствует повышению основных эксплуатационных характеристик. По сравнению с образцами, полученными по традиционной технологии статическим прессованием, величина электрической прочности повышается в 1,5-2,5 раза, пьезоэлектрического модуля - на 17-20 %, электрической долговечности - на один, два порядка, предел выносливости - в 1,25-1,60 раза, трещиносгойкость -в 1,4-1,7 раза. Установлено, что в керамике состава ЦТС-19, полученной по технологии взрывного нагружения и высокотемпературного спекания, в связи с появлением в структуре ромбоэдрической фазы удается дополнительно повысить величину пьезоэлектрического модуля на 8-10 %, при снижении прочностных свойств образцов на 10—15 % по сравнению с образцами после взрывного прессования.

7. Установлено, что применение технологии взрывного нагружения для получения полимерно-керамического материала позволяет повысить пьезомодуль материала в 1,25-1,4 раза за счет образования

высокоплотной структуры с большим числом контактирующих частиц, выстраивающихся перпендикулярно плоскости образца. Показано, что использование в композиционном материале пьезокерамики с содержанием в структуре до 15% ромбоэдрической фазы повышает величину пьезомодуля материала в 1,4-1,9 раза.

8. Предложено устройство активации порошковых материалов взрывным нагружением (патент РФ на изобретение № 2193947). Результаты диссертации применяются на ФГУП «НИИЭМП» в рамках научно-исследовательской работы «Разработка и исследование новых перспективных изделий датчиковой аппаратуры на основе керамических и композиционных материалов». Пьезокерамические материалы, полученные с применением технологии взрывного нагруже-ния, внедрены в производство пьезокерамических датчиков ЛХ 611 (ФГУП «НИИФИ», г. Пенза). Условный экономический эффект от внедрения составил 54,18 тыс. рублей в ценах 2003 г. Доля автора в разработках составила 40 %.

Основные публикации по теме диссертации

1. Влияние ударно-волновой обработки на структуру полимерно-керамических материалов / О. Н. Логинов, Э. С. Атрощенко, А. Е. Розен, С. Г. Усатый // Новые материалы и технологии на рубеже веков: Сб. материалов международной науч.-техн. конф. - Ч. 1. - Пенза, 2000.-С. 52-56.

2. Взрывное прессование сегнетоэлектрических материалов и-математический аппарат расчета основных технологических параметров нагружения / О. Н. Логинов, Э. С. Атрощенко, А. Е. Розен, С. Г. Усатый, Д. В. Цибилев // Технические средства охраны, комплексы охранной сигнализации и системы управления доступом: Материалы Ш Всероссийской науч.-практ. конф. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2000. - С. 140-142.

3. Специализированный программный модуль автоматизированного проектирования технологии ударно-волновой обработки порошковых материалов / О. Н. Логинов, Э. С. Атрощенко, А. Е. Розен, С. Г. Усатый // Информационные технологии в проектировании и производстве - 2000. - № 4. - С. 70-74.

4. Научные основы формирования структуры и свойств порошковых заготовок, полученных методом взрывного прессования и ударно-волновой активации / О. Н. Логинов, Э. С. Атрощенко, А. Е. Розен, С. Г. Усатый, Н. В. Голованова // Фундаментальные проблемы ме-

таллургии: Сб. докл. науч.-техн. конф. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ,

2000.-С. 158-162.

5. Взрывное прессование сегнетокерамических материалов / О. Н. Логинов, Э. С. Атрощенко, А. Е. Розен, С. Г. Усатый, Н. В. Голованова // Технология металлов. - 2000. - № 9. - С. 3-8.

6. Теоретические аспекты формирования структуры и свойств полимерно-керамических материалов при ударно-волновой обработке / О. Н. Логинов, Э. С. Атрощенко, А. Е. Розен, С. Г. Усатый // Новые химические технологии: производство и применение: Сб. докл. III Всероссийской науч.-техн. конф. - Пенза, 2001. - С. 13-16.

7. Структурообразование и формирование свойств наполненных полимерно-керамических материалов, полученных по технологии ударно-волновой обработки / О. Н. Логинов, Э. С. Атрощенко, А. Е. Розен, С. Г. Усатый, А. С. Саюшов // Слоистые композиционные материалы - 2001: Сб. докл. международной конф. - Волгоград,

2001.-С. 223-226.

8. Взрывное прессование сегнетокерамических материалов, формирование их структуры и свойств / О. Н. Логинов, Э. С. Атрощенко, А. Е. Розен, С. Г. Усатый, Н. В. Голованова // Материаловедение. -2001.-№8(53).-С. 46-50.

9. Логинов О. Н. Выбор режимов взрывного прессования поли-мерно-сегнетокерамического материала / О. Н. Логинов, А. Е. Розен, С. Г. Усатый // Инновации в машиностроении - 2001: Сб. докл. Всероссийской науч.-техн. конф. - Пенза, 2001. - С. 75-77.

10. Программный продукт для расчета оптимальных параметров взрывного прессования / О. Н. Логинов, Э. С. Атрощенко, А. Е. Розен, С. Г. Усатый // Технология и автоматизация производственных процессов в машиностроении: Сб. науч. тр. Сер. «Машиностроение». -Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2001. - Вып. 3. - С. 90-98.

11. Логинов О. Н. Расчетная модель квазистатического взрывного прессования / О. Н. Логинов, А. Е. Розен, С. Г. Усатый // Современные материалы и технологии - 2002: Сб. ст. международной на-уч.-техн. конф. - Пенза, 2002. - С. 103-106.

12. Логинов О. Н. Влияние режимов взрывного прессования на кинетику спекания сегнетокерамических заготовок // Новые химические технологии: производство и применение: Сб. ст. IV Всероссийской науч.-техн. конф. - Пенза, 2002. - С. 87-89.

13. Логинов О. Н. Исследование влияния состава атмосферообра-зующей засыпки на спекание сегнетокерамических заготовок после взрывного прессования / О. Н. Логинов, Н. В. Голованова // Инновации в машиностроении: Сб. ст. II Всероссийской науч.-техн. конф. -Пенза, 2002.-С. 88-90.

14. Логинов О. Н. Влияние режимов квазистатического прессования на микроструктуру и плотность пьезоактивного полимерно-керамического материала / О. Н. Логинов, Э. С. Атрощенко, А. Е. Розен // Проблемы машиностроения и технология материалов на рубеже веков: Сб. ст. УШ международной науч.-техн. конф. - Ч. 1. - Пенза, 2003.-С. 377-379.

