автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Акустический контроль нелинейных и нестационарных параметров пьезокерамических систем

На правах рукописи

ЦАПЛЕВ ВАЛЕРИЙ МИХАЙЛОВИЧ

АКУСТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ НЕЛИНЕЙНЫХ И НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации иа соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 2003

Работа выполнена на кафедре физики Северо-Западного государственного заочного технического университета.

Научный консультант

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Сарвин Анатолий Александрович

доктор технических наук, профессор Аббакумов Константин Евгеньевич;

доктор физ.-мат. наук, вед. науч. сотр. Калашников Евгений Владимирович;

доктор технических наук, ст. науч. сотр.

Московенко Игорь Борисович.

Ведущая организация - федеральное государственное унитарное предприятие «ЦНИИ Гидроприбор»

Защита состоится 4 ноября 2003 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д212.244.01 при Северо-Западном государственном заочном техническом университете по адресу: 191186, Санкт-Петербург, Миллионная ул., д.5, ауд. 200.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Северо-Западного государственного заочного технического университета.

Автореферат разослан 03 октября 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета И.В. Иванова

2ое>3-1\

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В настоящей работе представлены выполненные автором в 1970-2002 годах теоретические и экспериментальные исследования возможности управления нелинейными упругими и неупругими характеристиками различных пьезокерами-ческих материалов, применяемых в промышленности и в области исследования и мониторинга окружающей среды. Приведены результаты исследований нестационарных явлений, ползучести, свойственных этим материалам. Описаны оригинальные методы измерений указанных параметров, не имеющие аналогов в мировой практике физических исследований. Получены данные по зависимостям модулей упругости, механических потерь (внутреннего трения), пьезоэлектрических и диэлектрических констант и коэффициентов электромеханической связи от приложенных напряжений одноосного сжатия, температуры, амплитуды колебаний. Описаны физические механизмы, ответственные за эти процессы. Установлена связь между нелинейными эффектами и ползучестью пьезоке-рамических систем. Полученные данные могут быть использованы для разработки и конструирования электромеханических систем, содержащих элементы из пьезоактивных материалов, отличающихся более стабильными характеристиками, для создания новых параметрических электромеханических и акустических устройств и приборов, использующих эффект нелинейности активного материала, а также для создания пьезопреобразователей с управляемыми параметрами.

Актуальность темы.

Физические процессы, происходящие в пьезокерамических материалах, определяют работу многочисленных классов электромеханических преобразователей. Эти преобразователи могут применяться в акустике, гидроакустике, средствах наблюдения за окружающей средой, приборах неразрушающего контроля, дефектоскопии, автоматики, и т.д. Поэтому исследования физических свойств различных пьезокерамических материалов, начавшиеся более полувека назад с открытием сегнетоэлектричества в титанате бария, за прошедшее с этого время нарастали лавинообразно, и к настоящему времени число публикаций, посвященных свойствам этих материалов, исчисляется десятками тысяч.

Тем не менее, полной ясности относительно физических механизмов, определяющих поведение упругих свойств пьезокерамических материалов, нет. Исследования зависимости упругих и пьезоэлектрических (или пьезомагнитных) параметров и внутреннего трения от механических напряжений очень немногочисленны, что объясняется методическими и экспериментальными трудностями. В то же самое время этот вопрос представляет значительный интерес, так как условия эксплуатации пьезопреобразователей часто связаны с действием больших механических нагрузок. Известно, что все параметры пьезокерамики -упругие, неупругие, пьезоэлектрические и диэлектрические - проявляют сильную нелинейность. Природа этой ""птгйцгт п "р1""^*™* ясна, однако де-

ЙОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ | БИБЛИОТЕКА С. Петербург ОЭ «ХЙ

тальные исследования проводились в основном в отношении диэлектрических и пьезоэлектрических свойств. Динамические упругие нелинейные свойства и нелинейность внутреннего трения мало изучены, что также объясняется экспериментальными трудностями.

Между тем именно данные о нелинейности упругих параметров необходимы для реализации всех возможностей пьезокерамических материалов при разработке пьезопреобразователей, работающих в условиях больших статических, динамических и ударных нагрузок. Нелинейные свойства дают также возможность построения целого нового класса пьезопреобразователей - параметрических преобразователей, работающих на нелинейном эффекте.

Создание пьезоэлектрических текстур, управляемых механическими напряжениями, весьма привлекательно также и с научной точки зрения, поскольку представляет собой удобный методический прием для изучения особенностей пьезоупругих взаимодействий. Иначе говоря, изучение поведения динамических модулей упругости и внутреннего трения под действием одноосного сжатия является новым и перспективным методом в физике твердого тела

Все это в полной мере относится также и к исследованию ползучести в пье-зокерамике. Несмотря на огромное число публикаций, этот вопрос остается недостаточно исследованным. Известно, что пьезокерамика обладает ярко выраженным эффектом последействия. Этот эффект многократно описан в литературе, однако понимается большинством авторов лишь как старение, т.е. изменение параметров после изготовления, поляризации или после термического воздействия, в некоторых публикациях - после электростатического воздействия. Но последействие наблюдается после любого возмущения — механического статического, ударного воздействия, электростатического и т.д. В общем виде такое последействие может быть названо ползучестью и применительно к пьезокера-мике практически не исследовано, за исключением ранних работ автора [19].

Таким образом, актуальную научную проблему, поставленную и решенную автором, можно сформулировать в виде следующих положений:

1) исследование динамических нелинейных упругих и неупругих характеристик пьезокерамических материалов высокоточными акустическими методами;

2) контроль модулей упругости и неупругих потерь в пьезокерамических материалах, работающих в условиях экстремальных воздействий;

3) обоснование возможности управления системами, содержащими элементы из пьезоактивных материалов;

4) исследование ползучести широкого класса материалов и контроль их нестационарных характеристик.

Основные положения диссертации базируются на результатах исследований и разработок, проведенных автором в рамках различных НИР бывшего Госкомитета СССР по науке и технике, а также по различным ведомственным заказам.

Полученные результаты дают возможность разработки и создания целого класса новых перспективных электронных устройств и приборов, построенных на нелинейных эффектах. Эти результаты могут также служить базой для прогнозирования поведения и коррекции уже существующих и новых устройств в условиях внешних воздействий.

Цель работы.

Главной целью настоящей работы было теоретическое и экспериментальное обоснование, разработка и создание акустических методов исследования динамической упругой нелинейности и ползучести различных материалов, как активных - пьезокерамических или магнитострикционных, так и пассивных.

Дополнительной целью был теоретический и экспериментальный анализ взаимосвязи упругих характеристик, внутреннего трения, коэффициентов электромеханической связи с величиной приложенного статического механического напряжения сжатия, с амплитудой переменных механических напряжений и с временем пребывания под действием приложенной статической нагрузки, т.е. исследование эффектов ползучести.

В соответствии с целями главный акцент был поставлен на решении технических проблем и на феноменологическом описании найденных эффектов.

Что касается физических механизмов, происходящих в пьезокерамических материалах, то детальное исследование этих механизмов далеко выходит за рамки настоящей работы. Тем не менее, основные физические механизмы, ответственные за происходящие процессы, были рассмотрены с целью формулирования задач управления упругими свойствами материалов.

В соответствии с поставленной целью в диссертации были сформулированы следующие основные задачи:

1. Теоретически обосновать и выбрать частотный диапазон измерений модулей упругости и неупругих характеристик пьезокерамических материалов.

2. Создать адекватные методы измерений названных параметров в условиях действия весьма значительных сжимающих нагрузок в широком диапазоне частот и температур.

3. Выполнить, пользуясь созданными методами, исследования влияния управляющих параметров - механических сжимающих напряжений и электрических полей на упругие и неупругие свойства пьезоматериалов.

4. Создать достаточно точный метод исследования динамической ползучести пьезоматериалов и выполнить соответствующие измерения упругого и неупругого последействия.

5. Установить степень влияния тех или иных физических механизмов на происходящие процессы с целью прогнозирования возможности управления параметрами.

6. Оценить возможности применения полученных результатов в технике.

Методы я объекты исследований.

Для решения поставленных задач применялись акустические ультразвуковые методы измерений упругих параметров и внутреннего трения. В результате системного анализа и научного обобщения литературных данных по упругим и неупругим свойствам пьезокерамических материалов и данных, полученных в результате ранних экспериментальных исследований, выбран и обоснован частотный диапазон ультразвуковых измерений. Выбраны и обоснованы адекватные ультразвуковые методы для работы в диапазонах частот 20 -*■ 250 кГц и 5 + 10 МГц. В низкочастотном поддиапазоне использовались резонансные методы, основанные на измерении частоты основного резонанса и ширины резонансного пика и метод спада свободных колебаний. В высокочастотном поддиапазоне использовался импульсно-интерференционный метод.

Объекты исследований: пьезоэлектрическая керамика различных составов на базе ВаТЮз и цирконата-титаната свинца (ЦТС); естественные различные поли-крисгаллические материалы - кварцит, габбро и др., а также радиофарфор.

Научная новизна полученных результатов.

1. Предложен и реализован оригинальный метод контроля динамических модулей упругости в зависимости от одноосного сжатия в широком диапазоне температур и частот.

2. Полученные результаты показали весьма значительные (до 30-35%) относительные изменения (дефект) динамического модуля Юнга, который существенно зависят от температуры и частоты измерений. Обнаружена и изучена сильная нелинейность дефекта модуля Юнга и модуля сдвига.

3. Показано, что все названные эффекты имеют место только в сегнетоэлек-трической фазе и исчезают при переходе в параэлектрическую фазу.

4. Предложен физический механизм, объясняющий столь существенный дефект модулей упругости. Показана возможность управления упругими характеристиками пьезокерамического материала за счет этого эффекта.

5. Обнаружена существенная частотная дисперсия дефекта модуля Юнга, которая отсутствует в свободном материале, но появляется под действием сжатия. Степень дисперсии увеличивается с нагрузкой, уменьшается при увеличении частоты и имеет типичный релаксационный характер. Показано отсутствие упругой частотной дисперсии выше 5 МГц, по крайней мере, в пределах точности измерений.

6. Исследовано влияние сжатия на внутреннее трение пьезокерамики различных составов. Предложен физический механизм, объясняющий это влияние. Получена также частотная зависимость, ход которой полностью соответствует ходу частотной зависимости модуля Юнга.

7. Выполнены систематические исследования упругой и неупругой ползучести в различных пьезокерамических материалах, т.е. последействия, появляющегося в результате скачкообразного приложения нагрузки. Предложенный оригинальный метод измерений позволил существенно расши-

рить интервал времени, в течение которого имеет место последействие. Было установлено, что весь процесс последействия можно разделить на два этапа — первое, достаточно быстрое, практически безынерционное возрастание упругого параметра и последующее вязкое изменение. Установлен достаточно сложный закон ползучести.

8. Предложена модель, описывающая ход релаксационного последействия. Модель предполагает наличие сложного релаксационного процесса с плотным спектром времен релаксации. Предложен и реализован метод оценки границ этого спектра.

9. Проведенные температурные исследования позволили оценить соответствующие границы спектра энергий активации. Оценки дали возможность сопоставить этим значениям соответствующие физические механизмы.

10.Предложен и реализован метод исследования анизотропии материала путем создания дополнительной искусственной анизотропии другого типа, т.е. путем управления типом и степенью анизотропии.

11.Показана возможность прогнозирования изменения различных модулей упругости под действием внешнего воздействия. Поляризованная пьезо-керамика имеет большое число модулей упругости первого и высших порядков, так что экспериментальное измерение полного набора модулей не представляется возможным. Однако, измерив некоторые из них, и правильно построив физическую модель, можно вычислить любой модуль упругости.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Акустические резонансные методы контроля позволяют выявлять нелинейность комплексных упругих параметров пьезоэлектрической керамики в зависимости от внешних воздействий. Полученные зависимости могут иметь большое значение для прогнозирования поведения пьезопреобра-зователей в условиях действия больших нагрузок. Точность контроля предложенными методами значительно превосходит точность традиционных методов и приближается к точности контроля параметров ненагру-женной керамики.

