автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Создание новых пьезокерамических устройств на основе высокоэффективных сегнетоэлектрических материалов и технологий

академия оборонных отраслей промышленности Ростовский государственный университет

' На правах рукописи

ПАНИЧ Анатолий Евгеньевич

СОЗДАНИЕ НОВЫХ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность—05.12.13—Системы и устройства

радиотехники и связи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1996

Работа выполнена на кафедре Физики диэлектриков, физического факультета. НИИ Физики и НКТБ 'Пьезоприбор* Ростовского ордена Трудового Красного Знамени государственного университета

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор И.Н. Воженин

доктор физико-математических наук,

профессор В.Ф. Кравченко

доктор технических неук,

профессор Я.В. Маяков

Ведущая организация: Научно-производственное объединение

на заседании специализированного совета Д115.05.01.

при Академии оборонных отраслей промышленности по адресу:

г. Москва, ул. Молодогвардейская, 46.

С диссертацией можно ознакомиться у ученого секретаря Академии оборонных отраслей промышленности.

измерительной техники, г. Королев Защита состоится т. в. йСчас

Ученый секре к.т.н., доцент

Автореферат

1 < • 1396г. шированного Совета

Ю.И. Пересов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Более 40 лет перовскитовая сегнетопьеэоэлектрическая керамика (С ПК) привлекает внимание исследователей и разработчиков в связи с необычностью физических свойств и постоянно расширяющимися возможностями ее применения. Так, с 1965 года с периодом в 4 года повторяются международные конференции, на которых неизменно большое место занимают проблемы СП К и ее использование в науке и технике. По последним данным зарубежной печати [1] объем производства изделий из перовскитовой керамики, среди которой СПК принадлежит основной объем, превысил 20 млрд. долларов в год.

Существен: 1ый шел ад в развитие физики сегнетоэлестричества, технологии производства и пьезоэлектрических устройств внесли отечественные ученые: Смоленский Г.А., Желудев И.С., ФесенкоЕ.Г., Венэвцев Ю.Н, Климов В.В., ИсуповВ.А., Крамаров О.П., Бондаренко B.C., Малов В.В., Некрасов М.М., Ерофеев A.A., Рагульскис K.M. и др. Ими было показано, что СПК является весьма сложным объектом физики твердого тела и материаловедения, а создание пьезотехнических устройств определяется эффективностью сегнетоэлектрического материала, свойства которого зависят от его атомной структуры и химического состава.

Помимо традиционного применения СПК для ультразвуковых излучателей и приемников, звукоснимателей, фильтров, датчиков вибраций и ускорений большой интерес в последнее вредея проявляется к созданию прецизионных устройств перемещения для# нанот§хнологии и адаптивной оптики, высокочувствительных датчиков для •УЗ*«Дйф<9Ктоскопии и элементов медицинской диагностики, датчиков- контроля, регистрации различных физических процессов и т.п. Требования к параметрам активных элементов каждого из таких устройств весьма специфичны, поэтому для выбора оптимального по заданным свойствам материала необходимы комплексные исследования по схеме "состав - атомная структура - надатомная структура -физические свойства - устройство', Такие исследования были проведены под руководством автора в рамках фундаментальных и прикладных НИОКР Госкомоборонпрома РФ, Российского космического агентства, Госкомвуза РФ, а также специальных научно-технических комплексных целевых программ "Пьезо-РВО-1", "Пьезо-РВО-2": "Создание, освоение и производство высокоэффективных пьезоматериалов и пьезопреобразователей для средств измерения различных физических процессов и систем диагностики изделий Минобщемаша СССР".

Состояние проблемы. К началу диссертационной работы (1970г.) в результате проведенных исследований уже были заложены основы сегнетоэлектрического материаловедения и пьезоэлектрического приборостроения. Однако, ряд научно-технических задач в системах связи, радиотехнике, приборостроении, автоматике и робототехнике невозможно было решить без новых типов материалов и новых технологий, т.к. дальнейший рост эффективности имеющихся в промышленности составов был исчерпан.

Было известно, что система ЦТС (цирконат-титанат свинца) наиболее эффективна, а электрофизические параметры составов СПК из области морфотропного перехода (ОМП) и прилегающих к ней узких областей имеют экстремальные параметры и этим надо руководствоваться при выборе химического состава в этой системе. Но области эти были недостаточно изученными; недостаточно изученными оставались свойства этих составов и их стабильность в сильных электрических и механических полях и при комплексном воздействии температур и давлений. Не были систематизированы и нуждались в доработке сведения о физических механизмах, определяющих свойства составов СПК, полученных различными технологическими методами. СПК изготавливалась обычной, перенесенной из керамического производства традиционной технологией (ТТ), в которой варьировались только два параметра: температура t(x) и время спекания т.

Цель работы заключалась в выявлении и исследовании концентрационных границ существования составов СПК, устойчивых к комплексному воздействию внешних дестабилизирующих факторов, d разработке методов оптимизации дефектов и минимизации остаточных напряжений в СПК, разработке физико-технологических основ получения высокоэффективной СПК, в разработке и производстве новых сегнетоэлектрических материалов, в том числе композиционных; в создании пьезопреобразователей с повышенными эксплуатационными характеристиками и новых конструкций пьезотехнических устройств.

В соответствии с целью работы были поставлены следующие основные задачи диссертации:

1. Обосновать выбор составов стабильной к внешним воздействиям во всем интервале рабочих температур высокоэффективной СПК.

2. Разработать оптимальные технологии получения сегнетопьезоэлектрических материалов, позволяющие управлять концентрацией дефектов и остаточными напряжениями.

3. Создать специальное оборудование для экспрессного получения поисковых составов СПК и технологическое - для производства СПК в виде высокоплотных крупногабаритных блоков.

4. Разработать на основе оптимизированных по составу, дефектам и остаточным механическим напряжениям СПК новые конструкции пьезоэлектрических устройств для систем и устройств радиотехники связи и оптики.

5. Организовать опытное производство новых материалов и пьезоэлектрических преобразователей. Передать разработки в промышленность и НИИ.

Методы исследования. В проведенных исследованиях использовались системный анализ, методы математической статистики, регрессионный анализ, электронная и оптическая микроскопия, рентгеноструктурный анализ, моделирование технологических процессов на экспериментальных установках и стендах, измерительный комплекс для определения пьезоэлектрических параметров образцов согласно ОСТ 11.044-87.

Научная новизна работы. Впервые проведен многоуровневый анализ особенностей СПК системы ЦТС с соответствующими дефектами и остаточными напряжениями, определяющих качество свгнвтопьезоэлектрических материалов и преобразователей:

- уточнены условия выбора составов СПК для заданных применений, устойчивых к комплексному воздействию дестабилизирующих факторов;

- установлено, что свойства составов СПК, стабильных к внешним воздействиям, определяются их положением на фазовой ({, х) диаграмме в ромбоэдрической (Р) и тетрагональной (Т) - фазах, принадлежащих тем областям, где фазовые переходы находятся вне интервала рабочих температур;

- установлено, что метод квазиизостатического горячего прессования (ГП), развитый в работе, позволяет оптимизировать дефекты и минимизировать остаточные напряжения в керамике;

- изучены особенности оптимизации технологических режимов получения высокоплотной СПК в виде крупногабаритных блоков на основе исследований кинетики спекания под давлением многокомпонентных твердых растворов.