15. Пат. Яи 2193947 (Пензенский государственный университет). Устройство ударно-волновой активации порошковых материалов / Э. С. Атрощенко, А. Е. Розен, А. В. Прыщак, С. Г. Усатый, О. Н. Логинов. - Публ. 10.12.2002.

Логинов Олег Николаевич

Получение керамических и полимерно-керамических материалов на основе цирконата-титаната свинца взрывным нагружением

Специальность 05.02.01 — Материаловедение (машиностроение)

Редактор Т. Н. Судовчихина Технический редактор Н. А. Вьялкова

Корректор Ж. А. Лубенцова Компьютерная верстка С. П. Черновой

ИД N° 06494 от 26.12.01 Сдано в производство 28.10.03. Формат 60х841/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,39. Заказ № 704. Тираж 100.

Издательство Пензенского государственного университета. 440026, Пенза, Красная, 40.

2ооЗ-Д *207ßb

Оглавление автор диссертации — кандидат технических наук Логинов, Олег Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ВЗРЫВНОГО НАГРУЖЕНИЯ

СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ.

1.1. Структура и основные характеристики пьезокерамических материалов.

1.2. Композиционные полимерные пьезоэлектрические материалы. Моделирование физико-механических свойств.

1.3. Основные схемы взрывного прессования и ударно-волновой активации.

1.4. Механизмы уплотнения и кинетика распространения ударных волн при взрывном нагружении.

ГЛАВА 2. РАСЧЕТНЫЕ МОДЕЛИ УДАРНО-ВОЛНОВОГО И КВАЗИСТАТИЧЕСКОГО РЕЖИМОВ ВЗРЫВНОГО ПРЕССОВАНИЯ.

2.1. Основные физические и технологические параметры взрывного прессования и ударно-волновой активации.

2.2. Математическая модель процесса ударно-волнового нагружения порошковых материалов.

2.3. Математическое моделирование процесса квазистатического прессования.

2.4. Расчетная программа параметров взрывного прессования с учетом доминирующего механизма уплотнения.

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПОРОШКОВЫХ ЗАГОТОВОК, ПОЛУЧЕННЫХ ПО РЕЖИМАМ КВАЗИСТАТИЧЕСКОГО И УДАРНО-ВОЛНОВОГО

ПРЕССОВАНИЯ.

3.1. Особенности структуры и механических свойств пьезокерамических порошковых заготовок после взрывного нагружения.

3.2. Влияние параметров взрывного нагружения на состояние кристаллической структуры керамического материала.

3.3. Структура и механические свойства полимерно-керамических заготовок после взрывного прессования.

3.4. Особенности структурных превращений в полимерно-керамических материалах при взрывном прессовании.

ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ КИНЕТИКИ СПЕКАНИЯ И

СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ И ПОЛИМЕРНО-КЕРАМИЧЕСКИХ ПРЕССОВОК, ВЗРЫВНОГО НАГРУЖЕНИЯ.

4.1. Особенности кинетики спекания пьезокерамического материала после взрывного прессования.

4.2. Влияние режимов прессования и спекания на фазовый состав v керамики ЦТС-19.

4.3. Выбор режимов спекания пьезокерамических заготовок после взрывного и статического прессования активированного материала.

4.4. Формирование структуры и основных механических свойств пьезокерамических прессовок при спекании.

4.5. Структура и основные механические свойства полимерно-керамического материала после горячего прессования.

ГЛАВА 5. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СЕГНЕТО

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КЕРАМИЧЕСКИХ И щ, ПОЛИМЕРНО-КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ,

ПОЛУЧЕННЫХ ПО ТЕХНОЛОГИИ ВЗРЫВНОГО НАГРУЖЕНИЯ.

5.1. Выбор рациональных режимов поляризации пьезокерамических материалов различных способов получения.

5.2. Анализ связи между структурой, прочностью и электрофизическими свойствами пьезокерамики полученной квазистатическим и ударно-волновым нагружением.

5.3. Электрофизические свойства полимерно-керамического пьезочувствительного композита.

Введение 2003 год, диссертация по машиностроению и машиноведению, Логинов, Олег Николаевич

Одними из основных функциональных материалов датчиковой аппаратуры электроники и приборостроения начала двадцать первого века во всех развитых странах рассматриваются пьезокерамические материалы, неослабевающий интерес к которым обусловлен их широкими функциональными возможностями, высокой надежностью и возможностью миниатюризации изделий на их основе [1]. Пьезокерамика применяется для производства звуковых и ультразвуковых генераторов, трансформаторов, различных преобразователей, широко известны изделия на их основе, применяемые в быту и в промышленности: мощные звуковые оповещатели (охранная сигнализация, промышленные сирены); генераторы и датчики в эхолотах; приборы неразрушающего, дистанционного контроля различных сред и процессов и т.д. Объемы производства, номенклатура материалов и области их применения постоянно расширяются [2].

Однако природа данных материалов накладывает ряд серьезных ограничений на производство и применение изделий на ее основе. А именно: высокая хрупкость и чувствительность к ударным воздействиям приводит к ограничению профиля и размеров, получаемых на их основе изделий, трудоемкостью их изготовления, что связано, в частности, с трудностью получения высокоплотных заготовок на стадии прессования, высокими температурами спекания материала и необходимостью в большинстве случаев применять специальные атмосферообразующие засыпки.

Наряду с традиционными сегнетокерамическими материалами широкое распространение приобретают композиционные материалы на основе пьезокерамики с добавлением полимерного компонента. В качестве которого, может выступать как термопластичный, так и термореактивный полимер, чье введение позволяет снять многие из указанных выше проблем. Особый интерес вызывают термопластичные полимеры, обладающие в своем большинстве высоким коэффициентом трещиностойкости, широкой областью упругих деформаций в сочетании с высокой технологичностью и надежностью, позволяющие расширить номенклатуру изделий и упростить технологию получения сложнопрофильных изделий методом горячего прессования.

Однако пьезоэлектрические свойства данных композиционных материалов сильно зависят от количества содержащегося полимера и пространственного распределения керамических частиц.