2. Применение высокоточных акустических импульсно-интерференционных методов позволяет установить, что различные модули упругости пьезоке-рамики по-разному изменяются под нагрузкой, в зависимости от взаимной ориентации направления сжатия и оси поляризации. Некоторые модули увеличиваются при увеличении напряжения сжатия, тогда как другие наоборот, уменьшаются. Этот эффект дает возможность управления упругими характеристиками материала.

3. Анализ нелинейного и нестационарного поведения упругих и неупругих параметров пьезокерамических материалов в широком диапазоне частот, температур и напряжений сжатия возможен лишь с применением спе-

цнально разработанных оригинальных методов и аппаратуры, не

имеющих аналогов в практике акустических измерений.

4. Характер зависимости модуля Юнга и соответствующего внутреннего трения от статического напряжения сжатия- квазигистерезисный. Остаточное значение модуля Юнга после полного снятия нагрузки определяется необратимым изменением доменной структуры материала

5. Разработанный акустический метод исследования ползучести позволяет установить характер и закон изменения во времени динамического модуля Юнга и внутреннего трения. Метод позволяет оценить границы спектра времен релаксации, характеризующие начало и конец переходного процесса и границы спектра энергий активации, соответствующих физическим процессам, происходящим в пьезокерамических материалах. Полученные результаты могут быть использованы для разработки схем стабилизации преобразователей, а также при разработке новых более стабильных составов.

6. Комбинация данных, полученных низкочастотным резонансным и высокочастотным импульсно-интерференционным методами, позволяет обнаружить и исследовать частотную дисперсию, которая отсутствует у свободного образца, но появляется под нагрузкой. Предложенная модель позволяет прогнозировать линейную от логарифма частоты зависимость дефекта модуля Юнга и внутреннего трения.

7. Реализация предложенных резонансных методов позволяет разделить нелинейные эффекты и установить, что одновременное приложение статического сжатия и увеличение амплитуды колебаний приводят к противоположным эффектам. Увеличение амплитуды колебаний приводит к увеличению продольной податливости образца и к увеличению потерь энергии. Статическое сжатие уменьшает эти параметры. Полученные данные могут быть использованы при разработке мощных армированных излучателей, а также в исследованиях свойств керамики различных составов.

Приоритет результатов.

Основные научные результаты и сформулированные по этим результатам научные положения получены впервые.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на различных научных конференциях и конгрессах в нашей стране и за рубежом:

1. VI Всесоюзная конференция по сегнетоэлектричеству, Рига, 1968;

2. VII Всесоюзная конференция по сегнетоэлектричеству, Воронеж, 1970 г.;

3. VII Всесоюзная акустическая конференция, Ленинград, 1971 г.;

4. Всесоюзная конференция по физике горных пород и процессов, Ленинград, 1972 г.;

5. Ш Дальневосточная акустическая конференция, Владивосток, 1982 г.;

6. V Всесоюзная конференция "технические средства изучения и освоения Океана", Ленинград, 1985 г.;

7. IV Дальневосточная Акустическая конференция, Владивосток, 1986 г.;

8. Fourth International Congress on Sound and Vibration, St. Petersburg, 1997;

9. 4-th International Conference "Ceramic-Ceramic Composites", Möns, Belgium, 1997;

lO.Intemational Congress on Acoustics DAGA 98, Zurich, Switzerland, 1998;

11. "Electroceramics VI'98", International Conference on Electroceramics and their Applications, Montreux, Switzerland, 1998;

12. Sixth Conference of the European Ceramic Society, Brighton, UK, 1999;

13. 6-th International Congress on Sound and Vibration, Copenhagen, Denmark, 1999;

14. 7-th International Congress on Sound and Vibration, Garmisch-Partenkirchen, Germany, 2000;

15. Российско-польская конференция "Анализ, прогнозирование и управление в сложных системах" (APS-2002), СПб, 2002 г.;

16. 9-th International Congress on Sound and Vibration, Orlando, Florida, USA, 2002.

17.10-th International Congress on Sound and Vibration, Stockholm, Sweden, 2003.

Публикация результатов диссертации.

Основное содержание диссертации отражено в одной монографии, 24 статьях, опубликованных в различных отечественных, зарубежных и международных журналах, сборниках и трудах, 16 тезисах докладов на отечественных и международных конференциях и в трех авторских свидетельствах. Результаты работ, представленные в диссертации, отражены также в отчетах по НИР, выполненных в рамках государственных программ и по ведомственным заказам.

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, шести глав, основных заключения, а также списка цитированной литературы. Объем диссертации составляет 329 страниц машинописного текста, в том числе 5 таблиц, 154 рисунка. Список литературы содержит 434 наименования.

Автор выражает благодарность доценту кафедры электроакустики и ультразвуковой техники СПбГЭТУ (ЛЭТИ) Е.Д. Пигулевскому за большой вклад в постановку и решение проблемы.

Автор также считает необходимым отметить вклад в постановку проблемы ныне покойного доктора технических наук, профессора [П.Н. Сыркина.

Практическая значимость полученных результатов:

1. Разработанные методы акустического ультразвукового контроля упругих и неупругих параметров твердых тел под действием сжатия в широком диапазоне частот и температур и соответствующая техника ультразвукового эксперимента значительно расширяют возможности исследования физических характеристик различных материалов, в особенности таких нелинейных и нестабильных материалов, как пьезокерамика. Благодаря разработанным методам стали возможными:

- измерения зависимостей модулей упругости и внутреннего трения от напряжения одноосного сжатия в широком диапазоне частот и температур;

- исследования упругого и неупругого последействия, возникающего в материале после приложения нагрузки. При этом стало возможным установить закон ползучести и разделить изменение параметров на безынерционную и вязкую составляющие;

- оценки границ спектров времен релаксации процесса последействия и границ спектра энергий активации, соответствующих физическим процессам, происходящим в материале после приложения нагрузки;

- исследование частотно-зависимых упругих и неупругих параметров материалов при одновременном температурном воздействии, поскольку эти частотные зависимости появляются только под нагрузкой;

- исследование индуцированного нагрузкой изменения анизотропии материала

2. Созданные методы и аппаратура пригодны для прогнозирования поведения устройств, содержащих пьезоэлементы, в условиях действия больших сжимающих статических, динамических или ударных нагрузок, а также для исследований в научных целях;

3. Результаты исследования ползучести могут быть использованы для разработки электронных узлов стабилизации пьезоэлектрических преобразователей;

4. Разработанные методы и данные по зависимостям упругих свойств от сжимающих нагрузок, полученные с помощью соответствующей аппаратуры, могут применяться для разработки и испытаний мощных армированных пьезоэлектрических излучателей, работающих в режиме больших динамических нагрузок;

5. Разработанные методы и аппаратура позволяют выполнять все упомянутые выше измерения не только для пьезокерамических материалов, но также и для любых других, склонных к нелинейности и ползучести материалов, как активных, так и пассивных;

6. Разработанные методы позволяют выполнять исследования нелинейных характеристик и нестационарных свойств материалов также при одновременном воздействии других внешних факторов, например, статических или переменных электрических, магнитных статических или переменных

полей, низкочастотных вибраций, ионизирующих или проникающих излучений и т.д., что делает предложенные методы и аппаратуру особенно ценными для целей неразрушающего контроля.

7. Выполненные исследования и полученные результаты могут быть положены в основу разработки акустических преобразователей с управляемыми характеристиками.

Реализация результатов работы.

Разработанные методы акустического контроля нелинейных упругих параметров, внутреннего трения и нестационарной ползучести, а также полученные данные использованы в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах различных предприятий для существенного улучшения стабильности изделий, в которых применяются пьезоэлементы.

Данные диссертации применялись также для прогнозирования поведения первичных измерительных датчиков в многоканальных системах инженерно-сейсмических наблюдений. Результаты исследования ползучести пьезоматериа-лов использованы для разработки электронных схем стабилизации показаний сейсмодатчиков и устранения дрейфа нуля в режимах длительных ожиданий.

Результаты диссертационной работы внедрены при выполнении работ по модернизации инженерно-сейсмической аппаратуры в рамках ФКЦП "Сейсмоза-щита", в перспективных разработках ЗАО "Светлана-электронприбор" (С-Петербург), опытного производства научно-производственного комплекса ЗАО "Асгрин" (С-Петербург).

Результаты диссертационной работы использовались также другими предприятиями различного профиля.

Личный вклад автора.

Все основные научные идеи, положенные в основу данной работы, были сформулированы автором лично. Идея, разработка и создание низкочастотной аппаратуры также принадлежат лично автору. Исследования, выполненные в килогерцовом диапазоне частот, и интерпретация полученных результатов выполнены лично автором. Исследования нестационарных эффектов, равно как и их интерпретация, также выполнены автором.

Измерения зависимостей модулей упругости от механических напряжений в

мегагерцевом диапазоне частот выполнены при участии [Б.А. Кирова! при помощи его собственной оригинальной аппаратуры. Интерпретация полученных результатов, теоретические соотношения для зависимостей поведения модулей упругости под нагрузкой, а также теория и расчет изменения анизотропии пье-зокерамики под действием сжатия выполнены автором.

Все теоретические положения, систематизация и обобщение результатов выполнены лично автором.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении определен круг научных и практических проблем, подлежащих решению, обоснована актуальность проблем, рассмотренных в диссертации, дана общая характеристика работы, сформулирована ее цель, кратко изложено содержание диссертации, выдвинуты положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе рассмотрены физические механизмы, приводящие к появлению эффекта ползучести пьезокерамических материалов. Термин "ползучесть" по отношению к пьезокерамике в литературе до настоящего времени практически не применялся. Это объясняется повидимому тем, что ползучесть в ее общепринятом понимании, т.е. процесс изменения упругих параметров после приложения механической нагрузки в этих материалах не исследовалась. Для обозначения нестационарных процессов, происходящих после термических или электрических воздействий, применяется термин "старение". Однако очевидно, что физические процессы, происходящие в материале в том и в другом случае различны, хотя и имеют много общего.

Последействие (в общем случае) в пьезоэлектрической керамике определяется перестройкой внутренней структуры материала после воздействия на него внешнего фактора. Поэтому изучение процессов ползучести является весьма тонким инструментом исследования физических свойств материала. С практической же точки зрения изучение ползучести дает возможность прогнозирования поведения акустических устройств, построенных с использованием пьезо-элеменгов, в результате воздействия на них внешних факторов. Иначе говоря, информация о нестационарных свойствах пьезокерамических материалов позволяет активно управлять свойствами устройств, выполненных на их базе.

Для построения модели процесса последействия наиболее существенным является вопрос о типе экспериментальной кривой, описывающей этот процесс. Различные авторы предлагали разные типы эмпирических зависимостей, от экспоненциальной до линейной от логарифма времени. Большинство исследователей склоняется к этому последнему типу. Подобные зависимости характеризуют сложные процессы, которым можно сопоставить не одно значение энергии активации, а целый спектр, причем границы спектра значений энергии активации определяются асимптотами экспериментальных кривых последействия. Иначе говоря, последействие определяется большим числом различных физических механизмов.

Для того, чтобы классифицировать эти механизмы, необходимо было выделить наиболее существенный вклад в величину изменения упругих параметров в ходе последействия. Этот наиболее существенный вклад происходит в сегнето-электрической фазе пьезокерамического материала, т.е. ниже точки Кюри. Выше точки Кюри, в параэлектрической фазе время последействия существенно ниже, а изменение параметра - намного меньше.

Таким образом предстояло выделить участок, на котором происходит линейное от логарифма времени изменение параметра и определить эксперименталь-

но границы спектра времен релаксации. Предварительные исследования показали, что изменение во времени динамического модуля Юнга и внутреннего трения можно разделить на две составляющих. Первая составляющая - безынерционная, когда изменение происходит быстро, практически мгновенно после скачкообразного приложения сжатия. Вторая составляющая - вязкая, когда изменение продолжается в течение весьма длительного времени (изменение продолжалось до 120 суток после при сохранении приложенной нагрузки при комнатной температуре). Соответствующие зависимости внутреннего трения и относительные изменения во времени при постоянном напряжении сжатия для деполяризованной пьезокерамики типа (Ва0,95Са<>,о5)ТЮз+0)75%СоО показаны на рис.1. Прямой линией показано исходное значение внутреннего трения (обратной механической добротности).