- проведена классификация новых пьезоэлектрических исполнительных устройств; выявлены конструктивные и технологические особенности

разработанных пьезоприводов на основе резонансных и нерезонансных электромеханических преобразователей;

• показаны особенности принципиально нового твердотельного исполнительного устройства с запоминающей электромеханической характеристикой;

- получены многослойные конструкции чувствительных пьезоэлементов на основе высокоплотной СПК, которые позволяют достигнуть высоких эксплуатационных параметров преобразователей для датчиковой аппаратуры;

- показаны возможности разработанной технологии получения монолитного демпфера УЗ-преобразователя с управляемой плотностью (скоростью звука) для создания нового поколения акустических преобразователей;

- разработаны экономичные вторичные источники питания на базе новых конструкций пьезотрансформатороо.

Основные защищаемые положения

1. В системах на основе ЦТС комплексными исследованиями ОМП и областей непосредственно примыкающих к ней, гдо электрофизические параметры принимают экстремальные значения, установлено, что стабильные к внешним механическим и электрическим воздействиям во всем интервале рабочих температур составы СПК расположены вблизи ОМП на расстояниях от границ ОМП, определяемых наклоном ОМП к оси концентраций.

2. В исследованном и развитом в работе методе квазиизостатического горячего прессования регулируются и могут быть существенно снижены соответствующим выбором параметров t(x), р(х), т

- ширина ОМП,

- дефекты (типы и концентрации) и остаточные механические напряжения (типы и величины).

3. Оптимизированная по составу, дефектам .остаточным напряжениям, физическим параметрам и механическим свойствам СПК использована при разработке:

■ монолитного с высокой механической прочностью и жесткостью активного преобразователя в виде стержня крестообразного сечения с недостижимыми в других конструкциях отношением длины к толщине стенки -до 200, что определяет его исключительно высокую чувствительность -свыше 60 нм/В в исполнительных прецизионных устройствах;

- принципиально новой конструкции монолитного демпфера УЗ-преобразователя с монотонноубывающей плотностью (скоростью звука) так, что акустический сигнал полностью затухает в материале демпфера, что исключает* возникновение отражающего сигнала в акустических преобразоввателях современной ультразвуковой аппаратуры;

- керамических многослойных конструкций чувствительных пьезоэлементов с экстремально высоким уровнем эксплуатационных параметров, не уступающих лучшим зарубежным аналогам;

- принципиально нового твердотельного исполнительного устройства с запоминающей электромеханической характеристикой;

- функциональных элементов радиотехнических устройств на основе высокоплотной СПК.

Практическая ценность работы

- Сформулированы критерии выбора составов СПК в системе ЦТС с оптимальными свойствами, устойчивыми к воздействию дестабилизирующих факторов.

- Разработаны новые высокоэффективные сегнетопьезоэлектрические материалы, в том числе с высокой точкой Кюри и композиционные, а также технология их получения. Разработан метод фазопереходной усталости, дающий интегральную оценку остаточных напряжений, что позволило рекомендовать его как способ определения качества СПК.

- Созданы установки ГП типа УССК-1, УССК-2 для экспрессного получения поисковых образцов; отработаны конструкции основных узлов установок для получения крупногабаритных блоков СПК: на их основе совместно с конструкторами созданы установки ГП для промышленного производства высокоплотной СПК. Установки типа УССК-1, УССК-2 функционируют в НКТБ "Пьезоприбор", ВНИИХТ и НПО "Алмаз* Минатом; на фирме РТБ БОР (Югославия) и Институте проблем техники Силезского университета (Польша). Установками для производства крупногабаритных блоков оснащены предприятия-производители радиотехнической продукции -завод "Ион", завод "Аврора", ВНИИРТ, опытные производства НИИ Физики РГУ, НКТБ "Пьезоприбор" и др.

Разработаны технологии, элементная база и принципы конструирования новых пьезоэлектрических исполнительных устройств для адаптивной оптики; нанотехнологии, космических технологических систем. Освоен выпуск цельнокерамических адаптивных зеркал АЗ-1, АЗ-2 и многослойных пьезодвигателей МПП-1.

- Разработана технология производства пьезопреобразователей с заданной переменной плотностью, на основе которой освоен выпуск чувствительных элементов для датчиков систем диагностики энергетических установок и монолитных матричных акустических пьезопреобразователей для УЗ-эхотомоскопоа с электронным сканированием.

- Освоено мелкосерийное производство новых сегнотопьезоэлектрических материалов в виде высокоплотной СПК (ПКР-1, ПКР-37, ПКР-5, ПКР-7, ПКР-10, ПКР-3, ПКР-ЗМ, Г1КР-11, ПКР-17, ПКР-36, ПКР-23, ПКР-40, ПКР-54, ТВ-3, ТНВ-1), а также композиционного материала КМБ-3. Шифр разработанных материалов - ПКР (пьезоэлектрическая керамика ростовская).

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на:

1. Всесоюзном совещании по сегнетоэлектричеству (г.Ростов-на-Дону, 1973г.).

2. Всесоюзном совещании Научного совета АН СССР по проблеме "Ультразвук" (г. Великий Устюг, 1986 г.).

3. 3-й Всесоюзной конференции "Актуальные проблемы получения и применения сегнотопьезоэлектрических материалов и их роль в ускорении научно-технического прогресса" (г. Москва, 1987 г.).

4. Совещании "Сенсор-89" (г. Ужгород, 1989 г.).

5. Школе-семинаре по акустоэлектронным устройствам (г. Москва, ВДНХ, 1989 г.).

6. Всесоюзной конференции "Акустоэлектронные устройства обработки информации на ПАВ" (г. Черкассы, 1990 г.).

7. Международной конференции по неразрушеющим методам контроля (г. Варна, Болгария, 1991.).

8. 7-ой Международной конференции по сегнетоэлектричеству (Франция, Дижон, 1991 г.).

9. Семинаре секции "Объемные интегральные схемы" при МПРНТОРЭС (г. Москва, 1992 г.).

10. Международной конференции по кристаллографии (Польша, 1992 г.).

11. Научно-технической конференции "Керамика в народном хозяйстве" (г. Суздаль, 1993 г.).

12. Международной конференции по сегнетоэлектричеству (США, 1993г.)>

13. Третьей Международной деловой встрече."Диагностика - 93" (г. Ялта, 1993 г.).

14. Международном симпозиуме "Сегнетопьезоэлектрические материалы и их применение" (г. Москва, 1994 г.).

15. Научно-тохничэской конференции "Керамика в неродном хозяйстве" (г. Ярославль, 1994 г.).