Эффективным в этой связи является применение технологий, способных развивать высокие давления на стадии прессования, обеспечивая тем самым получение заготовок с высокой первоначальной плотностью. Наиболее эффективной и экономически оправданной технологией обеспечивающей максимальные давления прессования является взрывное нагружение. Вместе с тем, данная технология имеет ряд особенностей сдерживающих ее широкое распространение. В частности, малоизученными остаются вопросы влияния параметров взрывного прессования на структуру и свойства материала, на технологические особенности процесса спекания заготовок, полученных взрывным прессованием, а также ряда технологических и эксплуатационных характеристик [3, 4]. Для проектирования схем и выбора технологических параметров взрывного нагружения, необходимо знать механизмы уплотнения порошковых материалов и учитывать их влияние на конечные свойства заготовок, однако существующие модели, описывающие динамику протекающих процессов, имеют ряд недоработок [5]. Решение поставленных вопросов требует проведения комплексных исследований с целью выявления особенностей влияния режимов взрывного нагружения на структуру и физико-механические свойства материалов различной химической природы: металлы, керамика, термореактивные и термопластичные полимеры, композиционные материалы на их основе.

Настоящая работа проводилась в рамках гранта Министерства образования РФ "Разработка научных основ формирования структуры и свойств порошковых заготовок, полученных методом взрывного прессования и ударно-волновой активации" (гос. per. № 01.9.80004081) и госбюджетной темы целевого финансирования научно-исследовательской программы "Разработка технологии взрывного прессования композиционных керамико-металлических, полимерно-керамических и сегнетокерамических материалов различного функционального назначения" (гос. per. № 01.20.0008182).

Целью работы является получение керамических и полимерно-керамических пьезоактивных материалов на основе цирконата-титаната свинца взрывным нагружением для изделий широкого функционального назначения с повышенными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками.

Для достижения цели было необходимо решить следующие задачи:

- создать математическую модель взрывного прессования, для определения взаимосвязи и влияния параметров процесса на конечные эксплуатационные свойства изделий, учитывая особенности квазистатического и ударно-волнового механизмов уплотнения;

- исследовать влияние параметров взрывного прессования на структуру и свойства получаемых материалов;

- выявить особенности кинетики спекания керамических заготовок после взрывного прессования и ударно-волновой активации;

- исследовать связь между параметрами взрывного нагружения, спеканием, фазовым составом и эксплуатационными свойствами изделий;

- разработать устройства взрывного прессования и активации пьезо-керамических и полимерно-керамических композиционных материалов в условиях промышленного производства;

- использовать полученные результаты для внедрения технологии и материалов в производство.

Практическая ценность работы:

1. На основе предложенных математических моделей уплотнения по квазистатическому и ударно-волновому механизмам создана прикладная расчетная программа, позволяющая производить исследовательские расчеты параметров взрывного нагружения, для получения заготовок требуемых габаритных размеров и конечной плотности.

2. Разработаны рекомендации по выбору рациональных параметров взрывного нагружения и активации, режимов спекания и поляризации, позволяющие на основе керамики состава цирконат-титанат свинца (ЦТС-19) получать пьезоэлементы с повышенными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками.

3. Выявлены общие закономерности формирования структуры и физико-механических свойств полимерно-керамических материалов на основе пьезокерамики ЦТС-19 и полиэтилена низкого давления при взрывном и горячем статическом прессовании.

4. Предложено устройство позволяющее производить активацию требуемого объема материала за счет применения контейнера сборно-разборной конструкции [6].

Реализация работы:

Результаты диссертации применяются на ФГУП «НИИЭМП» г. Пенза в рамках научно-исследовательской работы «Разработка и исследование новых перспективных изделий датчиковой аппаратуры на основе керамических и композиционных материалов». Пьезокерамические материалы, полученные по технологии взрывного прессования, использованы на ФГУП «НИИФИ» г. Пенза для улучшения эксплуатационных характеристик пье-зоэлементов датчика ЛХ 611. Условный экономический эффект от внедрения составил 54,18 тыс. рублей (в ценах 2003 г.). Доля участия автора составила 40 %.

Работа выполнена на кафедре "Сварочное производство и материаловедение" Пензенского государственного университета.

Основные результаты работы доложены и обсуждены на международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии на рубеже веков» (г. Пенза, 2000 г.), III Всероссийской научно-практической конференции «Технические средства охраны, комплексы охранной сигнализации и системы управления доступом» (г. Заречный, Пензенская область, 2000 г.), конференции «Фундаментальные проблемы металлургии» (г. Екатеринбург, 2000 г.), международной конференции «Слоистые композиционные материалы - 2001» (Волгоград, 2001 г.), III и IV Всероссийской научно-технической конференции «Новые химические технологии: производство и применение» (Пенза, 2001, 2002 г.г.), I и II Всероссийской научно-технической конференции «Инновации в машиностроении» (Пенза, 2001, 2002 г.г.), международной научно-технической конференции «Современные материалы и технологии - 2002» (Пенза, 2002 г.), VIII международной научно-технической конференции «Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков» (г. Пенза, 2003 г.), на ежегодных научно-технических конференциях в Пензенском государственном университете.

Исследования в области технологии взрывного прессования и ударно-волновой обработки материалов отмечены золотой и серебряной медалями I и III международного салона инноваций и инвестиций (Москва, ВВЦ, 2001 г., 2003 г.), дипломом Всероссийского научно-практического форума «Россия Единая» (Н. Новгород, 2002 г.), дипломами региональных выставок.

Выражаю глубокую благодарность моему научному руководителю заслуженному деятелю науки РФ, д.т.н., профессору Атрощенко Э.С., научному консультанту д.т.н., профессору Розену А.Е. и всем сотрудникам кафедры за помощь при выполнении работы.

Заключение диссертация на тему "Получение керамических и полимерно-керамических материалов на основе цирконата-титаната свинца взрывным нагружением"

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны математические модели ударно-волнового и квазистатического нагружения для расчета основных технологических параметров во всем временном диапазоне процессов уплотнения, позволяющие прогнозировать значения конечной плотности прессуемого материала. Создана прикладная программа, учитывающая особенности каждого из механизмов уплотнения. Установлено, что получение заготовки высокой плотности (92 -98 %), возможно использование как ударно-волнового (со скоростями нагружения 500 - 600 м/с), так и квазистатического (скорость 150 — 250 м/с) механизма уплотнения.