Рис.1. Ползучесть в пьезокерамике ВаТЮз

Основная трудность состояла в определении нижней границы, т.е. времени, соответствующего началу линейной зависимости. Требовалось создание аппаратуры, способной регистрировать быстрые изменения модуля Юнга.

Большинство исследователей сходится к тому, что старение пьезокерамики (т.е. по нашей терминологии ползучесть) обусловлено различными механизмами, среди которых можно назвать: выравнивание внутренних напряжений, стабилизацию сегнетоэлектрических доменов, появление пространственных зарядов, термически активированное перераспределение локальных конфигураций ионов. Однако основной вклад в последействие вносит доменный механизм, т.е. движение доменных границ, или, что - то же самое, перераспределение сегнетоэлектрических доменов, пространственная переориентация их полярных осей, уменьшение подвижности 90-градусных доменных границ, вызванное их стабилизацией в потенциальном рельефе дефектов решетки. Этот механизм рассмат-

ривался большим числом авторов, начиная от Мэзона и до сравнительно недавних работ (например, Арлта с сотрудниками). Полной ясности, однако, нет до настоящего времени.

На ранних этапах исследования автором было высказано предложение о том, что необходимо разделить влияние 90-градусных и 180-градусных доменных границ. Для этого следовало найти способ управления концентрацией этих границ. Это можно сделать двумя способами.

Один из этих способов заключается в том, что материал (т.е., в данном случае пьезокерамический образец) подвергается одноосному сжатию. В таких условиях происходит переориентация полярных осей сегнетоэлектрических доменов перпендикулярно оси сжатия (или квазиперпендикулярно, т.е. те домены, полярные оси которых образуют угол, меньший 45° с осью сжатия, поворачиваются на 90°, а те, оси которых ориентированы под большим углом, сохраняют свою ориентацию). Перестройка структуры 90-градусных доменов приводит к изменению положений границ, разделяющих эти домены. При этом концентрация 90-градусных доменнных границ уменьшается.

Второй способ управления концентрацией доменных границ состоит в том, что к образцу прикладывается постоянное электрическое поле. При этом в также начинается переходный процесс - последействие. Действие электрического поля не аналогично действию механического сжатия, поскольку в электрическом поле происходит не только перестройка доменной структуры, но также и перемещение электрических зарядов, т.е. возникает ток, который в свою очередь также влияет на доменную структуру.

В главе показано, что на упругие свойства и ползучесть влияет в основном подвижность 90-градусных доменных границ, стабилизированных присутствующими точечными дефектами. Управление упругими свойствами и степенью ползучести сводится к управлению концентрацией границ. Обосновывается необходимость и возможность экспериментального измерения модулей упругости и внутреннего трения во времени при воздействии сжимающей нагрузки. Основные результаты, изложенные в главе, опубликованы в работах [7], [9], [18], [22], [25].

Во второй главе рассмотрены физические механизмы, приводящие к появлению частотной зависимости параметров пьезокерамических материалов. До настоящего времени многочисленными авторами была экспериментально и теоретически исследована лишь диэлектрическая дисперсия, т.е. частотные зависимости относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь. В отсутствие внешних воздействий эта дисперсия проявляется в материалах типа титаната бария в области частот порядка 10* Гц и обусловлена колебательным движением в основном 180-градусных доменных границ. Упругие характеристики и внутреннее трение обусловлены движением главным образом 90-градусных границ. Различными авторами показано, что частотная дисперсия упругих свойств пьезокерамики в отсутствие внешнего воздействия отсутствует вплоть до 10 МГц. Однако в своих ранних работах Я.

Фоусек и Б. Бржезина визуально наблюдали частотные зависимости движения 90-градусных границ в монокристаллах титаната бария. Ими была предложена феноменологическая модель колебательного движения границы в переменном электрическом поле. Характер движения доменных границ - релаксационный. В главе показано, что релаксационный характер движения доменных границ становится особенно наглядным, если перестроить полученные ими экспериментальные зависимости в виде функции логарифма частоты. Получаются зависимости линейные от логарифма времени в пределах 100 кГц — 1 МГц.

На частотах, превышающих верхнюю частоту релаксации, амплитуда колебаний доменных границ уменьшается, и свойства материала становятся частотно-независимыми. Набор параметров материала в этом случае определяется распределением пространственных направлений полярных осей различных доменов. Для того, чтобы оценить вклад подвижности доменных границ в свойства материала, важно установить верхнюю границу спектра частот релаксации.

Частотные зависимости диэлектрических свойств сегнетокерамических материалов экспериментально исследовал А.М. Эль гард. Было выяснено, что в пределах 50 Гц - 100 кГц дисперсия отсутствует, но появляется в постоянном электрическом поле.

В главе показано, что, поскольку упругие свойства в сегнетоэлектрической фазе определяются в основном подвижностью 90-градусных доменных границ, то упругая дисперсия в пьезокерамике все-таки существует, однако проявляется она лишь при существенном уменьшении концентрации границ. В этом случае уменьшается вклад в упругую податливость, обусловленный движением границ. В результате упругая податливость уменьшается, а соответствующий модуль упругости увеличивается.

Управлять концентрацией доменных границ можно путем воздействия на пьезокерамический образец постоянным электрическим полем или одноосным механическим сжимающим напряжением. В работе автора [8] впервые исследовалась частотная зависимость "дефекта модуля Юнга" неполяризованной керамики (Вао,95Сао,о5)ТЮ3 +0,75% СоСОз под действием одноосного сжатия.

В свободной керамике модуль Юнга (продольный модуль упругости, который реализуется при продольных резонансных колебаниях стержневого образца пьезокерамики) не зависит от частоты. Однако с увеличением нагрузки частотная зависимость проявляется и увеличивается по мере увеличения нагрузки.

Дефект модуля Юнга уменьшается с увеличением частоты, причем ход частотной зависимости - релаксационный. Измерения, выполненные импульсно-фазовым методом на частотах 5-10 МГц, показали отсутствие частотной зависимости различных модулей упругости. На рис.2 показаны результаты, полученные путем объединения высокочастотных и низкочастотных измерений. Высокочастотный диапазон (5-10 МГц) был выбран таким образом, чтобы он находился выше верхней частотной границы релаксационного спектра. В главе показана методика соединения результатов, полученных в низкочастотном (30250 кГц) и в высокочастотном диапазонах частот.

Рис.2.Частотная дисперсия дефекта модуля Юнга

Все эти результаты получены для установившегося состояния, полученного после выдержки образца под нагрузкой в течение 10 суток. Сразу после приложения нагрузки модули упругости и внутреннее трение начинают меняться. Начинается процесс ползучести также релаксационного типа, с довольно плотным спектром времен релаксации. Верхняя и нижняя границы этого спектра были оценены, а затем по данным температурных измерений для керамики различных типов были оценены верхняя и нижняя границы спектра энергий активации, ответственных за этот процесс.

Частотная дисперсия дефекта модуля Юнга, которая возникает под действием внешнего одноосного сжатия, объясняется на основе представлений о влиянии доменных границ на упругие свойства пьезокерамики.

В сегнетоэлектрической фазе податливость керамики значительно выше, чем в параэлектрической фазе, благодаря добавочной динамической деформации, обусловленной движением 90-градусных доменных стенок. Эта добавочная "доменная" деформация достаточно велика, так как при колебаниях границы происходит переориентация вектора спонтанной поляризации внутри области, ограниченной амплитудными смещениями стенки. Добавочная деформация этой области (10~2, что соответствует величине спонтанной деформации кристаллической решетки ВаТЮ3 или 6-Ю"2 - для РЬТЮ3) существенно выше упругой деформации, обусловленной действующим модулем упругости без учета колебаний доменных стенок (порядка 10"7 - 10"6 в наших экспериментах). Этот эффект можно описать при помощи "мембранной" модели, т.е. считать доменную границу аналогом упругой мембраны, закрепленной на дефектах кристаллической

решетки, и совершающей изгибные колебания. При уменьшении концентрации 90-градусных доменных границ под действием сжатия происходит увеличение модуля Юнга. С увеличением частоты амплитуда колебаний границы уменьшается, поэтому уменьшается и дефект модуля Юнга.

На частотах порядка нескольких мегагерц, где амплитуда колебаний 90-градусных доменных границ мала, этот эффект также мал и является величиной одного порядка с фактором добавочной анизотропии, вносимой сжатием.

Основные результаты, изложенные в главе, опубликованы в работах [8], [22], [23], [26].

В третьей главе рассмотрены нелинейные эффекты, возникающие в пьезоке-рамических материалах. Показана связь нелинейности с последействием, с частотной дисперсией и с амплитудой колебаний. Основной вклад в динамические модули упругости пьезокерамики в сегнетоэлектрической фазе вносит колебательное движение доменных границ, которое в зависимости от рабочей частоты оказывает большее или меньшее влияние на дефекты различных модулей упругости. Можно различать нелинейность двух типов - "текстурную" и "динамическую". Если колебания происходят с небольшой амплитудой, т.е. если доменные границы совершают обратимые колебания в пределах одной потенциальной ямы, то зависимость между динамическим напряжением и динамической деформацией линейна, т.е. модули упругости не зависят от напряжения. Однако статическое одноосное сжатие вызывает нелинейную зависимость модулей упругости от напряжения. Такого рода нелинейность может быть названа "статической" нелинейностью, хотя она и связана с динамическими, а не статическими модулями упругости.

При этом под статической нелинейностью понимается упругая нелинейность, т.е. нелинейная зависимость между статическим механическим напряжением и деформацией, что означает нелинейную зависимость модулей упругости от напряжения сжатия или от напряженности постоянного электрического поля, приложенного к образцу.

Многочисленные литературные данные, касающиеся нелинейности пьезоке-рамических материалов, относятся в основном к диэлектрическим и пьезоэлектрическим свойствам. Повидимому это объясняется значительными экспериментальными трудностями, связанными с измерением упругих свойств материалов под влиянием внешних воздействий, Данные по упругим нелинейным свойствам весьма немногочисленны. Статические нелинейные эффекты обусловлены, в основном, статической переориентацией полярных осей доменов под действием сжатия или постоянного электрического поля. Эта же причина обусловливает нелинейность упругих свойств на высоких частотах, выше верхней частоты релаксации, когда вклад колебаний доменных границ в упругие свойства материала пренебрежимо мал (рис.3).

Рис. 3. Относительное изменение (в процентах) модулей упругости с^и^ пьезокерамики типа (ВадоСаадзУПОз + 0,75%СоС03 под действием одноосного сжатия. Стрелками показаны направления векторов сжатия а и волнового вектора к. Часгота/=8 МГц

"Динамической" или амплитудной упругой нелинейностью может быть названа нелинейная зависимость модулей упругости от амплитуды колебаний образца.

В главе описываются результаты исследования изменения анизотропии пьезокерамики под влиянием внешних факторов, среди которых основным является статическое одноосное сжатие. Были исследованы различные составы пьезокерамики, как на основе титаната бария ((Вао,мСао,(и)ТЮэ-Н),75%СоСОз), так и на основе тиганата-цирконата свинца. Среди последних исследованы как сегнето-жесткая керамика РЬо.958го.о5(гг0.ззТ1о.47)Оз + 3%РЬО, так и сегнетомягкая -РЬо»8гоо5(ггоззТЬ47Рз + 1%МЬг05. Экспериментальные зависимости хорошо согласуются с расчетными.

В целом полученные экспериментальные зависимости, и расчетные зависимости, представленные на рис.3, можно охарактеризовать угловым коэффици-

ентом к =--— [25], где исследуемый модуль упругости. Знак к завили

сит только от взаимной ориентации векторов Ли а, и не зависит от ориентации векторов к и р. В тех случаях, когда волна распространяется вдоль сжатия, т.е. при к всегда к > 0, а при а ± к всегда к: < 0.