16. Международной конференции "Пьезотехника 95" £ Рзстш+аДэу, 1395 г)

Публикации. Содержание исследований раскрыто в научных трудах, в том числе в 3 монографиях, в 23 статьях, в 70 изобретениях и в 12 отчетах о НИОКР.

Личный вклад автора. Результаты диссертации получены в ходе многолетней (1970-1995л-) самостоятельной работы автора, а также совместно с сотрудниками физического факультета, НИИ Физики и НКТБ "Пьезоприбор" Ростовского госуниверситета, где в разное время гзтор работал старшим научным сотрудником, руководил лабораторией ГП, опытио-тохнолсгической лабораторией и опытным производством.

Вклад азтора в разработку проблемы состоит в следующем.

Все положения, выносимые на защиту разработаны лично азтором. Автору принадлежат обобщенные в схеме 1 принципы анализа структурных особенностей, прочности, остаточных напряжений СП К и пьезокерамических изделий. Непосредственно исследования дофокгоз и остаточных напряжений на каждом из уровней формирования СПК и пьезоэлектрических преобразователей проводились автором совместно с сотрудниками лаборатории рентгсноструктурнсго анализа, руководимой профессором М.Ф. Куприяновым. Научные результаты оформлялись в виде статей с соавторами исследований. Все исследования прочностных характеристик СПК проводились в НИИМ и ПМ РГУ в лаборатории В.П. Зацаринного.

Автор впервые в стране провел лично исследования кинетики уплотнения СПК при ГП, что позволило в дальнейшем разработать способы получения крупногабаритных блоков СПК, защищенные изобретениями. Автор является соавтором изобретений на пьезокерамические материалы, разработка которых велась большим коллективом под руководством лауреата государственной премии СССР, профессора Е.Г. Фесенко. Вклад автора в эти работы состоял в изготовлении поисковых образцов и оптимизации получения качественной СПК в виде высокоплотной керамики на макетных образцах установок ГП. Реализация всех новых технологических решений в части получения крупногабаритных блоков СПК осуществлялась на специально созданном автором опытно-экспериментальном участке, оснащенном макетными образцами новых установок ГП для поисковых исследований и мелкосерийного производства. Далее макеты совместно с группой конструкторов модернизировались и использовались при создании

установок ГП нескольких поколений, в том числе и последних - УССК-1, УССК-2 . Установки ГП типа УССК, разработанные под руководством автора конструкторами НКТБ "Пьезоприбор", были изготовлены в НКТБ "Пьезоприбор" и поставлены предприятиям РФ и зарубежным фирмам.

Исследования физических свойств СПК проводились в лабораториях электрофизических измерений НИИФизики и НКТБ "Пьезоприбор". Микроструктурный анализ проводился совместно с группой В.А. Алешина. Все работы в области создания акустоэлектронных радиокомпонентов на базе ПАВ-материалов проводились совместно с лабораторией ОНИЛ ПАВ РГУ, руководимой профессором Туриком A.B.

Непосредственное участие принимал автор в разработке и составлении заявок на изобретения конструкций пьезоэлектрических устройств, представленных в диссертации, в том числе исполнительных механизмов для адаптивной оптики, УЗ-преобразователей с переменной плотностью и вторичных источников питания на базе пьезотрансформаторов.

Обобщение результатов исследований, выполненных автором на протяжении 25 лет и представленных в кратком виде в настоящей диссертационной работе более полно отражены в монографиях:

1. "Физика и технология сегнетокерамики", где автором написаны вторая, третья, четвертая и пятая главы.

2. "Сегнетоэлектрические морфотропные переходы", где автором написаны третья, четвертая и пятая главы.

3. "Тонкие сегнетоэлектрические пленки", где автором написаны первая, вторая, и последняя главы.

Общая постановка и обоснование задачи исследований, непосредственное научное руководство всем циклом обобщенных в диссертации работ, а также представленные на защиту положения и выводы диссертации принадлежат автору.

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, литературы и приложения.

Общий объем диссертации составляет 250 е., из них непосредственно текст изложен на 150 е., рисунков 61, таблиц 26, приложение 14с., библиография содержит 78 названий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ рассмотрены особенное™ СПК системы ЦТС, определяющие ее качества, качества устройств, использующих СПК и пути оптимизации их: выбор эффективных и стабильных составов СПК, влияние технологических факторов, электрических и механических полей на свойства СПК, оценки прочноста СПК.

Известно, что разработка сегнетопьезоматериалов системы ЦТС представляет сложную материаповедческую проблему. При ее решении необходимо обосновать выбор состава и оптимизировать технологию синтеза и спекания, исследовать физические и механические свойства разработанных СПК [2]. Эта разработка велась на основе известных и установленных в результате системного подхода в настоящей работе связей: химический состав - атомная структура - надатомная структура - физические свойства [3]. Важнейшие общие характеристики звеньев этой цепи и связей между ними приведены в представленной ниже схеме 1 девятью уровнями. Для каждого уровня указаны дефекты и остаточные механические напряжения по Давиденкову H.H. [4], уравновешенные в рассматриваемых объемах. Стрелки указывают на то, что в характеристики каждого последующего уровня входят по принципу суперпозиции характеристики вышележащих.

Для обеспечения стабильности и высокой эффективности СПК и пьезопреобразователей из нее были проанализированы технологические возможности оптимизации свойств и многие из них реализованы. Ниже для каждого уровня указаны эти возможности.

1. На уровне атомов состава. Использование атомов с постоянной валентностью и компонентов соответствующей чистоты.

2. На уровне перовскитовой ячейки. Исключение потерь и загрязнений при синтезе, получение оптимальной атомной структуры.

3. На уровне фрагмента кристаллита. Получение совершенной микроструктуры оптимизацией условий спекания.

4. На уровне кристаллита. Формирование кристаллитов с диаметром dorrr.. удовлетворяющим условию: dmin < dorrr < dmax

где: область значений dorrr. определяется эмпирически по результатам экспериментальных исследований зависимости электрофизических параметров, прочности и пористости для каждого состава от диаметра кристаллитов. При этом необходимо обеспечить низкую дисперсию, малый размах варьирования и симметрию гистограммы распределения размеров кристаллитов в пределах изделия и если возможно создать условия роста кристаллитов изометрической формы, что обеспечит однородность напряженного состояния.

К АНАЛИЗУ СТРУКТУРНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ, ПРОЧНОСТИ, ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИИ СПК И ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИИ.

Схема 1

Уровни Обьект и его размер (и) Дефекты (1) и другие факторы, Прочность Остаточные

снижаодие прочность (2) н/м2 напряжения

5. На уровно фрагмента сететокерамики. Технологическое обеспечение оптимальной толщины межкристаллитных прослоек, что диктуется с одной стороны услозиями разгрузки напряжений, с другой - требованием максимального объема сегнетоэлектрической фазы.

6. На уровне элемента сегнетокерамики. Исключение появления остаточных механических напряжений масштаба элемента: управляемый режим охлаждения спеченного образца, использование режимов обработки, исключающих появление дефектов резки и шлифовки.