2. Установлено, что дефектность кристаллического строения преимущественно зависит от скорости нагружения, достигая максимума при скорости 460 - 540 м/с (значения ОКР - 22,0 - 20,0 нм, микронапряжений (Да/а) 2,9'10"3 - 2,3'10"3). При квазистатическом прессовании дефектность атомно-кристаллической решетки является незначительной (ОКР — 48,0 нм, Да/а = 2,1'10"3). Для прессования керамического материала с целью активации структуры рационально применять ударно-волновой, а для полимерно-керамического - квазистатический механизм уплотнения при скорости прессования в диапазоне 230 - 300 м/с. Дальнейшее увеличение скорости приводит к интенсификации процессов термодеструкции полимерного компонента.

3. Показано, что взрывное нагружение активирует процесс спекания. Установлено, что температура начала усадки для пьезокерамики состава цирконат-титанат свинца (ЦТС-19) после статического прессования составляет 846 °С, после взрывного прессования - 693 °С, а ударно-волновой активации - 784 °С. Показана возможность получения высокоплотных заготовок (плотность до 97 — 99 %) с мелкозернистой структурой при снижении температуры спекания на 40 - 50 °С, а времени - в 1,5 раза, по сравнению с традиционной технологией.

4. Установлена возможность смещения границ морфотропной области и управления фазовым составом материала цирконат-титанат свинца без изменения соотношения между компонентами, а только воздействием взрывного нагружения и последующего спекания. Показано, что для образцов после взрывного нагружения, когда величина скорости составляла 540 ± 30 м/с, содержание ромбоэдрической фазы может быть увеличено до 15 %, за счет их спекания при температуре 1240. 1250 °С, и изменения состава ат-мосферообразующей засыпки в сторону увеличения оксида свинца с 30 до 50 %.

5. Определены рациональные параметры горячего прессования изделий из полимерно-керамического материала на основе полиэтилена и пьезоке-рамики состава цирконат-титанат свинца. Установлено, что максимальные значения плотности (93 и 99 %) и предела прочности на разрыв (ав - 4,4 и 5,8 МПа) соответствуют режимам прессования: для материала с объемной долей керамики 70 % - температура 240 °С, давление 65,7 МПа, а для материала с объемной долей керамики 50 % - 220 °С, давление 52,6 МПа. Применение технологии взрывного нагружения позволяет повысить прочностные показатели изделий в 1,2 - 1,3 раза.

6. Показано, что технология взрывного нагружения керамических материалов способствует повышению основных эксплуатационных характеристик. По сравнению с образцами, полученными по традиционной технологии статическим прессованием, величина электрической прочности повышается в 1,5 - 2,5 раза, пьезоэлектрического модуля - на 17 - 20 %, электрической долговечности - на один, два порядка, предел выносливости - в 1,25 - 1,60 раза, трещиностойкость - в 1,4 - 1,7 раза. Установлено, что в керамике состава ЦТС-19, полученной по технологии взрывного нагружения и высокотемпературного спекания, в связи с появлением в структуре ромбоэдрической фазы, удается дополнительно повысить величину пьезоэлектрического модуля на 8 - 10 %, при снижении прочностных свойств образцов на 10 — 15 % по сравнению с образцами после взрывного прессования.

7. Установлено, что применение технологии взрывного нагружения для получения полимерно-керамического материала позволяет повысить пьезо-модуль материала в 1,25 — 1,4 раза за счет образования высокоплотной структуры с большим числом контактирующих частиц, выстраивающихся перпендикулярно плоскости образца. Показано, что использование в композиционном материале пьезокерамики с содержанием в структуре до 15% ромбоэдрической фазы, повышает величину пьезомодуля материала в 1,41,9 раза.

8. Предложено устройство активации порошковых материалов взрывным нагружением (патент РФ на изобретение № 2193947). Результаты диссертации применяются на ФГУП «НИИЭМП» в рамках научно-исследовательской работы «Разработка и исследование новых перспективных изделий датчиковой аппаратуры на основе керамических и композиционных материалов». Пьезокерамические материалы, полученные с применением технологии взрывного нагружения, внедрены в производство пьезо

Ф керамических датчиков JIX 611 (ФГУП «НИИФИ», г. Пенза). Условный экономический эффект от внедрения составил 54,18 тыс. рублей в ценах 2003 года. Доля автора в разработках составила 40 %.

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

СКМ — сегнетокерамические материалы.

ЦТС — материалы системы цирконат-титанат свинца (РЬТЮз - PbZrOj) (исследуемая марка — ЦТС-19).

ПКМ - полимерно-керамический материал. ПЭНД - полиэтилен низкого давления.

ПКМ-50 (ПКМ-70) - исследуемый композиционный материал на ф основе ЦТС-19 и ПЭНД, с объемной долей керамики 50% (70%).

ВВ - взрывчатое вещество.

ОКР - область когерентного рассеивания кристаллической решетки. 0

БиблиографияЛогинов, Олег Николаевич, диссертация по теме "Материаловедение (по отраслям)"

1. Минаев В. И. Пьезокерамическое производство за рубежом. -М.:ЦНИИНТИКПК, 1990. 14 с. ДСП.

2. Фесенко Е.Г. Новые пьезокерамические материалы/ Е.Г. Фесенко, А.Я. Данцигер, О.Н. Разумовская. — Ростов н/Д., 1983. 156 с.

3. Атрощенко Э.С. Взрывное прессование сегнетокерамических материалов/ Э.С. Атрощенко, А.Е. Розен, Н.В. Голованова, С.Г. Усатый, О.Н. Логинов// Технология металлов. 2000. - № 9. — С. 3-8.

4. Патент RU 2193947 (Пензенский государственный университет), публ. 10.12.2002. Устройство ударно-волновой активации порошковых материалов. Атрощенко Э.С., Розен А.Е., Прыщак А.В., Усатый С.Г., Логинов О.Н.

5. Электроника: Энциклопедический словарь/ Гл. ред. В.Г. Колесников. — М.: Сов. энциклопедия, 1991. — 688 с.

6. Лущейкин Г.А. Полимерные пьезоэлектрики. — М.: Химия, 1990. —176 с.

7. Ройтбурд A.JL Теория формирования гетерофазной структуры при фазовых превращениях в твердом состоянии// УФН. — 1974. Т.113. -№ 1.-С. 105-128.

8. Ю.Фесенко Е.Г. Доменная структура многоосных сегнетоэлектрических кристаллов/ Е.Г. Фесенко, В.Г. Гавриляченко, А.Ф. Семенчев. Ростов н/Д: Изд-во Ростовского уни-та, 1990. - 192 с.