Характер изменения кривых связан с изменением 90-градусной структуры пьезокерамики и определяется соответствующим изменением упругой анизотропии в процессе переориентации доменов. Создание текстуры, квазиперпендикулярной к оси сжатия, вызывает увеличение жесткости в этом направлении (к>0). Соответственно модули упругости, измеренные в направлении, параллельном оси сжатия, увеличиваются, а модули упругости, измеренные в перпендикулярном направлении (к<0), уменьшаются.

Наличие в образце исходной доменной текстуры не влияет на общий характер рассматриваемых зависимостей (т.е. на знак к), поскольку поляризация мало влияет на 90-градусную структуру. Однако величина к существенно зависит от взаимной ориентации векторов к яр, причем при kip величина к всегда больше, чем при р к. В целом это соответствует расчетным данным рис.3, однако величина к в значительной степени зависит от того, что поляризация и сжатие создают сложную двойную структуру, расчет которой методом, описанным главе 3, вполне возможен, однако весьма сложен.

Наибольшим соответствием расчетным данным обладают зависимости модулей упругости от напряжения сжатия для неполяризованной пьезокерамики.

Важное следствие полученных закономерностей - возможность определения вклада, вносимого этим механизмом в дефект модуля Юнга ira частотах порядка нескольких десятков килогерц. Этот вклад оценивается величиной порядка 18%.

В главе приводятся результаты, полученные в диапазоне частот 20 -250 кГц. Экспериментально показано, что начало нелинейности динамического модуля Юнга, обусловленное статическим одноосным сжатием, соответствует началу нелинейности при увеличении амплитуды колебаний. Упругое поведение пьезокерамики при малых амплитудах и при малых статических напряжениях сжатия описывается законом Рэлея. В главе детально исследованы границы действия закона Рэлея для различных составов отечественной пьезокерамики типа ЦТС и ВаТЮ3 с добавкой СоО. Для мягкой пьезокерамики область амплитуд, в которой выполняется закон Рэлея, простирается примерно до 10 МПа.

Энергия активации процесса, соответствующего началу нелинейности, соответствует величине, оцененной Л. Кроссом (W = 0,027 эВ). По порядку величины это соответствует расчетным данным и подтверждается экспериментально данными, полученными в диссертации ультразвуковым методом исследования ползучести (глава 6). Это позволяет утверждать, что начало нелинейности обусловлено началом отрыва 90-градусных доменных границ от закрепляющих их дефектов при превышении амплитуды колебаний границ некоторого предела.

В главе предложен способ экспериментального определения энергии активации отрыва границы от закрепляющего дефекта. Продольный модуль упругости (модуль Юнга, или обратная продольная гибкость) керамики за один цикл статического нагружения-разгрузки описывает петлю наподобие гистерезисной. После полного снятия нагрузки модуль Юнга не возвращается к своему первоначальному значению, а остается увеличенным (рис.4).

Рис.4. Относительное изменение модуля Юнга (обратной продольной гибкости) пьезокерамики типа ВаТЮ3 в течение одного цикла нагрузки-разгрузки

Если считать, что в процессе движения 90-градусных доменных границ общий объем материала, в котором векторы спонтанной поляризации направлены перпендикулярно (или квазиперпендикулярно) сжатию, увеличивается и что напряжение, требующееся для выхода границы из стабильного положения, связано с температурой уравнением Аррениуса

<у = а00ехр[ —

то, находя по данным рис.4 значения стг и аь для которых дефект модуля Юнга одинаков при температурах соответственно Т2 и Ти получим энергию активации

* \.Тг Т\

Она оказывается равной Ж= 0,05 э-В, что хорошо согласуется с приведенными в главе расчетными и экспериментальными данными. Для мягкой керамики

PZT, данные по которой приведены в работе Л. Кросса, значение энергии активации как раз и составит примерно 0,02 - 0.03 э-В.

После выхода 90-градусных доменных границ из стабильных положений их подвижность возрастает, Соответственно возрастает и упругая податливость, модуль Юнга уменьшается. Возрастает и внутреннее трение, поскольку амплитуда колебаний границ увеличивается. Однако затем начинается релаксационный процесс миграции дефектов к границам с последующим их закреплением. Это - процесс последействия или ползучести упругих свойств. С течением времени, по мере закрепления границ пороговое значение напряженности возрастает, поскольку требуется большая сила для отрыва от закрепляющих дефектов. Детально процессы ползучести описаны в главе 6.

Основные результаты, изложенные в главе 3, опубликованы в работах [18], [22], [25], [32].

В четвертой главе рассмотрены факторы, влияющие на упругие свойства и внутреннее трение пьезокерамики, но не связанные с движением доменных границ. Показано, что 90-градусные доменные границы вносят существенный и основной, но не единственный вклад в упругие и неупругие свойства.

Пред ложен метод отделения вклада, который вносит движение 90-градусных границ в эти свойства, от вклада других факторов. Метод заключается в сравнении воздействия напряжений сжатия на модули упругости и внутреннее трение материала в различных фазах - ниже и выше температуры точки Кюри.

В главе показано, что поскольку одноосное сжатие приводит к уменьшению концентрации 90-градусных доменных границ, то внутреннее трение уменьшается под действием сжатия лишь в сегнетоэлектрической фазе, ниже точки Кюри, и не изменяется существенно в параэлектрической фазе, выше точки Кюри. Так же ведет себя и продольная гибкость, которая также существенно зависит от концентрации и подвижности доменных границ.

Результаты измерений температурных зависимостей продольных гибкостей ■^п» ¿'и и одновременно внутреннего трения при различных значениях напряжения сжатия представлены, соответственно, на рис.5а, б для неполяризо-ванного образца пьезокерамики типа (Вао,95Сао,<и)ТЮз + 0,75%СоС03. Показанные результаты получены на рабочей частоте/= 50 кГц.

Таким образом показано, что эффект существенного уменьшения продольной гибкости характерен только для сегнетоэлектрической фазы и имеет доменную природу. Уменьшение продольной гибкости (дефект модуля Юнга) и внутреннего трения в параэлектрической фазе имеют другую природу и не связаны с движением доменных границ.

В главе рассмотрено также влияние факторов, не связанных с движением доменных границ, на упругие свойства и внутреннее трение пьезокерамики. К этим факторам относятся анизотропия и размеры зерен, наличие межзеренной фазы, пористость и присутствие микротрещин.

кю' кю*

а) б)

Рис.5. Температурные зависимости продольных гибкостей % и (а) и внутреннего трения (б): 1- ненагруженный образец; 2-ац = 115 МПа

Анализ данных, имеющихся в литературе, позволяет объяснить изменение модулей упругости поликристаллической керамики в параэлектрической фазе, когда доменный механизм отсутствует. При сжатии изменяется форма зерен, что влечет за собой изменение модулей упругости и диэлектрической проницаемости. Точный расчет, однако, затруднителен, поскольку требует весьма гро-

Рис.6. Внутреннее трение в пьезокерамике типа (Вао,95Сао,о5)ТЮз + 0,75%СоС03 в зависимости от напряжения сжатия при различных температурах выше точки Кюри

В главе исследовано воздействие одностороннего статического сжатия на степень влияния указанных факторов. Это иллюстрируется рис.6, на котором показаны зависимости внутреннего трения от напряжения одноосного сжатия для пьезокерамики типа (Вао.95Сао.05)ТЮз + 0,75%СоС03 выше точки Кюри.

Детально исследовано влияние микропор и микротрещин на потери энергии в поликристаллической керамике. Показано, что наличие микропор приводит к уменьшению модулей упругости, к увеличению внутреннего трения и к уменьшению коэффициента электромеханической связи. Одновременно с этими изменениями по мере роста пористости возрастает ползучесть. Механизмом, ответственным за ползучесть, является скольжение по границам зерен. Размеры зерен и пограничная межзеренная вязкость имеют здесь основное значение. Под действием сжатия пористая и зернистая структуры изменяются. Поры уменьшаются в размерах, зерна начинают скользить по границам. Как следствие модули упругости увеличиваются, а внутреннее трение уменьшается. Это в свою очередь приводит к изменению параметров ползучести.

В главе описаны методы и результаты экспериментальной проверки выдвинутых предположений. Исследовались зависимости внутреннего трения и модулей упругости различных поликристаллических и пористых материалов - габбро, кварцита, гранита, ультрафарфора. Для управления степенью трещиновато-сти материалов образцы подвергались термической обработке, т.е. нагреву до температуры порядка нескольких сотен градусов с последующим быстрым охлаждением в воде - "закалкой". Визуальное выявление полученных микротрещин производилось путем их декорирования красителем. Полученные результаты находятся в хорошем соответствии с теоретическими расчетами и подтверждают предположения о значительной роли пористости и трещиноватости в поглощении упругих колебаний. Исследования, описанные в главе 5, выполнены совместно с профессором В.М. Меркуловой.

Основные результаты, полученные в главе 4, опубликованы в работах [16], [17].

В голой главе описаны экспериментальные методы и соответствующая аппаратура, специально разработанные для исследования поведения упругих нелинейных параметров и ползучести материалов под нагрузкой. Методы и аппаратура, описанные в главе, применялись в основном для исследования нелинейных и нестационарных свойств пьезокерамических материалов. Особая ценность описанных методов заключается в их универсальности. Они пригодны для исследования любых твердых материалов: поликристаллических керамических материалов, горных пород, металлов, пластмасс, и.т.д.

Путем аналитического сравнения статических и динамических методов показаны преимущества динамических методов исследования нелинейных модулей упругости, внутреннего трения и ползучести пьезокерамических материалов. Эти преимущества заключаются в гораздо более высокой точности измерений. Точность измерения дефекта модуля Юнга, т.е. относительного изменения модуля под действием нагрузки достигает 0,01 - 0,001%. Точность измерения

внутреннего трения несколько ниже и равна нескольким процентам. Возможны измерения в широком диапазоне частот и температур.

Основным методом, позволяющим выполнять указанные измерения, является широко известный метод составного вибратора, многократно описанный в научной литературе. В настоящей работе обосновано применение этого метода. Метод был развит и модифицирован специально для исследований при воздействии постоянного одноосного сжатия при различных значениях частоты, температуры и амплитуды колебаний. В такой модификации метод является уникальным в практике акустических измерений. Метод и соответствующая аппаратура защищены авторскими свидетельствами.

Основная проблема, которую необходимо было решить при разработке метода, заключалась в том, чтобы удовлетворить одновременно двум противоречивым и взаимоисключающим друг друга условиям. Для того, чтобы исключить потери энергии в системе крепления образца, он должен быть акустически свободным, а потери энергии в колебательной системе должны определяться только собственными потерями на внутреннее трение. Потери энергии в системе крепления должны быть пренебрежимо малы по сравнению с потерями на внутреннее трение. В то же время для передачи значительных усилий сжатия на образец система крепления должна быть достаточно прочной и иметь весьма жесткий контакт с колебательной системой. Проблему удалось решить путем введения в колебательную систему составного вибратора стальных специальных полуволновых опорных стержней с опорными фланцами в узловой плоскости колебательных смещений. Усилие на фланец передается при помощи специальной "трехточечной" шорной системы. Конструкция была разработана на ранних этапах работы. Для проведения измерений при повышенных температурах в колебательную систему вибратора введены дополнительно два буферных кварцевых стержня. Назначение этих буферных стержней - предотвратить нагрев стальных опорных стержней в процессе измерений. Колебательная система составного вибратора стала, таким образом, пятикомпонентной.

В главе описана последняя модификация метода, в котором вообще исключить из колебательной системы промежуточные буферные стержни. Функции опорных и буферных стержней совмещены. Стальные стержни с опорными фланцами необходимы для обеспечения требуемой жесткости всего составного вибратора в условиях действия значительной продольной нагрузки. Однако в то же время наличие двух стальных стержней в составе колебательной системы существенно ограничивает возможности метода. Возрастает общая длина вибратора, а следовательно и его масса. Увеличение длины ведет к уменьшению продольной устойчивости, а увеличение массы дополнительных элементов колебательной системы приводит к снижению точности измерений.