7. На уровне сотзтоэлемекта с электродом. Минимизация нарушения состава и структуры в приэлектродной области, согласование по КТР состаза электродов и керамики, оптимизация формы электродов.

8. На уровне поляризованного элемента. Оптимизация условий поляризации.

9,10. На этих уровнях оптулъсоц^ досптоется иккенэрньм1 решения«!

Учет всего сказанного выше, формирует требования к состазу, атомной структуре, микроструктуре и технологии, обеспечивающие высокие качества СПК и изделий из нее. Этими требованиями мы руководствовались в работе.

При выборе состаза кроме того учитызалось следующее:

1. Преимущества многокомпонентное™ системы.

2. Составы твердых растворов, отвечающие области или окрестности морфотропного перехода (ОМП), характеризуются экстремальными значениями электрофизических характеристик, причем чем ужо ОМП, тем резче экстремумы.

3. В зависимости от заданного применения СПК состав ее выбирается в Р или Т-области фазовой диаграммы.

Нашими исследованиями [5,6] выявлено, что при разработке стабильных к внешним условиям материалов необходимо принимать во внимание дополнительно:

1. Вид и качество сырья, используемого для получения материалдв; наибольшее влияние на свойства СПК оказывает качество двуокисей циркония и титана в то время, как влияние свинцового сырья незначительно.

2. Положение состава на фазовой диаграмме температура -концентрация: соответствующие ему твердые растворы не должны иметь фазовых переходов в области рабочих температур.

3. Возможности технологии, формирующей надатомную структуру СПК.

В наших исследованиях была развита технология ГП, позволяющая использовать важный технологический параметр - регулируемое давление (р). Оптимизация как функция времени параметров давления р=р{х) и температуры ^(х) позволила формировать оптимальную надатомную структуру, получить высокоплотную и прочную керамику, а в некоторых

случаях и керамику таких составов, которые не удавалось получить, методом ТТ. Таким образом выбор оптимального технологического режима при ГП осуществлялся как построение суперпозиции требований к совершенной керамике, т.е. оптимизацией дефектов и минимизацией остаточных механических напряжений на всех уровнях.

Особенности совместного влияния температуры спекания и давления наблюдались нами при исследовании образцов материалов типа ПКР, в частности, из 4-х компонентной системы рьтюз - рьгю3 - рьгпшыьг/зо - Рьмп1/з1мь2/з0

Полученные результаты позволили построить фазовую диаграмму давление-температура (р,1) в интервале давлений 0-20,0 МПа и температур спекания 900-1220°С (рис. 1а), из которой видно, что выбором значений температур и давлений при ГП можно изменять соотношение Р и Т-фаз в ОМП.

а) б)

Рис. 1

Влияние на фазовый состав ОМП: а) температуры и давления ГП; б) температуры отжига (1= 600°С) и времени отжига (т= 10 ч)

Р+Т и Т+Р - смесь фаз (на первом месте фаза большей концентрации).[7]

Фазовая (р,0 диаграмма претерпевает изменение после отжига ГП-образцов (рис. 16.). Отжиг уменьшает влияние остаточных напряжений, при этом область Р-фаэы увеличивается.

Для серийно выпускаемых составов ПКР-1М и ПКР-8, принадлежащих ОМП, найден интервал температур спекания, где соотношение р и Т-фаз остается неизменным, а микроструктура и электрофизические параметры оптимальны. Для ПКР-1М этот интервал находится в пределах температур 1035<1<1075°С, а для ПКР-8 он значительно меньше и составляет 10°С. Вместо с тем показано, что с ростом температуры спекания наблюдается увеличение содержания Р-фазы для ПКР-1М и Т-фазы для ПКР-8.

Нашими исследованиями влияния постоянного электрического поля на доменные переориентации в твердых растворах из ОПМ и их окрестностей [6] установлено, что число таких переориентации в каждой из сосуществующих в ОПМ сегнотоэлектрических фаз зависит от величины и знака этого поля. С увеличением приложенного поля (Е) возрастают доменные переориентации, отличные от 180°-ных в Т-фазе и Р-фазе (т|р). При одинаковых значениях напряженности поля.г|р > т]Т, что связано, в первую очередь, с меньшей спонтанной деформацией Р-ячейки и облегчением доменных переориентаций вследствие этого. Отметим, что наибольшие степени доменных переориентаций имеют место в составах из ОМП. В этих же составах постоянноо электрическое поле может индуцировать частично фазовые переходы из Р в Т-фазы и обратно. Такие переходы предсказывались ранее Исуповым В.А. [7]. Подчеркнем, что это имеет место только для составов из ОМП и близких к ОМП.

Нами экспериментально установлено [8] влияние технологических факторов на сзсйства составов СПК, принадлежащих ОМП, на всех основных этапах изготовления СПК: синтез, спекание, поляризация. Показано, что наибольшей шириной ОМП обладают неспеченные синтезированные порошки, а наименьшей - твердые растворы, полученные ГП, при этом ширина ОМП за счет смещения менее устойчивой границы Р-фазы в сторону Т-фазы уменьшается более, чем в 2 раза (рис. 2).

При оптимизации технологии нами установлено, что характер двойникования СПК в каждой из фаз (Р и Т) определяется, в основном, размерами кристаллитов - керамики: малые кристаллиты не содержат механических двойников, более крупные содержат одиночные двойники; дальнейшее увеличение размеров кристаллитов приводит к появлению слоистой структуры двойников. Наконец, еще более крупные кристаллиты содержат вторичные механические двойники в слоистой структуре. При дальнейшем увеличении кристаллитов начинается спонтанное образование трещин в них и происходит саморазрушение образца. Такие геометрические и размерные эффекты в СПК проявляются и в различной степени раздвойникования и, следовательно, в способности керамики с различной величиной кристаллитов

Рис 2

Зависимости концентраций Т фазы (Хт) от X в системах (Х)РЬПОз -(1-х-у) РЬггОз - уРЬСс^бУУо.бОз: (1) - У = 0,125 /синтезированный порошок/;

(2) ■ у = 0,125 (керамика, полученная ТТ); и полученные методом ГП:

(3) -у = 0,125; (4) -у = 0,1;. (5)-у = 0,02

поляризоваться. В работе учитывалось это и для каждой разработанной СПК определялся оптимальный размер кристаллитов, как компромисс между величиной электрофизических параметров и прочностью. Последнее иллюстрирует рис.3, где представлены зависимости механической прочности на растяжение стрр и коэффициента электромеханической связи Кр от среднего диаметра <1 кристаллита для материалов ПКР-8 и ПКР-6. Для ПКР-6 указанные зависимости хорошо апроксимируются следующими функциями: Срр = 487.46 i-12.60d-2.59d2 + 0.07786С13

Кр = 0.365+0.0175й

Составы этих материалов, принадлежащие различным многокомпонентным системам, выбраны вблизи Т-границ ОМП. Как следует из рис.3 зависимости <Трр=^); Кр=^) коррелируют, что свидетельствует о том, что остаточные напряжения проявляются идентично независимо от состава. При этом можно заметить, что существует размер кристаллита <^пт. для этих двух составов, при котором достигается компромисс между величиной Кр и достаточной прочностью стрр: максимальная и близкая прочность наблюдается у этих составов для мелкозернистой СПК с <1=3мкм.