9. Глозман И.А. Пьезокерамика. М.: Энергия, 1972. — 288 с.

10. Бутов В.И. Пьезоэлектрические датчики давления, обзор по материалам зарубежных фирм за 1976 1981 гг/ В.И. Бутов, С.Д. Забродина, Т.Н. Политминцева, А.П. Николаева. — Серия V: ГОНТИ-21, 1982.- 12 с. ДСП.

11. Проектирование датчиков для измерения механических величин/ Под ред. Е.П. Осадчего. М.: Машиностроение, 1979. - 480 с.

12. Нуберт Г.П. Измерительные преобразователи неэлектрических величин. Л.: Энергия, 1970. - С. 202-231.

13. Бойков Н.А. Измерение давления при быстропеременных процессах. — М.: Энергия, 1970. 78 с.

14. Бауман Э. Измерение сил электрическими методами. М.: Мир, 1978.-430 с.17.0СТ 11 0444-87 Материалы пьезокерамические. Технические условия.

15. Научно-технические прогнозы в области синтеза сегнетоматериалов// Сер.: научно-технические прогнозы в области катализа, коррозии и синтеза сегнетоматериалов. — М., 1975. — 78 с.

16. Глозман И.А. Пьезокерамические материалы в электронной технике. М.: Энергия, 1965. - 192 с.

17. Дацингер А.Я. Высокоэффективные пьезокерамические материалы. Оптимизация поиска/ А.Я. Дацингер, О.Н. Разумовская, Л.А. Резниченко, С.И. Дудкина. Ростов н/Д.: Изд-во "Пайк", 1994. - 96 с.

18. Исупов В.А. О причинах противоречий по вопросу об области сосуществования фаз в твёрдых растворах цирконата-титаната свинца// Физика твёрдого тела. 1980. - Т. 22. - Вып. 4. - С. 172-177.

19. Исупов В.А. Термодинамический анализ фазовых переходов в перовскитовых сегнетоэлектриках // Физика твёрдого тела. 1977. - Т. 19. -Вып. 5.-С. 1347-1353.

20. Смирнова Е.П. Электрострикционные свойства сегнетокерамики с размытым фазовым переходом: Дис. на соискание уч. степени канд. техн. наук: Защищена 29.06.87. Ленинград, 1987. - 140 с.

21. Ерофеев А.А. Пьезоэлектроника/ А.А. Ерофеев, А.И. Проклин, В.Н. Уланов и др. М: Радио и связь, 1994. - 240 с.

22. Ерофеев А.А. Пьезокерамические трансформаторы и их применение в радиоэлектронике/ А.А. Ерофеев, Г.А. Данов, В.Н. Фролов. — М.: Радио и связь, 1988. 128 с.

23. Сыркин JI.H. Эксплуатационные характеристики пьезокерамических материалов в силовых режимах/ JI.H. Сыркин, Н.Н. Феоктистова// Тр. Ин-та физики твердого тела АН СССР. Черноголовка, 1981.

24. Лущейкин Г. А. Получение и применение сегнето- и пьезоматериалов в народном хозяйстве/ Г.А. Лущейкин, В.М. Петров. — М.: МДНТП, 1981.-С. 8-11.

25. Желудев И.С. Электрические кристаллы. М.: Наука, 1979. — 200с.

26. Вольфсон С.А. Композиционные полимерные материалы сегодня и завтра// Химия. 1982. -№ 1.-М.: Знание, 1982.-18 с.

27. Милинчук В.К. Макрорадикалы/ В.К. Милинчук, Э.Р. Клиншпонт, С.Я. Пшежецкий. М.: Химия, 1980. - 263 с.

28. Атрощенко Э.С. Структурообразование и формирование свойств наполненных полимерно-керамических материалов, полученных по технологии ударно-волновой обработки/ Э.С. Атрощенко, А.Е. Розен, С.Г.

29. Усатый, О.Н. Логинов, А.С. Саюшов// Слоистые композиционные материалы 2001/ Международная конференция. - Волгоград, 2001. - С. 223 - 226.

30. Баум Ф.А. Физика взрыва/ Ф.А. Баум, Л.П. Орленко, К.П. Станюкович и др. М.: Наука, 1975. - 704 с.

31. Дремин А.Н. Детонационные волны в конденсированных средах/ А.Н. Дремин, С.Д. Савров, B.C. Трофимов, К.К. Шведов. — М.: Наука, 1970.-686 с.

32. Миронов С.Г. Магнито-импульсная обработка металлов. — Рига, 1986.-370 с.

33. Андреева Н.В. Исследование уплотняемости порошков/ Н.В. Андреева, И.Д. Радомысельский, Н.И. Щербань// Порошковая металлургия. 1975. - № 6. - С. 32-42.

34. Радомысельский И. Д. Некоторые особенности уплотнения порошков на разных стадиях прессования/ И.Д. Радомысельский, Н.И. Щербань// Порошковая металлургия. 1980. - № 11. - С. 12-19.

35. Ставер A.M. Исследование течения за ударной волной при взрывном прессовании порошков/ A.M. Ставер, Н.А. Костюков, Г.Е. Кузьмин// Обработка металлов взрывом/ II Международный симпозиум. -Марианске Лазне, 1973. С. 341 - 352.

36. Бацанов С.С. Действие взрыва на вещество. Термодинамика ударного сжатия порошков/ С.С. Бацанов, А.А. Дерибас, С.А. Кутолин// Научно-технические проблемы горения и взрыва. 1965. - № 2. - С. 52-61.

37. Дерибас А.А. Ударное сжатие порошков/ А.А. Дерибас, Н.Л. Добрецов/ ДАН СССР. 1966. - Вып. 168. - № 3. - С. 665 - 668.

38. Атрощенко Э.С. О механизме взрывного прессования порошков/ Э.С. Атрощенко, В.А. Косович, Б.Н. Липоватый, B.C. Седых, М.Х. Шоршоров// Физ. и хим. обраб. Материалов. 1972. - № 6. - С. 114-119.

39. Атрощенко Э.С. Физические параметры и механизм взрывного прессования порошков// Организация производства и прогрессивная технология в приборостроении: сб. Технический прогресс в отраслевой промышленности/ ЦНИЛОТ. Пенза, 1984. № 6. - С. 34-38. ДСП.