Очевидное решение состояло в том, чтобы совместить функции опорных и теплоизолирующих стержней и вообще отказаться от стальных полуволновых опорных стержней (рис.7). В таком варианте колебательная система становится

волновыми кварцевыми стержнями. Внизу показана эпюра распределения колебательной скорости по длине вибратора

трех- или четырехкомпоненгной, в зависимости от типа возбуждения образца (1). Ввиду хрупкости кварца опорные стержни (2) выполнены в виде ступенчатых ультразвуковых амплитудных трансформаторов с опорами в узловых плоскостях. Дополнительную развязку обеспечивают два четвертьволновых стальных трубчатых элемента (4) с фланцами, которые в свою очередь имеют трехточечную опору.

Эксперимент показал, что эта конструкция практически свободна от потерь вплоть до значений механической добротности всего вибратора Q = 105. Весь составной вибратор возбуждается при помощи пьезокварцевого полуволнового стержня 3, прикрепленного к одному из свободных концов вибратора. Такая схема возбуждения применяется для исследования образцов, не обладающих пьезоэффектом, либо неполяризованных пьезокерамических образцов. Поляризованные пьезокерамические образцы могут возбуждаться непосредственно от генератора. При исследовании амплитудно-зависимого внутреннего трения такая схема более предпочтительна.

Для температурных измерений весь составной вибратор помещается в термостат. Новый метод обладает существенными преимуществами по сравнению с методом, описанным ранее. Существенно повышена точность измерений, расширен диапазон температур, в котором возможны измерения, имеется возможность измерения амплитудно-зависимого внутреннего трения. Повысилась продольная устойчивость колебательной системы к сжатию. Как следствие верхний предел напряжений сжатия также увеличился.

Описаны различные варианты измерений модулей упругости и внутреннего трения: резонансный метод в режиме вынужденных колебаний, метод резонанса-антирезонанса, метод вынужденных колебаний в режиме самовозбуждения (метод "синхрокольца"), метод спада свободных затухающих колебаний. Рас-

смотрены достоинства и недостатки каждого из них применительно к условиям измерений под нагрузкой.

Наиболее простым и широко применяемым является метод вынужденных колебаний, когда скорость распространения упругих колебаний в образце определяется путем измерений резонансной частоты всего вибратора с последующим расчетом резонансной частоты образца по известным формулам. Внутреннее трение в колебательной системе определяется по ширине резонансного пика амплитудной характеристики. Потери на внутреннее трение в образце также пе-ресчигываются по известным формулам. Метод дает возможность определения модуля Юнга и модуля сдвига образца при крутильных колебаниях. Однако этот метод ограничивает возможности измерений при быстром изменении модуля упругости под действием сжатия, приложенного скачком, поскольку требует некоторого времени на настройку системы на резонанс и для определения ширины резонансного пика. Такой метод не дает возможности измерений амплитудно-зависимых параметров - модулей упругости и внутреннего трения.

В главе получены основные теоретические соотношения метода составного вибратора и выражения, позволяющие получить значения резонансной частоты и коэффициента внутреннего трения по значениям резонансной частоты и коэффициента внутреннего трения всего вибратора Выражения являются обобщением теоретических соотношений, полученных ранее, а также выражений, известных из литературы. Получены также соотношения, позволяющие вычислять коэффициенты электромеханической связи (продольный и поперечный) по частотам резонанса и антирезонанса составного вибратора.

Измерение модулей упругости при воздействии очень больших статических напряжений (свыше ISO МП а) становится затруднительным ввиду появления больших напряжений в местах соприкосновения с точечными опорами. Для измерения модулей упругости и внутреннего трения при воздействии столь больших нагрузок был разработан специальный метод, основанный на непосредственном измерении длины упругой волны в образце (рис.8).

На способ измерения и на установку, реализующую этот способ, были получены авторские свидетельства.

Для исследования ползучести наиболее пригодным является метод составного вибратора, работающего в режиме вынужденных колебаний с самовозбуждением (метод "синхрокольца"), описанный в данной главе. Сигнал с выхода приемника колебаний поступает через систему полосового фильтра с фазовращателем и усилитель на вход преобразователя, возбуждающего колебательную систему составного вибратора. В результате вибратор, содержащий образец, работает в режиме акустического автогенератора на собственной частоте основного резонанса (или на одной из высших гармоник - это определяется настройкой полосового фильтра). При ступенчатом воздействии сжимающей силы изменяется скорость звука в образце и соответственно частота резонанса составного вибратора. Однако система продолжает совершать колебания. При этом частота колебаний начинает изменяться вследствие ползучести. Дифференциальная схема сравнивает мгновенное значение частоты колебаний с эталонной частотой, а разность частот регистрируется записывающим устройством (компьютером). Таким образом, возможна регистрация безынерционной составляющей модуля Юнга и внутреннего трения, что представляло большие затруднения в более ранних исследованиях

Рассмотрены два варианта метода самовозбуждения. В первом варианте цепь обратной связи поддерживает постоянной амплитуду колебаний, а внутреннее трение зависит от величины напряжения на преобразователе, возбуждающем колебания. Такой метод применялся для исследования внутреннего трения при малых амплитудах колебаний, т.е. в амплитудно-независимой области, где выполняется закон Рэлея для пьезоэлектриков.

Во втором варианте, который более пригоден дня исследования амплитудно-зависимого внутреннего трения, стабилизировалась амплитуда возбуждающей силы. Для этого поддерживалось постоянным напряжение на преобразователе, возбуждающем колебательную систему. Внутреннее трение в этом случае определяет амплитуду колебаний образца. С увеличением внутреннего трения амплитуда колебаний уменьшается. Дня предотвращения нагревания образца с ростом амплитуды колебаний предусмотрен импульсный режим, когда система возбуждается не непрерывно, а импульсами, скважность которых определяется амплитудой колебаний. По мере роста амплитуды скважность увеличивается, а температура контролируется специальным стабилизирующим устройством. Длительность импульса должна быть настолько малой, чтобы температура образца за это время не успела бы превысить определенный заданный интервал,

определяемый погрешностью измерений. Калибровочные измерения показали, что длительность импульса не должна превышать 10-20 периодов основной частоты колебаний акустической системы. С другой стороны, длительность импульса должна быть достаточной для того, чтобы колебания системы могли установиться до требуемого уровня амплитуды.

Рассмотрены различные схемы возбуждения колебательной системы и регистрации колебаний. Наиболее распространенная схема основана на применении двух разнесенных преобразователей. При этом один конец колебательной системы возбуждается преобразователем-возбудителем, а на втором (свободном) конце системы колебания регистрируются преобразователем-приемником. Такая схема реализуется наиболее просто, однако из-за слабой электромеханической связи не удается добиться возбуждения колебаний большой амплитуды. Более подходящей представляется схема с одним эталонным полуволновым пьезоэлектрическим стержнем, который составляет часть вибратора. В этом случае составной вибратор является четырехкомпонеетным (рис.7). Эталонный стержень изготавливается из пьезокварца или из сегнетожесткой пьезокерами-ки, слабо подверженной амплитудной зависимости. Эталонный стержень работает на поперечном пьезоэффекте. Напряжение возбуждения подводится к электродам, нанесенным на боковые поверхности стержня, а сигнал, пропорциональный амплитуде колебаний, снимается с малого сопротивления, включенного последовательно со стержнем.

При больших амплитудах колебаний, когда нелинейность становится весьма заметной, применялся метод спада свободных колебаний. Метод основан на том, что колебательная система, содержащая образец, сначала возбуждается электрическим сигналом на основной продольной моде механического резонанса. Затем возбуждающий сигнал отключается. Система совершает затухающие колебания, а напряжение на обкладках образца и период колебаний регистрируются. Специальная схема сравнения регистрирует разность между амплитудой каждого отдельного колебания и заданным уровнем. По логарифму отношения амплитуд определяется декремент колебаний, а разность между периодом отдельного колебания и установленным эталонным отрезком времени определяет изменение резонансной частоты колебаний и, следовательно, дефект модуля упругости. Для предотвращения нагрева образца система самовозбуждается на основной моде продольных колебаний, или на выделенной гармонике.

Все изложенные методы обоснованы теоретически, экспериментально опробованы и показали возможность измерения модулей упругости и внутреннего трения во времени под действием сжимающих нагрузок до 150 МПа, температур от комнатной до 400-500 К, и при амплитудных значениях переменного механического напряжения до 25 МПа. Возможны также измерения при температурах, значительно ниже комнатной, однако экспериментально эти измерения не производились.

Основные результаты, изложенные в главе, опубликованы в работах [1-5], [9], [11], [12], [20], [21], [241, [29].

В шестой главе описаны результаты теоретических и экспериментальных исследований упругой ползучести в пьезокерамике. Исследованиям поведения различных параметров пьезокерамики под действием различных внешних воздействий — электростатического поля, механического статического напряжения сжатия или температурного воздействия посвящено весьма значительное число работ, однако среди них лишь немногие посвящены упругим свойствам. Отчасти это объясняется экспериментальными трудностями, преодолеть которые удалось автору настоящей работы.

Первостепенное значение в работе придается установлению вида эмпирической зависимости исследуемого параметра от времени, поскольку вид зависимости позволяет судить о типе того или иного физического механизма (или механизмов), ответсвенного за процесс ползучести. Многочисленные авторы предлагали различные эмпирические формулы для описания процесса последействия (старения), причем многие предлагали экспоненциальную формулу. Однако более внимательное рассмотрение зависимостей, полученных авторами, предлагавшими экспоненциальную зависимость, показывает, что их экспериментальные данные более правильно описываются логарифмическим законом, т.е. линейной зависимостью от логарифма времени.

Логарифмический закон также предлагался различными исследователями для описания процесса изменения во времени упругих или диэлектрических параметров. Однако принципиально важным представлялось установить границы области, в которой выполняется логарифмический закон, поскольку сразу после приложения воздействия, а также по прошествии достаточно большого времени ход изменений во времени отклоняется от логарифмического.

Метод, предлагаемый в данной работе, был использован Смитом при исследовании неустановившейся ползучести в металлах, затем модифицирован Л.Б. Розенбаумом в связи с исследованиями магнитной вязкости ферромагнетиков и существенно развит и дополнен им же при исследовании магнитной вязкости ферритов.

Применительно к поликристаллической пьезокерамике разработанный метод был применен автором в ранних исследованиях. Было показано, что переходный процесс характеризуется не одним временем релаксации, а достаточно плотным спектром. Следовательно, зависимость от времени должна отличаться от экспоненциальной.

Исследования переходных процессов в сегнетокерамике различных составов продолжаются уже весьма длительное время и накоплен обширный материал. Тем не менее, вопрос о виде функции, описывающей переходный процесс, остается весьма актуальным.

После приложения механической нагрузки внутреннее трение уменьшается, а действующий модуль упругости (модуль Юнга) увеличивается не мгновенно, а в течение некоторого времени, причем переходный процесс после скачкообразного изменения механического напряжения

где Р(г) - единичная функция, носит неэкспоненциальный характер. Иначе говоря, релаксационный процесс характеризуется спектром времен релаксации, расположенных достаточно плотно.

Показано, что для получения нужной зависимости параметра *(/) от времени после скачка возмущающего параметра функция распределения времен релаксации ¿(т) должна быть задана в виде, предложенном Рихтером

8<Ф

1

т-1п

Т тах Хт1п

при

при

Тя/л < т < Тяиг

X ХтЫ ' Хтах

Эта функция имеет смысл плотности вероятности существования физического процесса, который характеризуется временем релаксации т. Поэтому закон, определяющий поведение параметра во времени, имеет следующий вид:

Хо

т-1п

Хтах Хтт

Е,

I

\ Ътах

-Б,

^ ХлИп

где Е, - интегральная показательная функция, а С=0,57721...- постоянная Эйлера. Из этого выражения следует, что для малых значений времени (т.е. значительно меньших нижнего предела спектра времен релаксации / « хмя)

х

--ж -

1

1

м,

ХО т 1пХтах Хт1п

т.е. вязкое изменение (нарастание или убывание) параметра х происходит по линейному закону.