Сходность качественного поведения наблюдалась и в материалах других составов, например составов, принадлежащих ОМП в системе: РЬТЮз - РЬггОз - РЬ№2/з2п1/зО - РЬЗЬ2/зМп-|/зОз - РЬ\Л/-|/2Мд-|/2°3

брр(|1Па)

0.7 0.6 0.5 0А 0.5

80

60 40 20

Рис.3

Зависимости сгрр=Т(<^) и Кр=Дс1) для материалов ПКР-8 (»)и ПКР-6 (о).

Как известно, оценка остаточных напряжений может производиться реттеноструктурными методами: 1 рода ■ по изменению параметров элементарной ячейки, 2 рода - по размытию дифракционных линий, 3 рода -по диффузному рассеянию. Однако, эти оценки справедливы только в пределах анализируемых микроучастков и не дают интегрального представления о макрообъеме. Кроме того определение остаточных напряжений каждого из трех родов представляется в методическом отношении сложной задачей для СПК, поэтому в работе оценивались не остаточные напряжения, а связанные с ними прочность СПК на растяжение определяемая методом раскалывания тонких дисков [9] и прочность СПК при изгибе аи для образцов, прошедших термоциклирование методом фазопереходной усталости.

Этот метод позволяет дать косвенную интегральную оценку величины напряжений в элементе и может рассматриваться как технологический способ снятия остаточных напряжений вследствие термоциклирования относительно температуры КюриТк. Последнее ускоряет старение СПК, что способствует достижению более высокой стабильности физических и механических характеристик пьезоэлемента.

Результаты экспериментов показывают (рис.4.), что эффект фазопереходной усталости проявляется в наибольшей степени после первых

пяти циклов; при дальнейшем термоциклировании он практически не заметен.

На метод фазопереходной усталости автором получено авторское свидетельство [10].

Рис. 4. _

Зависимость предела прочности при изгибе ст от количества термоциклов 14: 1. - ПКР-6М; максимальная дисперсия 5=6.4, максимальный коэффициент вариации N/=14.0%, количество образцов п=6.

2. - ПКР-8М; максимальная дисперсия 5=9.1, максимальный коэффициент вариации \/=16.2%, количество образцов п=6.

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена исследованиям процессов спекания СПК в условиях трехпараметрической технологии (I, р, а). Изучены механизмы уплотнения при ГП материалов системы ЦТС, ниобатных и слоистых висмутосодержащих соединений. Описаны способы получения высокоплотных крупногабаритных блоков и комплекс технологического оборудования для экспрессного получения высокоплотных поисковых образцов и для производства крупногабаритных блоков.

Поисковые образцы получались на разработанных автором установках горячего прессования УССК-1 (рис.5.) и УССК-2. Эти установки предназначены для отработки режимов синтеза и спекания твердых растворов оксидов при температурах до 1300°С и кваэиодноосном давлении прессования до 40 М Па в контролируемой атмосфере на образцах диаметром 10-12 мм и высотой 2-3 мм. Способ приложения давления в УССК-1 рычажный, в УССК-2 - пневматический. Способ задания режима -

Рис. 5. Установка УССК-1

1 - каркас

2 • грузы

3 - механизм нагружения

4 - потенциометр КСП2-032

5 ■ блок силовой терморегулятора РИФ-101

6 - блок регулирующий терморегулятора РИФ-101

7 - амперметр

8 - ротаметр

9 - прибор цифровой Микрон-02 10-гнезда

11 - органы управления и индикации

12 - печь

элеюронный программатор. На установках автоматически регистрируется усадка и температурный режим образца.

Одновременно была разработана методика получения высокоплотной СП К с воспроизводимыми свойствами, в основу которой положено исследование влияния среды, передающей давление к образцу и время приложения этого давления, а также контроль повторяемости процесса ГП по изотермическим кривым усадок [11].

С целью исследования механизма влияния стеклообразующих модификаторов при ГП, изучены кинетические закономерности уплотнения промышленного материала ЦТБС-3 с добавками стекол.

Для обработки результатов измерений как и при обычном спекании использованы феноменологические уравнения [12]

1д(1-ач-,)) = 0.43К,(Эх где, а,в - параметры уплотнения. к,а - константы скорости уплотнения, т - время.

Анализ кривых усадки показал, что процесс уплотнения при ГП разделяется на 2 стадии: начальную быструю, характеризующуюся константой «1 и более медленную, заключительную, характеризующуюся константой К2 (рис.6.). Приложение давления (3-10 МПа) приводит к резкому увеличению К1 (в 20-30 раз).

Изменение величины К2 зависит от параметров I и р. Так, если при 1<1100°С и р=3 МПа К2 увеличивается в 1,5-3 раза, то при М050°С и р=10 МПа величина «2 наоборот уменьшается по сравнению со спеканием без приложения внешнего давления. Показано, что значительное влияние на значения К1 и «2 оказывает катионный состав стекла.

Рис. С.

Характерный вид изотермической усадочной кривой [11].

Для оптимизации условий спекания ЦТБС-3, модифицированного стеклами различного состава, была определена снергия активации спекания на первой и второй стадиях уплотнения при температурах спекания 1000-1150°С и давлениях 0; 3.0; 10.0 МПа.

По совокупности гначений энергии активации и констант уплотнения на первой и второй стадиях выбран состав стекла и определен оптимальный режим спекания. Показано, что спекание ЦТБС-3 со стеклом следует проводить в два этапа. На первом этапе, связанном с начальной стадией уплотнения, спекание проводят при р=10.0 МПа в диапазоне температур 1050-1150°С. На втором этапе, соответствующем заключительной стадии уплотнения, спекание желательно осуществлять при р=3.0 МПа и t=1150°C. Однако, наилучшие показатели уплотнения наблюдались в случае, когда на втором этапе спекание проводилось без давления при t=1150°C.

В связи с этим представляло интерес рассмотреть возможность получения СПК, когда на втором этапе спекание происходит без приложения давления, что может обеспечить высокую производительность процесса и простоту его аппаратурного оформления. Дополнительным объектом исследования были выбраны материалы ПКР-8 и ПКР-8М, предстпвляющие интерес с точки зрения серийного их производства ввиду большого потребительского спроса.

Таблица 1.

Свойства образцов материала ПКР-8М, полученных разными способами

Материал Параметр Способ

tg5x 102 К„ | d3, -10" I Q I I I Кл/Н тк;с

ПКР-8М 0.35 0.53 125 | 1950 325 ГП

ПКР-8М +1%С7 0.55 0.56 105 1800 318 Двухстадий-ный способ

ПКР-8М + 1% С7 0.70 0.52 92 1600 316 ТТ

Состав стекла С7: 0,9{РЬО+0,ЗВ20з+0,23Ю2)+0,05А120з+ 0,04ПКР-8+0,005МЬ2О5+0,003МпО+0,002гпО

В табл.1, приведены свойства образцов материала ПКР-8М, полученных различными способами. Видно, что свойства образцов, изготовленных двухстадийным способом, несколько ниже, чем образцов, полученных ГП, но значительно выше, чем у образцов, полученных методом ТТ. Следует отметить достаточно высокую производительность двухстадийного способа, которая приближается к производительности обычного спекания.