40. Баум Ф.А. Физика взрыва/ Ф.А. Баум, К.П. Станюкович, Б.И. Шехтер. М.: Изд-во физико-математической литературы, 1959. — 800 с.

41. Бацанов С.С. Действие взрыва на вещество. Структурные изменения окиси неодима/ С.С. Бацанов, А.А. Дерибас// Научно-технические проблемы горения и взрыва. 1965. - № 1. - С. 103 - 107.

42. Райнхарт Дж. Поведение металлов при импульсных нагрузках/ Дж. Райнхарт, Дж. Пирсон. М.: ИЛ, 1958. - 202 с.

43. Роман О.В. Импульсное прессование металлических порошков: Дис. на соискание уч. степени док. техн. наук: 325 Защищена 28.06.71; Утв. 14.11.71. - М., 1971. - 270 с. Библиогр.: С. 243 - 270.

44. Анциферов В.Н. Получение и свойства спеченных сплавов титана// Прогрессивные технологические процессы в порошковой металлургии. Минск: ВШ, 1982. - С. 134 - 139.

45. Ударные волны и явления высокоскоростной деформации металлов/ Под ред. Мейерса М.А., Мура Л.Е.: Пер. с англ. М.: Металлургия, 1984. - 512 с.

46. Рогозин В.Д. Численный расчет процесса ударного сжатия порошкового слоя// Металловедение и прочность материалов: Сб. науч. тр. Волгоград: Изд. ВолгПИ, 1990. - С. 35 - 38.

47. Атрощенко Э.С., Розен А.Е., Прыщак А.В., Усатый С.Г., Салтыков А.А. Технология взрывного прессования сегнетокерамических материалов// Тез. докл. Российской научн.-техн. конф.: Новые материалы и технологии. Москва, 1997. - С. 110.

48. Райнхарт Д.С., Пирсон Д. Взрывная обработка материалов. М.: Мир, 1966, 226 е., ил.

49. Витенко А.Е. Взрывное прессование пьезокерамических порошков системы ЦТС/ А.Е. Витенко, Б.М. Гелунов, А.А. Максименков, В.Д. Рогозин, А.Ф. Трудов// Импульсные методы обработки материалов/ Всес. конф. — Минск, 1978.-С. 143-144.

50. Лубенец С.В. Подвижность и взаимодействие дислокаций с1. Л Lпримесью в кристаллах КС1:Ва / С.В. Лубенец, В.И. Старцев// Физика твердого тела. 1968. - Т. 10. - Вып. 1.-е. 22-29.

51. Ван Бюрен Дефекты в кристаллах. М.: ИЛ, 1962. - 584 с.

52. Рид В. Дислокации в кристаллах. — М. Металлургиздат, 1957. —279 с.

53. Коттрелл А. Дислокация и пластическое течение в кристаллах. — М. Металлургиздат, 1958. 267 с.

54. Краснокутская И.П. О механизме пластической деформации при сварке взрывом/ И.П. Краснокутская, А.Н. Кривенцов, B.C. Седых, А.П. Соннов// Физика и химия обработки материалов. 1969. № 6. - С. 99-102.

55. Пашков П.О. Действие ударных волн на закаленные стали/ П.О. Пашков, З.М. Гелунова. Волгоград, Н-Волжское книжное издательство, 1969.-166 с.

56. Пашков П.О. Действие ударных волн на металлические сплавы (давление 30-300 кбар)// Волгоградский политехнический институт: Сб. науч. трудов. Волгоград, 1967. - С. 211-245.

57. Волочков В.М. Физические принципы пластической деформации при высокоскоростном нагружении/ В.М. Вол очков, З.М. Гелунова, П.О. Пашков// Волгоградский политехнический институт: Сб. науч. трудов. -Волгоград, 1967. С. 245-261.

58. Александров Е. В. Прикладная теория и расчеты ударных систем/ Е. В. Александров, В.Б. Соколинский. — М.: Наука, 1969. 199 с.

59. Писарев С.П. Применение диэлектрических датчиков для регистрации ударных импульсов/ С.П. Писарев, В.Д Рогозин// Металловедение и прочность металлов: Труды Волгоград, политехи, ин-та. -Вып. 7.-Волгоград, 1975. С. 148-155.

60. Зельдович Я.Б. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений/ Я.Б. Зельдович, Ю.П. Райзер. — М.: Наука, 1966.-686 с.

61. Пикус И.М. Распространение акустических возмущений в свободно насыпанных порошковых материалах// Порошковая металлургияи область её применения: Тез. докл. науч. семинара. Пенза, 1982. - С. 6162.

62. Розен А.Е. Расчетная модель квазистатического взрывного прессования/ А.Е. Розен, С.Г. Усатый, О.Н. Логинов// Современные материалы и технологии — 2002: Сб. статей международной научно-техн. конф. Пенза, 2002. - С. 103 - 106.

63. Атрощенко Э.С. Об особенностях пластической деформации при взрывном прессовании/ Э.С. Атрощенко, В.А. Косович, Б.Н. Липоватый, B.C. Седых, М.Х. Шоршоров// Физика и химия обработки материалов. — 1972.-№4.-С. 113-118.

64. Чечулин Б.Б. Исследование микротвердости пластической деформации стали// Физика металлов и металловедение. — 1955. № 2. - С. 251-257.

65. Пилянкевич А.Н. Практика электронной микроскопии. — М.: Машгиз, 1961.

66. Шиммель Г. Методика электронной микроскопии. М.: Мир. —1972.

67. Электронная микроскопия в металловедении: Справ, изд. / Смирнова А.В., Кокорин Г.А., Полонская С.М. и др. М.: Металлурия, 1985. - 192с.

68. Атрощенко Э.С. Действие взрыва на тонкую структуру модифицированного титаната висмута/ Э.С. Атрощенко, А.И. Небольсин,

69. A.Е. Розен// Применение высоких давлений для получения новых материалов и создания интенсивных химических технологий: Тез. докл. Всесоюз совещ. М., 1986. - С. 56.

70. Рентгенография в физическом металловедении/ Под ред.

71. B.А.Багаряцкого. М., 1961. - 368 с.

72. Петров А.А. Органическая химия/ А.А. Петров, Х.В. Бальян, А.Т. Трощенко. М.: Высшая шк., 1969. - 672 с.

73. Ивенсен В.А. Кинетика уплотнения металлических порошков при спекании. М.: Металлургия, 1971. - 272 с.