Если интервал (х„,„, х^) достаточно широк, то в некоторой области выполняется неравенство тшя«/« ттах. Тогда для значений — »1 получается логах

рифмический закон вязкого изменения во времени параметра

Хс

1п—+С\.

\ Хлюх

Для значений времени, превышающих верхнюю границу спектра времен релаксации (/» ) получается следующая зависимость

ехр

Хс

Ънйп

График функции поведения параметра во времени приведен на рис.9. Минимальное значение времени релаксации, соответствующее нижней границе спектра времен релаксации тт(„ = е°, можно определить, продолжая прямую 1п/ до х

пересечения с прямой — = Ь,. Продолжая прямую 1п/ до пересечения с прямой Хе

х 1

— = 1, можно определить максимальное значение времени, соответствующее

Хс

верхней границе спектра времен релаксации тяаг = /2ес.

х

X„

Рис. 9. Определение границ спектра времен релаксации

В области малых значений х реальная функция распределения не очень хорошо описывается функцией типа Рихтера, поэтому данный способ экспериментального определения т„т дает лишь правильный порядок этой величины.

Экспериментальные исследования керамики различных составов выполнялись методами, описанными в главе 5. Опыт показывает, что характер изменения модуля Юнга - линейный от логарифма времени в пределах 2-3 декад времени. Эти изменения показаны на рис.10 для неполяризованной пьезокерамики ВаТЮз. Наибольшее изменение модуля упругости наблюдается при напряжениях сжатия порядка 50 -г- 75 МПа, когда происходит переориентация основной массы доменов. Это можно проследить, сравнивая данные рис.10 с данными рис.4, на котором приведены квазигистерезисные зависимости установившихся значений изменения модуля Юнга от напряжения сжатия.

Одновременно с изменением модуля Юнга исследовалось изменение внутреннего трения. Одна из зависимостей коэффициента внутреннего трения (обратной механической добротности) от времени после приложения постоянного

одноосного сжимающего напряжения, равного 50 МПа, к образцу из пьезокера-мики типа (Вао,95Сао,о5)ТЮз +0,75% СоСОз показана на рис.1. Сразу после приложения нагрузки внутреннее трение возрастает почти на 50%. Это - безынерционная составляющая внутреннего трения. Резкое возрастание внутреннего трения сразу после приложения сжатия объясняется выходом доменных границ из стабильных положений и соответствующим увеличением энергии, рассеянной за один период колебаний.

Г-ЯкГц »

Рис.10. Зависимости относительного изменения модуля Юнга пьезокерамики ВаТЮз при различных значениях приложенной скачком нагрузки

После этого начинается процесс уменьшения внутреннего трения, который происходит вначале медленно, затем быстрее, а потом снова замедляется. В пределах интервала времени порядка 3 декад изменение происходит по закону, линейному от логарифма времени, т.е. в соответствии с теорией.

По экспериментальным данным для пьезокерамических материалов различных составов определялись значения т^ и ти,„ - верхняя и нижняя границы спектра времен релаксации. Оказалось, что величина х^ зависит от величины напряжения сжатия (рис. 11), как и следовало ожидать, а зависимости хт,„ от напряжения сжатия обнаружить не удалось (по крайней мере, в пределах точности измерений).

Для определения энергии активации процесса, которому соответствует минимальное время релаксации тт/„, выполнялись измерения зависимостей т„,„ от температуры. Эта зависимость для пьезокерамики типа ВаТЮ3 представлена на рис.12. По оси абсцисс отложены обратные величины абсолютной температуры, а по оси ординат - натуральный логарифм значений хт,„.

сек

10

О 20 40 60 00 100 120 140 МПт

Рис. 11. Зависимость максимального времени релаксации керамики ВаТЮз от величины приложенного напряжения сжатия

По температурной зависимости хт„ определялась энергия активации. Для пьезокерамики типа ВаТЮз она оказалась равной ^,„=0,08 э-В. Подобное значение соответствует энергии взаимодействия 90-градусных доменных границ с точечными дефектами. Эта энергия равна работе, которую необходимо совершить для отрыва доменной границы от закрепляющего дефекта. Измеренная величина соответствует значению, определенному в главе 3, и соответствует данным, известным из литературы.

2,8 2,9 3,0 3,1 3,2 5,5 3,4 5,5 * ы*

Рис. 12. Определение энергии активации по температурной зависимости тт,„ для пьезокерамики типа ВаТЮз. Рабочая частота/= 50 кГц

В рамках данного исследования автор не ставил цели разрабатывать деталь-

1 т

ную теорию движения доменных

БИБЛИОТЕКА С.Лет«(4до

•атуре время име-

ОЭ 300 акт

ются достаточно подробные теоретические разработки. Полученные результаты в работе объяснялись в предположении, что границы закрепляются периодически расположенными точечными дефектами. При увеличении амплитуды колебаний границ начинаются акты отрыва от закрепляющих дефектов. Это приводит к амплитудно-зависимому участку внутреннего трения, что и наблюдалось на опыте. Именно этот процесс определяет пороговое механическое напряжение а*, при котором начинает возникать амплитудная зависимость. Для рассматриваемого типа керамики о*=4 МПа при соответствующем значении механической добротности £>=400.

2,8 2,9 3,0 за 3,2 3,3 3,4 к\ 10'

Рис. 13. Определение энергии активации по температурной зависимости хтах для керамики типа (Вао,95Сао,о5)ТЮ3 +0,75% СоС03.Частота/=50 кГц

Верхние границы спектров энергии активации Wmca оценивались аналогичным образом. Для пьезокерамики типа (Вао мСадозУПОз +0,75% СоСОэ зависимость верхней границы спектра времен релаксации от температуры показана на рис.13. Величина соответствующей энергии активации оказалась равной примерно 0,8 э-В, т.е. такой же, как и для пьезокерамики ВаТЮ3.

Для пьезокерамики типа ЦТС эти величины оказались равными:

- сегнетомягкая керамика Pbo,95Sro,o5(Zro^3Tio,47)03+l %Nb205 Wmax =0,24 э-В;

- сегнетожесткая керамика Pbo^Sro^s (Zr0^3Ti0i47)O3 + 3% PbO Wmax =0,45 э-В.

Подобные значения энергий активации обусловлены диффузионными процессами.

Таким образом, переходный период можно представить следующим образом. При нагружении образца доменные границы смещаются из стабилизированных положений, преодолевая потенциальный рельеф закрепляющих точечных дефектов. При этом увеличивается подвижность границ, что сопровождается увеличением внутреннего трения Q1 (рис. 1). Затем, по мере диффузии дефектов к

доменным границам они закрепляют эти границы в новых стабильных положениях. Это сопровождается уменьшением внутреннего трения.

Что касается изменения модуля Юнга Y на величину, соответствующую безынерционной доле, то это изменение обусловлено не только изменением подвижности доменных границ, но также и изменением упругой анизотропии керамики вследствие перераспределения ориентаций полярных осей доменов под действием сжатия. Поэтому знак безынерционной доли ^^ может быть в общем случае различным, поскольку действие первого механизма (освобождение доменных границ) приводит к увеличению продольной гибкости (т.е., к уменьшению модуля Юнга У), а действие второго механизма - к увеличению У в направлении сжатия. С течением времени происходит перераспределение точечных дефектов путем диффузии.

Детальный анализ всех возможных механизмов диффузионных процессов, которые могут иметь место в пьезокерамике, выходит за рамки настоящей работы. Основной целью здесь было показать возможности акустического метода исследования причин ползучести в пьезоактивных материалах, а также правомерность модели последействия. Поскольку выяснено, что причиной логарифмического характера переходного процесса является релаксация 90-градусных доменных границ в присутствии потенциального рельефа точечных дефектов, то основную задачу настоящей работы следует считать решенной.

Основные результаты, изложенные в главе, опубликованы в работах [19], [27], [28], [30], [31].

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Предложен, теоретически обоснован и экспериментально исследован физический механизм возникновения нестационарной ползучести упругих характеристик пьезокерамических материалов под действием скачкообразно приложенного и постоянно действующего одноосного напряжения сжатия. Этот вид ползучести возникает в сегнегоэлектрической фазе и характеризуется плотным спектром энергий активации.

2. Предложен, теоретически обоснован, создан и практически отработан комплекс высокоточных акустических методов получения информации о ползучести упругих характеристик пьезокерамических материалов. Разработаны различные варианты схем измерения, позволяющие исследовать нестационарные процессы под действием больших одноосных напряжений сжатия в широком диапазоне частот и температур.

3. Разработанные акустические методы позволяют измерять нелинейные модули упругости и внутреннее трение под действием одноосных нагрузок до 150 МПа. Дефект модуля упругости и относительные изменения коэффициента внутреннего трения в сегнегоэлектрической фазе более, чем на по-

I

!

рядок превышают соответствующие изменения в параэлектрической фазе, выше точки Кюри, что говорит о доменном механизме изменений.

4. Теоретически обоснован и практически применен акустический метод оценки границ спектра энергий активации физических процессов, определяющих ползучесть. Показано, что величина нижней границы спектра более, чем на порядок превышает величину верхней границы. Рассмотрены физические механизмы процессов ползучести.

5. Установлены физические механизмы, приводящие к появлению нелинейности упругих свойств и внутреннего трения в пьезокерамических материалах. Показана связь между нелинейностью и переходными процессами, происходящими в пьезокерамических материалах после скачкообразного приложения внешнего возмущения. Эта связь, в основном, обусловлена изменением концентрации и подвижности 90-градусных доменных границ. Предложен, теоретически обоснован и экспериментально проверен способ управления концентрацией 90-градусных границ.

6. Получены данные по частотной зависимости упругих параметров пьезокерамических материалов. Установлены физические механизмы, приводящие к появлению частотной дисперсии модуля Юнга. Показано, что в свободной пьезокерамике упругая дисперсия отсутствует, однако появляется в результате воздействия механического статического напряжения сжатия, приложенного скачком. Частотно-зависимый дефект модуля Юнга увеличивается по мере увеличения нагрузки и уменьшается по мере увеличения частоты, причем характер зависимостей - релаксационный.

7. Установлено значение верхней частотной границы релаксационного уменьшения дефекта модуля Юнга, которое для пьезокерамики титаната бария при комнатной температуре равно 3 МГц. При более высоких частотах зависимости дефектов различных модулей упругости от сжатия становятся частотно-независимыми.

8. Показано, что нелинейные зависимости упругих свойств пьезокерамических материалов от напряжения сжатия определяются двумя физическими механизмами. Один из них, который можно назвать текстурной нелинейностью, является частотно-независимым. С увеличением сжатия полярные оси сегнетоэлектрических доменов переориентируются квазиперпендику-лярно оси сжатия. В результате одни модули упругости увеличиваются, а другие - уменьшаются. Второй механизм — частотно-зависимый, который связан с колебательным движением 90-градусных доменных границ. Оценен вклад каждого из этих механизмов в упругость материала.

9. Показано, что упругие характеристики материала и потери в нем существенно зависят от наличия микропор и микротрещин. Выполнено моделирование пористости в поликристаллической керамике путем термообработки. Исследовано поведение пористых поликристаллических материалов под нагрузкой и установлен физический механизм, определяющий это поведение.

Ю.Предложен и экспериментально отработан метод исследования влияния напряжения сжатия на пики внутреннего трения и упругой податливости пьезокерамических материалов в точке фазового перехода. Показано, что под действием одноосного сжатия температура фазового перехода увеличивается, а внутреннее трение уменьшается.

11. Область применения комплекса разработанной аппаратуры ультразвукового контроля нелинейных параметров и ползучести не ограничивается исследованием пьезокерамических материалов. Предложенные методы являются универсальными, могут использоваться для любых твердых материалов и имеют самостоятельное значение для техники физического эксперимента.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

1. В.М. Цаплев. Нелинейые свойства и ползучесть пьезокерамики. СПб.: Изд-во СЗТУ. 2003. 306 с.