Установленные закономерности уплотнения СПК на основе ЦТС в присутствии жидкой фазы были использованы для разработки способа

получения высокоплотных и прочных образцов ниобатной керамики на основе твердых растворов (NaLi)Nb03. Трудности получения такой керамики обусловлены ее растрескиванием из-за большого количества фазовых переходов, узкого интервала спекания и развития процессов вторичной рекристаллизации. Для устранения этого в состав керамики ниобатов щелочных металлов вводились стекла-модификаторы и проводилась оптимизация условий ГП на основе исследования кинетики уплотнения. Показано, что введение 2% стекла способствует увеличению константы К-] на 15-20% при р=30 МПа и на 5-10% при р=10,0 МПа по сравнению с составом без стекла. Константа К2 практически не изменяется при давлении 3,0 МПа и возрастает в 5 раз при давлении 10,0 МПа, Выявлен механизм уплотнения ниобатных материалов, модифицированных стеклом.

Показано, что уплотнение протекает в основном на первой стадии. На второй стадии усадка меняется незначительно, что обусловлено, главным образом, уменьшением количества жидкой фазы вследствие вытеснения ее при высоких температурах на поверхность образца, в результате чего эта поверхность и слой прилегающей к ней засыпки подвергается остекловыванию. Механизм уплотнения на этой стадии, как правило, определяется закономерностями твердофазного спекания, при котором давление ускоряет рост кристаллитов, что для данного твердого раствора является нежелательным. Отсюда становится понятной необходимость сохранения жидкой фазы на второй стадии спекания.

Экспериментальные результаты исследований материалов ПКР-6, ПКР-8, (Na,Li)Nb03 проанализированы с использованием уравнения Муррея, которое обычно применяется для описания заключительной стадии процесса спекания под давлением [13].

От 4 г|

где: р - относительная плотность образца, р - давление, МПа,

т| - коэффициент эффективной вязкости, х - время спекания, мин.

Энергия активации процесса уплотнения Е определялась из уравнения,

описывающего зависимость коэффициента вязкости от температуры t

const 4=—— exp[E/Rt]

где: R - газовая постоянная.

Из анализа зависимостей Lnn-t=fQj и значений энергии активации следует, что уплотнение материалов системы ЦТС при изотермическом

спекании определяется механизмом, близким к механизму пластического точения; при спекании ниобатных материалов основным механизмом переноса вещества является объемная диффузия.

Полученные результаты позволяют оптимизировать условия получения высокоплотной СП К, т.е. подобрать такие I, р и I, при которых процесс уплотнения протекаете максимальной скоростью. Так, для материала ПКР-6 такими параметрами будут: р=10,0 МПа, интервал температур 1=1000-1120°С. Диапазон оптимальных р и I для ПКР-8 значительно шире: р=10-20 МПа, интервал температур (=925-1180°С. Эта данные свидетельствуют о хорошей технологичности этого материала. Еще лучшей технологичностью обладает состав Бб, принадлежащий пятикомпонентной системе, в которую кроме компонентов ПКР-8 дополнительно введен РЬЗЬ2/зМп-|/зОз. Это

немонотонных, характерных для ПКР-8, и данными электрофизических параметров. Например, при Р=10 и 40 МПа наблюдаются постоянные значения электрофизических параметров в широком температурном интервале Д1=100°С. Таким образом, увеличение п-мерности системы улучшает технологичность, и, следовательно, качество материала. И, наконец, оптимальными условиями ГП ниобатного материала следует считать р=5,0 МПа в интервале температур 1=1000-1160°С.

Установленные закономерности уплотнения СПК явились основой разработки способов получения крупногабаритных блоков. Новые способы защищены авторскими свидетельствами [14-17].

Разработанная технология позволяет минимизировать дефекты на 3-4-5 уровнях схемы 1. Блоки СПК, полученные по такой технологии отличаются высокой плотностью, прочностью, однородным размером кристаллитов с оптимальной толщиной межкристаплических прослоек и стабильными электрофизическими параметрами, а в случае формирования текстур обеспечивается управление анизотропией свойств вдоль' направления приложения давления ГП и перпендикулярно этому направлению.

В табл. 2 приведены параметры модулей датчиков с СПК, изготовленной ТТ и ГП. Видно, что технология ГП наряду с увеличением значений электрофизических параметров на 10-15° о значительно снижает разбросы пьезоэлектрических характеристик и приводит к значительному увеличению стабильности пьезоконстант при совместном воздействии статических давлений и температур. Кроме того, необратимые изменения пьезоконстант уменьшаются, как правило, на 10-15%.

подтверждается линеиными зависимостями

в отличие от

Таблица 2.

Сравнительные параметры модулей датчиков, изготовленных по методам ТТ и ГП.

Тип изделия Материал Со, пФ Ъ 5, % ¿ззЮ"12, Кл/Н Д(1зз,% Изменение ¿33 после 10-кратного воздействия, %

250°С 500°С 250°С 300°С 500°С

ТТ ГП ТТ ГП ТТ ГП ТТ ГП ТТ ГП ТТ ГП ТТ ГП ТТ ГП

ПЭСК-39-06 ЦТС-83Г 450 ±10% 465 ±3% 2 ±8% 1.6± 1% 270 ±10% 320 ±5% 9 4 -8 -5 -12 -7

ПМ-18 ТВ-3 210 ±10% 235 ±5% 1.4 ±8% 0.95 ±5% 60 ±10% 70 ±8% 8 3 -11 -6

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ приводятся результаты исследований по созданию новых материалов:

- на основе РЫ10 - РЬгЮ для различных широких применений при обычных рабочих температурах;

- на основе РЬг^С^, ЫМЬОз, и(К,№)№Оз, В^ТЮ-^ и ВтЫЬОд для работы при высоких температурах, а также рассматриваются свойства композиционных объемночувствительных материалов, в том числе пористых.