74. Пустовойт В.Н. Синергетический подход к проблеме конструирования оптимальной структуры сплавов при обработке концентрированными потоками энергии/ В.Н. Пустовойт, А.А. Бровер. — М, 1996 6 с. - Деп. в ВИНИТИ 28.02.97, № 631-В97.

75. Атрощенко Э.С. Взрывное прессование сегнетокерамических материалов/ Э.С. Атрощенко, А.Е. Розен, Н.В. Голованова, Л.Г. Розен, А.В. Прыщак// Керамика в народном хозяйстве: Тез. докл. научн.-техн. конф. — Ярославль, 1994.-С. 84-86.

76. Розен А.Е. Научные основы технологии взрывного прессования сегнетокерамических материалов // Межотрослевой науч.-тех. сб. ВИМИ «Технология». Сер.: Конструкции из композиционных материалов. — 1996. -№ 1.-С. 39-44.

77. Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. М., 1976. - 528 с.

78. Процессы массопереноса при спекании /В. Хермель, Б. Кийбак, В. Шатт и др. Под ред. В.В.Скорохода. Киев: Наук. Думка, 1987. - 152 с.

79. Скороход В.В. Физико-металлургические основы спекания порошков/ В.В. Скороход, С.М. Солонин. М.: Металлургия, 1984. - 159 с.

80. Металловедение и термическаяобработка стали: Справ, изд. В 3-х т./ Под ред. Бернштейн МЛ., Рахштадта А.Г. М.: Металлургия, 1991.

81. Ю5.0кадзаки К. Технология керамических диэлектриков: Пер. с япон. / Под ред. В.М. Петрова. М.: Энергия, 1976. - 336 с.

82. Поляризация пьезокерамики/ Под. ред. Е.Г. Фесенко. Ростов н/Д., 1986.- 135 с.

83. Дахия М.С. Кинетика электрического разрушения некоторых титаносодержащих керамик/ М.С. Дахия, В.А. Закревская, А.И. Слуцкер// ФТТ. Т. 26. - Вып. 9. - 1984. - С. 2716-2721.

84. Бей И.В. Температурно-полевая зависимость времени развития пробоя аморфного оксида тантала/ И.В. Бей, М.Н. Дьяконов, В.М. Муждаба, С.Д. Ханин// ФТТ. Т. 26. - Вып. 10. - 1984. - С. 3051-3054.

85. Атрощенко Э.С. Взрывное прессование сегнетокерамических материалов, формирование их структуры и свойств/ Э.С. Атрощенко, А.Е. Розен, Н.В. Голованова, С.Г. Усатый, О.Н. Логинов// Материаловедение. — 2001 №8(53)-С. 46-50.

86. ПО.Бондаренко Е.И. К анализу методов поляризации сегнетопьезокерамики/ Е.И. Бондаренко, Г.А. Житомирский, Е.Г. Фесенко// Сегнетоэлектрики: Сб. Ростов. ГУ. Ростов н/Д., 1985. — С. 118128.

87. Ш.Желудев И.С. Ориентация доменов и макросимметрия свойств сегнетоэлектрических монокристаллов/ И.С. Желудев, Л.А. Шувалов// Известия АН СССР. Сер. Физ. 1957. - Т. 21 - № 2. - С. 264-274.

88. Иона Ф. Сегнетоэлектрические кристаллы/ Ф. Иона, Д. Ширане. М.: Мир, 1965. - 556 с.

89. ПЗ.Балыпин М.Ю. Научные основы порошковой металлургии и металлургии волокна. — М.: Металлургия. 1972. — 336 с.

90. Турик А.В. Внутренние механические напряжения и прочность сегнетокерамики/ А.В. Турик, А.И. Чернобабов// ЖТФ. 1979. — Т. 49. - № 8. - С.1732-1736.

91. Крамаров С.О. Анизотропия механической прочности поляризованной сегнетокерамики// Диэлектрические материалы радиоэлектроники. М.: МИРЭА, 1977. - С. 121-127.

92. Зацаринный В.П. Анизотропия механической прочности поляризованной сегнетокерамики/ В.П. Зацаринный, Д.Н. Карпинский, С.О. Крамаров//Изв. СКНЦ ВШ. Ест. науки. 1979. - № 2. - С. 38-42.

93. Крамаров О.П. Влияние режимов поляризации на прочность пьезокерамики/ О.П.Крамаров, С.О.Крамаров, В.С.Дронов и др.// Пьезокерамические материалы и преобразователи. Вып. 4. Ростов н/Д: Изд-во РГУ, 1977. - С. 140-144.

94. Крамаров С.О. Электрофизические свойства и разрушение сегнетоэлектриков на основе окислов семейства перовскита. Дис.канд. физ.-мат.наук. Ростов н/Д., 1979. - 168 с.

95. Прокофьева J1.A. Механическая прочность пьезокерамических материалов/ Л.А. Прокофьева, Т.М. Павлова, И.А. Серова// Физические явления в поликристаллических сегнетоэлектриках. — Л., 1981. — С. 67-70.

96. Розин Л.Г. Стабильный рост хрупких трещин в сегнетоэлектриках. Дис. канд. физ.-мат.наук. — Ростов н/Д., 1989. — 203 с.

97. Булычёв С.И. Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора/ С.И. Булычёв, В.П. Алёхин. — М.: Машиностроение, 1990. — 263 с.

98. Катрич М.Д. Прочностные свойства легированной керамики ЦТСЛ/ М.Д. Катрич, К.Я. Борман, В.И. Димза, И.И. Беспальцева//

99. Пьезокерамические материалы и преобразователи. Вып.9. - Ростов н/Д.: Изд-во-РГУ 1991.-С. 61-64.

100. Стрелец П.Л. Установка для определения прочности сегнетокерамических и ферритовых материалов в динамическом режиме/ П.Л. Стрелец, Л.Н. Сыркин, A.M. Эльгард// Вопросы радиоэлектроники. Сер. "Детали и компоненты". 1964. - Вып. 3. - С. 146-158.

101. Стрелец П.Л. Испытание пьезокерамики и ферритов на прочность при пассивном возбуждении изгибных колебаний/ П.Л. Стрелец, Л.Н. Сыркин, A.M. Эльгард// Вопросы радиоэлектроники. Сер. "Детали и компоненты". 1964. - Вып. 3. - С. 134-145.