2. В.М. Цаплев, Е.Д. Пигулевский. Аппаратура и методика измерения электромеханических параметров пьезокерамики в условиях одноосного напряженного состояния II Ультразвуковая техника. 1968. Вып.З. С.8-16.

3. В.М. Цаплев. Установка для исследования упругих свойств твердых тел в условиях одноосного напряженного состояния Н сб. "Ультразвуковая аппаратура и ее применение ", ч.П. Л.: ЛДНТП. 1969. С.26 - 35.

4. А. с. 249711 СССР, МКИ G Oln. Способ измерения модуля упругости материала / Е.Д. Пигулевский, А.В. Харитонов и В.М. Цаплев (СССР). Опубл. 23. 05. 1969. Бюл. №25.

5. А. с. 242460 СССР, МКИ G Oln. Установка для измерения модуля упругости материалов / Е.Д. Пигулевский, А.В. Харитонов и В.М. Цаплев (СССР). Опубл. 13. 02. 1969. Бюл. №15.

6. Упругие свойства сегнетокерамики в широком диапазоне частот в условиях одноосного сжатия / Е.А. Киров, Е.Д. Пигулевский, Л.Н. Сыркин, М.А. Шамовская, A.M. Эльгард, В.М. Цаплев // VI Всесоюзная конференция по сегнетоэлектричеству. Рига. 1968. С.123-124.

7. Упругие свойства керамических сегнетоэлектриков в широком диапазоне частот в условиях одноосного сжатия / Е.А. Киров, Е.Д. Пигулевский, Л.Н. Сыркин, М.А. Шамовская, А.М. Эльгард, В.М. Цаплев II Электронная техника. 1969. Сер. 14. Вып. 4 (20). С. 95-192.

8. Е.А. Киров, Е.Д. Пигулевский, В.М.Цаплев. Исследование упругих модулей сегнетокерамических материалов в условиях одноосного напряженного состояния // Известия ЛЭТИ. 1970. Вып.89. С.32-41.

9. Е.А. Киров, Е.Д. Пигулевский, В.М. Цаплев. Исследование внутреннего трения в сегнетокерамике И Известия ЛЭТИ. 1970. Вып.89. С.25-31.

10. Е.Д. Пигулевский, В.М. Цаплев. Исследование комплексных упругих модулей деформированных полимеров //Известия ЛЭТИ.1970.В.89.С.42-47.

11. Е.Д. Пигулевский, В.М. Цаплев. О коэффициенте электромеханической связи в составном вибраторе // Известия ЮТИ. 1970. В.89. С.48-54.

12. Л.Н. Сыркин, Г.Б. Романова, В.М. Цаплев. Обобщение метода резонанса-антирезонанса для пьезомагнитных преобразователей с низкой добротностью // Известия ЛЭТИ. 1970. В.89. С.209-221.

13. Исследование переходных процессов в деформированной сегнетокера-мике / В.А.Киров, Е.Д. Пигулевский, JI.H. Сыркин, В.М.Цаплев //VII Всесоюзная конференция по сегнетоэлеюричесгву. Воронеж. 1970.С.151.

14. Е.Д. Пигулевский, В.М.Цстлев. Исследование упругого последействия в сегнетоэлектрической керамике // VII Всесоюзная конференция по акустике. Ленинград, 1971. С. 83-84.

15. Е.Д Пигулевский, В.М.Цаплев. Исследование упругих и неупругих свойств сегнетоэлектрической керамики, подвергнутой одноосному сжатию // VII Всесоюзная конференция по акустике, Ленинград. 1971. С. 84.

16. В.М. Меркулова, Е.Д. Пигулевский, В.М. Цаплев. Измерение поглощения звука в горных породах при одноосном сжатии // Изв. АН СССР. Сер. Физика Земли. 1972. №3. С.59-61.

17. В.М. Меркулова, В.М. Цаплев. Изменение скоростей и внутреннего трения при продольных и крутильных колебаниях под нагрузкой в среде с микротрещинами // Прикладная акустика, T.V: Тр. ТРТИ. Вып.34. Таганрог: Изд-во ТРТИ, 1973. С.118-128.

18. Е.Д. Пигулевский, В.М. Цаплев. О влиянии доменной структуры на нелинейность упругих свойств сегнетоэлектрической керамики // Известия ЛЭТИ. 1972. В.112. С.69-75.

19. Исследование переходных процессов в деформированной сегнетокера-мике / Е.А. Киров, Е.Д. Пигулевский, Л.Н. Сыркин, В.М. Цаплев // Известия ЛЭТИ. 1974. В. 145. С.84-90.

20. А. с. 369484 СССР, МКИ G 01 п. Устройство для отклонения пучка ультразвуковых лучей / Е.Д. Пигулевский, А.В. Харитонов и В.М. Цаплев (СССР). Опубл. 18. 02. 1973. Бюл. №10.

21. К Shevtsov, V. Tsaplev. Multicomponent System Self-Excitation as the Internal Synchronism Manifestation // Proceedings of the Fourth International Congress on Sound and Vibration, StPetersburg, Russia. 1996. V.2. P.1233-1234.

22. Valéry M. Tsaplev. Studies of Elastic and Unelastic Properties of Ferroelec-trics under High Uniaxial Stress // International Journal of Acoustics and Vibration. 1997. V.2. №4. P. 173-181.

23. V. Tsaplev. Frequency Dispersion of Non-Linear Elastic Modulus of Ferroelectric Ceramics under High Uniaxial Stress H Fortschritte der Akustik. Zurich. 1998. P. 560-561.

24. V. Tsaplev. Method and Apparatus for Ultrasonic Measurement of Young's Modulus and Internal Friction in Solids under High Uniaxial Stress // Fortschritte der Akustik. Zurich. 1998. P. 562-563.

25. V. Tsaplev. Ultrasonic Studies of the Influence of High Uniaxial Stress on the Elastic Moduli of Ferroelectric Ceramics // Silicates Industriels (Seramic Science and Technology). 1999. V. 64. №3 - 4. P.35-40.

26. V. Tsaplev. The Influence of Stress on the Elastic Frequency Dispersion in Ferroelectric Ceramics // Silicates Industriels (Seramic Science and Technology). 1999. V. 64. №5 - 6. P.95-100.

27. V. Tsaplev. Ultrasonic Studies of the Elastic Creep in Ferroceramics // Proceedings of die 6-th International Congress on Sound and Vibration. Copenhagen, Denmark. V. 4. P. 1839-1846.

28. V. Tsaplev, E. Pigulevski. Methods of Acoustical Studies of Prestressed Materials // Proceedings of the 7-th Internationa] Congress on Sound and Vibration. Garmisch-Partenkikchen, Germany. 2000. V.IV. P. 2995-3002.

29. B.M. Цстпев, B.M. Шевцов. Об активном управлении обратными связями в акустических системах // Труды Международной научно-практической конференции "Анализ и прогнозирование систем управления". СПб.: Изд-во СЗПИ. 2000. С.128-133.

30. Valery М. Tsaplev, Roman Ivanyuk. Multicomponent Complex Vibrator with the Active Feedback Control for Nondestructive Testing of Materials // Proceedings of the 9-th International Congress on Sound and Vibration. Orlando, Florida, USA. 2002.

31. B.M. Цаплев, P.M. Иванюк, Г.А. Курбатов. Нелинейные свойства и нестационарные процессы в пьезокерамических системах // Труды Российско-польской конференции "Анализ, прогнозирование и управление в сложных системах (APS-2002)". СПб.: Изд-во СЗТУ. 2002. С. 199-209.

32. В.М. Цаплев, P.M. Иванюк, Г.А. Курбатов. Анализ нелинейных свойств пьезокерамических систем. // Труды Российско-польской конференции "Анализ, прогнозирование и управление в сложных системах (APS-2002)". СПб.: Изд-во СЗТУ. 2002. С.210-223.

33. V.M. Tsaplev, E.D. Pigulevsky, R. М. Ivanyuk. Nonlinear Behaviour of the internal Friction in Polycrystalline and Porous Media // Proceedings of the 10-th International Congress on Sound and Vibration. Stockholm. Sweden. 2003.

й^ьоЗ-А

\iio1. Р1660&

АВТОРЕФЕРАТ

АКУСТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ НЕЛИНЕЙНЫХ И НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Цаплев Валерий Михайлович

Лицензия ЛР № 020308 от 14.02.97.

Подписано в печать 01.10. 03 Формат 60*84 1/16

Б. Кн.-журн. П. л. 2,0 Б. л. 1,0 РТП РИО СЗТУ

Тираж 100 Заказ 542

Северо-Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации вузов Санкт-Петербурга 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5

Введение.

Глава I. Исследование последействия в пьезокерамике (обзор).

1.1. Явление последействия и физические механизмы последействия.

1.2. Возможности управления концентрацией доменных границ.

1.2.1. Влияние механических напряжений на последействие.

1.2.2. Влияние электрического поля на последействие.

Глава II. Частотная дисперсия упругих свойств.

Ч 2.1. Экспериментальные данные.

2.2. Модель колебательного движения и дисперсионные соотношения.

Глава III. Нелинейные свойства пьезокерамики.

3.1. Текстурные нелинейные свойства.

3.2. Воздействие внешних факторов на анизотропию пьезокерамики.

3.3. Динамические нелинейные свойства.

3.4. Оценка энергии взаимодействия доменных стенок с дефектами.

3.5 Применимость закона Рэлея.

3.6. Нелинейность пьезомодуля вне области Рэлея.

• 3.7. Частотная зависимость пьезомодуля.

3.8. Фазовый угол пьезоэлектрических потерь и петля гистерезиса.

Глава IV. Факторы, не связанные с движением доменных границ.

41. Оценка вклада движения доменных границ.

4.1. Влияние точечных дефектов.

4.3. Влияние межзеренных и межфазных границ.

4.4. Влияние микропор и микротрещин.

4.5. Влияние одноосного сжатия.

Глава V. Методы исследования упругих и неупругих свойств пьезокерамических материалов под нагрузкой.

5.1. Статические методы.

5.2. Динамические методы.

5.3. Методы исследования в килогерцовом диапазоне частот.'.

5.4. Метод составного вибратора.

5.5. Применение метода составного вибратора под нагрузкой.

5.6. Основные соотношения метода составного вибратора.

5.7. Измерительная аппаратура с составным вибратором.

5.7.1. Аппаратура с четырехкомпонентным составным вибратором.

5.7.2. Непосредственное измерение длины упругой волны в образце.

5.8. Способы возбуждения вибратора и регистрация колебаний.

5.8.1. Метод двух преобразователей.

5.8.2. Метод одного преобразователя.

5.9. Методы измерений амплитудно-зависимых упругих параметров пьезокерамических материалов.

5.9.1. Метод замещения.

5.9.2. Метод спада свободных колебаний.

5.9.3. Калибровка аппаратуры и оценка точности измерений.

5.9.4. Измерение амплитудно-зависимых параметров при одновременном воздействии статического сжатия.

Глава VI. Исследование упругой ползучести в пьезокерамике.

6.1. Основные теоретические соотношения.

6.2. Неустановившаяся ползучесть.

6.3. Экспериментальные результаты.

Физические процессы, происходящие в пьезокерамических материалах, определяют работу многочисленных классов электромеханических преобразователей. Эти преобразователи могут применяться в акустике, гидроакустике, средствах наблюдения за окружающей средой, приборах неразру-шающего контроля, дефектоскопии, автоматики, и т.д. Поэтому исследования физических свойств различных пьезокерамических материалов, начавшиеся более полувека назад с открытием сегнетоэлектричества в титанате бария, за прошедшее с этого время нарастали лавинообразно, и к настоящему времени число публикаций, посвященных свойствам этих материалов, исчисляется десятками тысяч.