Материалы на основе ЦТС В табл. 3. приведены свойства и области применения СП К типа ЦТС (шифр ПКР), разработанных при участии автора на всех этапах создания: поисковые исследования - опытно-конструкторская разработка - мелкосерийное производство - внедрение. Эти материалы, полученные методом ГП, принадлежат составам, выбранным в ОМП и ее окрестности, что объясняет их высокие параметры для заданных применений. Наиболее полно влияние технологии ГП проявляется на свойствах СПК для устройств на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Возможность управления микроструктурой при ГП, получение плотной мелкозернистой СПК с однородным размером кристаллитов позволили создать материалы для устройств на ПАВ с малыми акустическими потерями, хорошей воспроизводимостью свойств, малой диэлектрической проницаемостью и пониженным температурным коэффициентом времени задержки (ТКЗ), что отражено в табл. 4. и работах автора [18 - 20]. Выявлено, что повышение температурной стабильности резонансной частоты (уменьшение ТКЗ) достигается использованием модификаторов, обеспечивающих высокую точку Кюри и слабую температурную зависимость продольного и поперечного упругих модулей СПК. Для одного из материалов системы ЦТС (ПКР-53; а.с. N489742) проведена оптимизация режимов получения крупногабаритных блоков [21]. Высокая технологичность материала ПКР-53 позволила изготовить на звукопроводах из высокоплотной СПК ряд радиотехнических устройств, описание которых приведено в главе 4.

Высокотемпературные материалы. В табл.5, приведены свойства высокотемпературных материалов, состав и технология получения которых защищены авторскими свидетельствами [22-26]. Наибольший интерес для перспективных применений представляет материал на основе метаниобата лития состава ШЬО + 2% стекла С5 с точкой Кюри 1200°С [27]. Этот материал, полученный

Таблица. 3.

ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ТИПА ПКР, РАЗРАБОТАННЫЕ ПРИ УЧАСТИИ АВТОРА

Материалы Метод £ /е Кр (131-1012 д31.ЮЗ 1дст-102 От К15 Примечание

NN а.с. спекания Кл/Н В-м/Н (е=5кв/м) Области применения

ПКР-1 ГП 650 0.62 95 16.5 2.0 90 0 70 Дефектоскопы, акселерометры,

(102446) приборы медицинской

ПКР-37 ГП 1400 0.68 170 13.7 1.6 105 - диагностики, системы зажигания

(102446) одноразового действия,

ПКР-5 390 0.47 50 14.5 0.40 2300 0.68 ультразвуковые л ини и

(489742) задержки.

ПКР-7 ГП 3500 0.68 280 0.1 1.5 80 - Низкочастотные

(485996) преобразователи, гидрофоны, микрофоны, системы микроперемещений, электрооптические модуляторы, приборы медицинской диагностики, дефектоскопы.

ПКР-10 ГП 380 0.47 49 14.6 2500 0.65 Акустоэлеюронные устройства.

(489742)

ПКР-3 ГП 350 0.38 37 12.0 0.50 2000 - Ультразвуковые линии

(470164) ТТ задержки.

ПКР-ЗМ ГП 420 48 - - - - Пироприемнихи

(470164) ТТ

Окончание таблицы. 3.

ПКР-11 гп 290 0.31 27 10.5 4000 0.45 Пироприемники

(469742)

ПКР-17 гп 330 0.42 40 14.3 2100 - Радиолокационная аппаратура.

(489742) телевидение, вычислительные машины.

ПКР-36 гп 410 0.25 25 6.9 0.40 3500 Высокочастотные

(489742) тт преобразователи

ПКР-53 ГП 260 0.20 16.0 7.0 0.30 4500 - Устройства на ПАВ.

(489742)

ПКР-23 ГП 900 0.58 85 10.7 0.85 1500 - Устройства, преобразующие

(489742) электрическую энергию в механическую (излучатели, пьезодвигатели), пьезотрансформаторы.

ПКР-40 ГП 185 0.074 5.0 3.1 1.2 2100 0.30 Высокочастотные фильтровые

(113573В) устройства, работающие в широком интервале температур.

ПКР-54 ГП 300 0.16 15.0 5.6 1.5 200 - Применение в высокочастотных

(1073227) устройствах.

Таблица 4.

СП К для устройства ПАВ

NN п/п Материал 4.4 Уб, м/с Кб ао, дБ/см ткз-юб.к-1 (-Ю-+70°С) Страна

1. ПКР-36 410 2440 0.12 0.8 (12 МГц) 60 РФ

3.6 (38 МГц)

2. ПКР-53 260 2440 0.15 0.8 (12 МГц) 60 РФ

3.2 (38 МГц)

3. ПКР-55 240 2600 0.15 0.5 (13 МГц) 20 РФ

2.2 (3.8 МГц)

4. ПКР-35 120 3450 0.11 1.3 (17 МГц) 130 РФ

3.7 (36 МГц)

5. РП-4 _ 2000 0.19 0.45 (4 Мгц) 50 США

Электрофизические параметры высокотемпературных материалов.

Таблица. 5.

Состав материалов Р £Т / £ гд5-102 ¿33-1012 К1 ЩКо От ТК р, ом-м

г/см3 % Кл/Н °С при °С

20 600 800 1000

РЬМЬ20б-К2ЫЬ?Об-МЬ?Ое 230 1.1 80 0.44 7.4 23 550

В1зТ1МЬ0э-В12У|Юб"1-а2Ти?07 7.51 242 0.67 9.7 _ _ 3410 890 9-105 _ _

ШЬОз+2 вес.%С5 38 1.1 12 0.2 70 1200 2-104 7-103 4-102

со

о

Таблица. 6.

■ Электрофизические параметры композиционного материала КМБ-3.

Материал г ! £"33 I £й гд5-102 Р У <1ую12 Тк 4 Кзз ¿33-1012 ¿31-1012 V0 УзЕь

% ом-м мкв-Па-1 кл/н °С кдж-м-2 кл/н кл/н м/с м/с

КМБ-3 600 2^4 10® 600 400 55±5 3.5±0.2 0.8 700ч-750 50*70 2.7 1.8

нами методом ТТ, отличается высокой стабильностью, что позволило решить проблему создания сравнительно дешевых высокочастотных преобразователей для измерения параметров вибрации и удара, работоспособных в условиях высоких температур и динамических нагрузок.

Композиционные материалы. В пьезотехнике для решения ряда научно-технических задач требуются материалы с таким сочетанием свойств, которые одновременно невозможно совместить в однородных материалах. В этом случае применяются неоднородные материалы - композиты, которые условно разделены нами на два типа: к первому отнесены композиционные материалы (КМ), представляющие собой наполненные различными сегнетоэлектриками полимеры; ко второму типу - сегнетоэлектрические керамики с управляемой пористостью.

Композиционные материалы на основе ЦТС. Для получения КМ на основе ЦТС в качестве сегнетоактивного наполнителя использовались керамические материалы типа ПКР, полученные ГП. В качестве полимерной матрицы применялись неполярные полиолефины (полиэтилен высокой плотности ПЭВЛ, полипропилен) и полярные фторуглеродистые полимеры (поливинилиденфторид ПЭДФ и Ф 42).

Основные результаты проведенных исследований состоят в том, что разработаны и защищены изобретениями [28-31] способ получения пьезоматериалов, а также пьезоэлектрическая и полимерная пироэлектрическая композиции.