102. Писаренко Г.Г. Исследование взаимосвязи рассеяния энергии с прочностными свойствами пьезоэлементов// Прочность материалов и элементов конструкций при звуковых и ультразвуковых частотах нагружения. Киев: Наукова думка, 1983. - С. 188-191.

103. Кириллов В.М. Исследование прочностных характеристик пьезокерамики/ В.М. Кириллов, В.И. Панфилов, А.А. Пахомова, М.А. Шамовская// Излучатели и приемники ультразвуковых колебаний: Мат. Семинара.-Ч. II.-Л.: ЛДНТП, 1966.-С. 100-107.

104. Шамовская М.А. Влияние масштабного фактора и статических напряжений на усталостную прочность пьезокерамики/ М.А. Шамовская, В.И. Панфилов// Новые пьезо- и сегнетоматериалы и их применение: Мат. семинара. М.: МДНТП, 1969. - С. 75-80.

105. Панфилов В.И. Усталостная прочность керамических пьезоэлементов и пути ее повышения/ В.И. Панфилов, Л.Н. Сыркин, М.А. Шамовская// Электронная техника. Сер. 14 (Материалы). 1969. - Вып. 6. -С. 92-97.

106. Акопьян В. А. Исследование усталостной прочности пьезокерамических элементов/ В.А. Акопьян, В.П. Зацаринный, Е.В. Рожков// IX Всесоюзное совещание по сегнетоэлектричеству: Тез. докл. — Ч. 2. Ростов н/Д.: Изд-во РГУ, 1979. - С. 106.

107. Лущейкин Г.А. Получение и применение сегнето- и пьезоматериалов в народном хозяйстве/ Г.А. Лущейкин, Т.П. Тихомирова, М.К. Полевая. М.: МДНТП, 1984. - С. 42-46.э9 о

108. Umpp:=Rpp*dpp; Umpor :=Rop * Hpor;полет поршня по порошку без основания} Um:=Umpp+UmskW; n:=(16*Rw*Hw)/(27*Um); t:=2*n*Hw/(( 1 +2*n)*Dw); repeat t:=t+0.0000001;

109. Um:=Um+Rop*((70+(l+1.8*(Rop/Rtp))*Vl)*0.0000001); until(t>(20*Hpor/66)); {Реальный расчет с учетом зазора}t:=0;

110. Um :=Umpp+Umsk W; if Zaz>0 then Um:=Umpp; n:=(16*Rvv*Hvv)/(27*Um); t:=2*n*Hw/((l+2*n)*Dw); repeat t:=t+0.0000001;

111. Q:=1 /sqrt( 1 +2 * n* (1 -H vv/(D w* t)));

112. V:=Dw* (1 +(Q-1 )/(n*Q)-(Hw*Q)/(Dw*t)); t:=t+0.0000001; until(V>0); t:=t-0.0000001; end; tl:=0;if Vml<=250 then begin

113. Form3.LReshim.Caption:-Режим квазистатического прессования ' a:=0; Zpp:=0; y:=0;

114. Ropor:=Rop*Hpor/H2por; Rspor:=(Rspor+Ropor)/(t1 * 10000000); 9 S :=Rspor* 100/Rtp;end; t:=t+0.0000001; until(a>0);

115. Form3.LReshim.Caption:-Режим ударно-волнового прессования'; b:=t; tl:=0; a:=0;

116. S :=2* Hpor/66+tOs/2; repeattl:=tl+0.0000001;n:=( 16 * Rw * H v v)/(2 7 * Um);

117. Q:=1 /sqrt( 1 +2*n*( 1 -Hw/(Dw*t)));

118. V:=Dw*(l+(Q-l)/(n*Q)-(Hw*Q)/(Dw*t));if Vm<V then Vm:=V;

119. Um:=Umpp+UmskW+Umpor+UmOsW; if a>l then t:=t+tOs/2 else t:=b+tOs;n:=(165|cRw*Hvv)/(27*Um);

120. Q :=1 / sqrt( 1 +2 * n* (1 -Hvv/(D vv* t)));

121. V :=D vv * (1 +(Q-1)/(n* Q)-(H vv * Q)/(D w* t));1. Eotr:=V*V*Um/2;1. Ropor:=RoporMax;

122. ОСНОВНОЙ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ЭКРАН ПРОГРАММЫs ,

123. Пензенский государственный университет-"Рж чс ПШЯ UpOJ рЛ }1>1<1# 1плрлметро^ * . взрывпогЗ -.прессов липя и s ллрно-волновои активна пи1. Рассчитать1. Помощь1. Выход„ II'«и» .

124. Россия. П^тоа. Пензенский госуарстЕенный университет, кау. ''Сварочное производстве»и1. J3? Исс/лвд««агелк1. ОШШ1. Загрузить Сохранить1. М«нн1. ГРассчнтать I1. Печать

125. Взрывчатое вещество | Пресс порошок Пластина-поршень | Основание и грунт J Результаты расчета j г XAFAKTEPI 1СXIПСА ПЛАСТ! ШЫ-ПОРШНЯ г ХАРАКТЕРИСТИКА СТЕНКИ КОНТЕЙНЕРА1. ЮтальТо 31.' .

126. Платность runt тины поршня. г/смЗП

127. Толщина пластины поршня, мм3;0 . Zl

128. Зачор между контейнером н поршнем, мм1. Сталь10 J1. Плотность металла, г смЗj . "1. Толщина стенки, мм1. Ввести данные1. Рисунок 2

129. ЭКРАНЫ ВЫВОДА РАСЧЕТНЫХ ЗНАЧЕНИЙй? Исследователь1. Зягру-шть1. Сохранить1. Меню1. Рассчитать1. Печать

130. Взрывчатое вещество | Пресс порошок Пластина-поршень . Основание и грунт Результаты расчета |

131. Аммонит 6ЖВ ЦГС-19 Сталь 10 СтальЮ Vmax. м/с = 107

132. D. м/с = 3600 h, мм= 3 h, мм= 16 h, мм = 34 Еобщ, МДж/м2 = 8,5

133. Нвв, мм = 40 р,г/смЗ = 4,2 Контейнер Еуд, % = 0,1р, гУсмЗ = 0,75 '1. Сталь 10 Суглинок Еотр, % = 99,9h, мм = 3 р, г/смЗ =7,4732. Сталь 10 h, мм= 1 ф" Ре»ультаты расчета- ПК

134. Режим квазистатического прессования200 180 160 140 120 100 80 60 40

135. Изменение скорости от времени•