Тем не менее, полной ясности относительно физических механизмов, определяющих поведение упругих свойств пьезокерамических материалов, нет. Исследования зависимости упругих и пьезоэлектрических параметров и внутреннего трения от механических напряжений очень немногочисленны, что объясняется методическими и экспериментальными трудностями. В то же самое время этот вопрос представляет значительный интерес, так как условия эксплуатации пьезопреобразователей часто связаны с действием больших механических нагрузок. Из имеющейся литературы, а также из более ранних работ автора известно, что все параметры пьезокерамики - упругие, неупругие, пьезоэлектрические и диэлектрические - проявляют сильную нелинейность. Природа этой нелинейности в принципе ясна, однако детальные исследования проводились, в основном, в отношении диэлектрических и пьезоэлектрических свойств. Упругие динамические нелинейные свойства и нелинейность внутреннего трения мало изучены, что также объясняется экс-щ периментальными трудностями.

Между тем, именно данные о нелинейности упругих параметров необходимы для реализации всех возможностей пьезокерамических материалов при разработке пьезопреобразователей, работающих в условиях больших статических, динамических и ударных нагрузок. Нелинейные свойства дают также возможность построения целого нового класса пьезопреобразователей — параметрических преобразователей, работающих на нелинейном эффекте.

Создание пьезоэлектрических текстур, управляемых механическими напряжениями, кажется весьма привлекательным также и с научной точки зре-t ния, поскольку представляет собой удобный способ изучения особенностей пьезоупругих взаимодействий. Иначе говоря, изучение поведения динамических модулей упругости и внутреннего трения под действием одноосного сжатия является перспективным методом в физике твердого тела.

Все сказанное выше в полной мере относится также и к исследованию ползучести в пьезокерамике. Несмотря на огромное число публикаций, этот вопрос остается малоисследованным. Известно, что пьезокерамика обладает ярко выраженным эффектом последействия. Этот эффект многократно описан в литературе, однако, последействие в большинстве случаев понимается различными авторами лишь как старение, т.е. изменение параметров после изготовления, или поляризации, или после термического воздействия, в некоторых публикациях - после электростатического воздействия. Между тем, последействие наблюдается после любого возмущения — механического статического, ударного воздействия, скачкообразного электростатического, и т.д. В общем виде такое последействие может быть названо ползучестью. В таком виде явление ползучести применительно к пьезокерамике практически не исследовано, за исключением ранних работ автора.

Таким образом, перед автором стояла задача создания новых акустических методов исследования нелинейных упругих и неупругих динамических свойств пьезокерамических материалов с целью возможности управления системами, содержащими элементы из этих материалов, и более широко -создание новых методов неразрушающего контроля, пригодных для изучения нелинейных свойств и ползучести широкого класса материалов.

Были выполнены измерения модулей упругости, внутреннего трёния, коэффициентов электромеханической связи в зависимости от величины приложенных статических механических напряжений сжатия, от амплитуды переменных механических напряжений и от времени, т.е. исследованы эффекты последействия, или ползучести.

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая работе посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям возможности управления нелинейными упругими и неупругими характеристиками различных пьезокерамических материалов, применяемых в промышленности и в области исследования и мониторинга окружающей среды. Приведены результаты исследований нестационарных явлений, ползучести, свойственных этим материалам. Описаны оригинальные методы измерений указанных параметров, не имеющие аналогов в практике физических исследований. Получены данные по зависимостям модулей упругости, механических потерь (внутреннего трения), пьезоэлектрических и диэлектрических констант и коэффициентов электромеханической связи от приложенных напряжений одноосного сжатия, температуры, амплитуды колебаний. Описаны физические механизмы, ответственные за эти процессы. Установлена связь между нелинейными эффектами и ползучестью пьезокерамических систем. Полученные данные могут быть использованы для разработки и конструирования электромеханических систем, содержащих элементы из пьезоактивных материалов, отличающихся более стабильными характеристиками, для создания новых параметрических электромеханических и акустических устройств и приборов, использующих эффект нелинейности активного материала, а также для создания пье-зопреобразователей с управляемыми параметрами.

Данные о нелинейности упругих параметров необходимы для реализации всех возможностей пьезокерамических материалов при разработке пьезорреоб-разователей, работающих в условиях больших статических, динамических и ударных нагрузок. Нелинейные свойства дают также возможность построения целого нового класса пьезопреобразователей - параметрических преобразователей, работающих на нелинейном эффекте.

Создание пьезоэлектрических текстур, управляемых механическими напряжениями, весьма привлекательно также и с научной точки зрения, поскольку представляет собой удобный методический прием для изучения особенностей пьезоупругих взаимодействий. Иначе говоря, изучение поведения динамических модулей упругости и внутреннего трения под действием одноосного сжатия является новым и перспективным методом в физике твердого тела.

То же самое относится и к исследованию ползучести в пьезокерамике. Пье-зокерамика обладает ярко выраженным эффектом последействия. Это последействие наблюдается после любого возмущения — механического статического, ударного воздействия, электростатического и т.д. В общем виде такое последействие может быть названо ползучестью и применительно к пьезокерамике до настоящего времени практически не исследовалось.

Таким образом, автором была сформулирована, поставлена и решена актуальная научная проблема:

1) исследование динамических нелинейных упругих и неупругих характеристик пьезокерамических материалов высокоточными акустическими методами;

2) контроль модулей упругости и неупругих потерь в пьезокерамических материалах, работающих в условиях экстремальных воздействий;

3) обоснование возможности управления системами, содержащими элементы из пьезоактивных материалов;

4) исследование ползучести широкого класса материалов и контроль их нестационарных характеристик.

Главной целью настоящей работы было теоретическое и экспериментальное обоснование, разработка и создание акустических методов исследования динамической упругой нелинейности и ползучести различных материалов, как активных - пьезокерамических или магнитострикционных, так и пассивных.

Дополнительной целью был теоретический и экспериментальный анализ взаимосвязи упругих характеристик, внутреннего трения, коэффициентов электромеханической связи с величиной приложенного статического механического напряжения сжатия, с амплитудой переменных механических напряжений и с временем пребывания под действием приложенной статической нагрузки, т.е. исследование эффектов ползучести.

В соответствии с целями главный акцент был поставлен на решении технических проблем и на феноменологическом описании найденных эффектов.

Что касается физических механизмов, происходящих в пьезокерамических материалах, то детальное исследование этих механизмов далеко выходит за рамки настоящей работы. Тем не менее, основные физические механизмы, ответственные за происходящие процессы, были рассмотрены с целью формулирования задач управления упругими свойствами материалов.

В соответствии с поставленной целью в диссертации были сформулированы следующие основные задачи:

1. Теоретически обосновать и выбрать частотный диапазон измерений модулей упругости и неупругих характеристик пьезокерамических материалов.

2. Создать адекватные методы измерений названных параметров в условиях действия весьма значительных сжимающих нагрузок в широком диапазоне частот и температур.

3. Выполнить, пользуясь созданными методами, исследования влияния управляющих параметров - механических сжимающих напряжений и электрических полей на упругие и неупругие свойства пьезоматериалов.

4. Создать достаточно точный метод исследования динамической ползучести пьезоматериалов и выполнить соответствующие измерения упругого и неупругого последействия.

5. Установить степень влияния тех или иных физических механизмов на происходящие процессы с целью прогнозирования возможности управления параметрами.

6. Оценить возможности применения полученных результатов в технике.

В диссертации автором были получены следующие результаты:

1. Предложен, теоретически обоснован и экспериментально исследован физический механизм возникновения нестационарной ползучести упругих характеристик пьезокерамических материалов под действием скачкообразно приложенного и постоянно действующего одноосного напряжения сжатия. Этот вид ползучести возникает в сегнетоэлектрической фазе и характеризуется плотным спектром энергий активации.

2. Предложен, теоретически обоснован и практически отработан комплекс высокоточных акустических методов получения информации о ползучести упругих характеристик пьезокерамических материалов. Разработаны различные варианты схем измерения, позволяющие исследовать нестационарные процессы под действием больших одноосных напряжений сжатия в широком диапазоне частот и температур.

3. Разработанные методы акустических измерений позволяют измерять нелинейные модули упругости и внутреннее трение под действием одноосных нагрузок до 150 МПа. Дефект модуля упругости и относительные изменения коэффициента внутреннего трения в сегнетоэлектрической фазе более, чем на порядок превышают соответствующие изменения в', пара-электрической фазе, выше точки Кюри, что говорит о доменном механизме изменений.

4. Теоретически обоснован и практически применен акустический метод оценки границ спектра энергий активации процессов, ответственных за процессы последействия. Показано, что величина нижней границы спектра более, чем на порядок превышает величину верхней границы. Рассмотрены физические механизмы процессов, определяющих последействие.

5. Установлены физические механизмы, приводящие к появлению нелинейности упругих свойств и внутреннего трения в пьезокерамических материалах. Показана связь между нелинейностью и переходными процессами, происходящими в пьезокерамических материалах после скачкообразного приложения внешнего возмущения (электростатического поля или механического статического напряжения сжатия). Эта связь, в основном, обусловлена изменением концентрации и подвижности 90-градусных доменных границ. Предложен, теоретически обоснован и экспериментально проверен способ управления концентрацией 90-градусных границ.

6. Впервые получены данные по частотной зависимости упругих параметров пьезокерамических материалов. Установлены физические механизмы, приводящие к появлению частотной дисперсии модуля Юнга. Показано, что в свободной пьезокерамике упругая дисперсия отсутствует вплоть до частот порядка нескольких мегагерц. Эта дисперсия, однако, появляется в результате воздействия механического статического напряжения сжатия, приложенного скачком. Дисперсия увеличивается по мере увеличения нагрузки. Дефект модуля Юнга уменьшается по мере увеличения частоты, причем характер зависимостей - релаксационный.

7. Установлено значение верхней частотной границы релаксационного уменьшения дефекта модуля Юнга. Это значение для пьезокерамики тита-ната бария при комнатной температуре равно 3 МГц. При более высоких частотах зависимости дефектов различных модулей упругости от сжатия становятся частотно-независимыми.

8. Показано, что нелинейные зависимости упругих свойств пьезокерамических материалов от напряжения сжатия определяются двумя физическими механизмами. Один из них, который можно назвать текстурной нелинейностью, является частотно-независимым. С увеличением сжатия полярные оси сегнетоэлектрических доменов переориентируются квазиперпендику-лярно оси сжатия. В результате, одни модули упругости увеличиваются, а другие - уменьшаются. Второй механизм - частотно-зависимый, который связан с колебательным движением 90-градусных доменных границ. Впервые оценен вклад каждого из этих механизмов в упругость материала.

9. Показано, что упругие характеристики материала и потери в нем существенно зависят от наличия микропор и микротрещин. Выполнено моделирование пористости в поликристаллической керамике путем термообработки. Исследовано поведение пористых поликристаллических материалов под нагрузкой, и установлен физический механизм, определяющий это поведение.

Ю.Предложен и экспериментально отработан метод исследования влияния напряжения сжатия на пики внутреннего трения и упругой податливости пьезокерамических материалов в точке фазового перехода. Показано, что под действием одноосного сжатия температура фазового перехода увеличивается, а внутреннее трение уменьшается.

11.Область применения комплекса разработанной аппаратуры ультразвукового контроля нелинейных параметров и ползучести не ограничивается исследованием пьезокерамических материалов. Предложенные методы являются универсальными, могут использоваться для любых твердых материалов, и имеют самостоятельное значение для техники физического эксперимента.

1. ТЮз // Journal of Physics. C: Solid State Physics. 1978. Vol.11. P. 33333344.3.37. H. Cao and A. G. Evans. Nonlinear Deformation of Ferroelectric Ceramics //

2. Review. 1953. Vol.91. №3. P.513-517. 3-85. Ормонт Б. Ф. Введение в физическую химию и кристаллохимию полупроводников. М.: Высшая школа, 1982. 528 с. 3-86. L. Е. Cross. Ferroelectric Ceramics, P. 1 / eds. N. Setter and E. Colla.

3. Proceedings of the Physical Society (London). 1950. Vol.63B. № 1. P.2-11. 4-31. F. Gatto. Influence of Small Cavities on Velocity of Sound in Metals //