Композиционные материалы на основе сульфоиодида сурьмы. Пьезоактивной частью таких КМ являются материалы на основе легированного сульфоиодида сурьмы БЬБУ, который является ярким представителем семейства сегнетоэлектриков с формулой типа А^с*". Путем легирования кристаллов сульфоиодида сурьмы в НКТБ "Пьезоприбор" разработан материал ХГС-2 с точкой Кюри до +60°С, который в дальнейшем был использован нами как пьезоактивный наполнитель при создании материала КМБ-3. В качестве связующего был выбран фенолальдегидный полимер. Кроме того, разработанный композит включает в себя дополнительную армирующую полимерную сетку, адгезионно совместимую с компонентами композита, Полученный таким образом материал является трехфазным и по известной классификации его можно отнести к композитам с типом связности 1-2-3.

На разработанный способ изготовления КМБ-3 подана заявка и получено положительное решение [32]. Выпущены комплекты технической и технологической документации (ТУ 03.15.19; ИТД ОКТБ ПП 0.027.406).

Поставлен на производство новый более эффективный по сравнению с отечественными и зарубежными аналогами материал с высокой анизотропией свойств, высокими значениями удельной объемной чувствительности к звуковому давлению и высокими коэффициентами электромеханической связи толщинных колебаний.

Свойства материала КМБ-3 (табл. 6) позволяют успешно применять его в глубоководных гидрофонах. Перспективным является широкое использование чувствительных элементов в дефектоскопии, толщинометрии, в приборах медицинского назначения.

Пористые материалы. Расширение области применения КМ с высокими значениями объемного пьезомодуля и удельной объемной

чувствительности Яу становится возможным за счет повышения точки Кюри и расширения таким образом диапазона рабочих температур. На основе анализа литературных данных разработана технология получения объемночувствительного КМ с типом связности 3-3, состоящего из двух фаз -твердой пьезоактиэной и газообразной,

В настоящей работе проведены исследования по созданию технологии производства пористой керамики, где в качестве сегнетоактивного компонента использовались ПКР-1, ЦТС-19, ЦТССт-2, а в качестве порообразователя, который возгонялся для получения пористого каркаса ЫНдМОз. Регулирование общей пористости осуществлялось изменением содержания порообразователя в исходной шихте. В табл.7 приведены параметры объемночувствительных композиционных пьезоэлементов.

Таблица 7

Электрофизические параметры объемночувствительных композиционных элементоз на основе материалов типа ЦТС.

Материал С, пф 1д5, % У. мкв/Па сЦ,1012, Кл/Н «ИОЗ, В-М/н

К^ (ПКР-1) 0 = 1см, И = 45см 11.5 3.0 1407 75 206 313

К2 (ЦТСсТ-2) 0 = 1.0см, Ь = 0.48см 46 2.4 800 318 469 167

К3 (ЦТС-19) 0 = 1.0см, 1т = 0.6см 14.6 2.1 1700 130 316 274

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ рассматриваются результаты разработок новых конструкций пьезотехнических устройств, технологий их изготовления. Дана классификация пьезоэлектрических исполнительных устройств по принципу резонансных и нереэонансных преобразователей [33]. Приводятся конструкции ультразвуковых преобразователей для датчиковой аппаратуры широкого назначения и технологии их изготовления. Показаны функциональные элементы радиотехнических устройств, разработанные на основе высокоплотной СП К.

Устройства на основе резонансных электромеханических преобразователей (схема 2) - вибродвигатели применяются в тех случаях, когда требуется маломощный привод, работающий в жестких эксплуатационных условиях, например, в космических технологических системах.

Недостатком известных технических решений является невысокая надежность и низкий коэффициент полезного действия пьозодвигателя. Новые конструкции приводов вибродвигателей, представленные в диссертации и защищенные авторскими свидетельствами [34-38], отличаются значительным увеличением ресурса работы, повышенным коэффициентом полезного действия и высоким качеством регулирования скорости вращения ротора двигателя.

Пьезоэлектрические устройства на основе нерезонансных электромеханических преобразователей (схема 2) - микропозиционеры. предназначены для работы в системах автоматического микропозиционирования, например, в адаптивной оптике, растровых микроскопах, точном приборостроении. Работа монолитного устройства основана на поперечном пьезоэлектрическом эффекте. Известные конструкции с поперечным пьезоэффектом либо не обладают достаточной жесткостью (с электромеханическими преобразователями в виде тонких пластин), либо нетехнологичны (с цилиндрическими активными элементами). Новое исполнительное устройство [39], представляющее собой монолитный керамический брус с крестообразным поперечным сечением, имеет высокую механическую прочность, что позволило создать активный элемент с весьма высоким, недостижимым в других конструкциях отношением длины к толщине стенки - до 200. Это определило исключительно высокую чувствительность преобразователя - свыше 60 нм/В.

Достоинства нового активного элемента полностью реализованы в конструкции деформируемых зеркал (ДЗ), используемых в качестве фазовых корректоров волнового фронта в адаптивной оптике. При этом достигнута основная цель: расширение диапазона изменения фазы и, следовательно,

Схема 2.

Классификация новых исполнительных устройств для систем автоматического регулирования

увеличение абсолютной деформации зеркала путем повышения его чувствительности и высокое быстродействие. Предложена методика расчета зависимости деформации адаптивного зеркала от напряжения управляющего сигнала, которая применена при создании экспериментальных образцов адаптивных зеркал инфракрасного и оптического излучения [40]. Новое изделие (рис. 7) представляет собой цольнокерамическую структуру, все составные части которой: деформируемая гибкая пластина, активные элементы и основание - изготовлены из крупногабаритных блоков высокоплотной СПК, что существенно повышает температурную стабильность деформируемого зеркала. Основные технические характеристики новых адаптивных зеркал приведены в таблице 8.

Кроме продольной деформации монолитного крестообразного бруса, возможен его изгиб в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Таким образом обеспечивается перемещение острия пьезоманипулятора по трем координатам в сканирующем туннельном микроскопе (С.Т.М.). Высокая чувствительность и разрешающая способность этого исполнительного устройства позволили достичь на С.Т.М. атомного разрешения при исследовании поверхности твердого тела [41].

Рис. 7

Монолитное пьеэокерамическое адаптивное зеркало в сборе

Таблица 8

Технические характеристики пьезокерамических адаптивных зеркал

Характеристика Тип адаптивного зеркала

АЗ-1 АЗ-2

1. Диапазон Видимый Инфракрасный

2. Диаметр зеркала, мм 60 90

3. Количество каналов 76 88

4. Расстояние между осями активных элементов, мм 6 8

5. Максимальная деформация, мкм 2.6 10.6

6. Максимальная рабочая частота, кГц 8 6

7. Интервал рабочих напряжений, В 0+600 0+600

Конструкторские и технологические идеи, лежащие в основе описанных выше исполнительных устройств с крестообразным сечением, получили развитие при создании трехкоординатного и шагового исполнительных устройств, которые защищены авторскими свидетельствами [42, 43]. Новые разработки применяются в микроманипуляторах для медикобиологических исследований и адаптивной оптики.

К перечисленным пьезоэлектрическим устройствам в некоторых случаях предъявляются дополнительные технические требования. В частности, в системах автоматического регулирования летательных объектов необходимо снижение управляющего напряжения и массогабаритных характеристик, а в оптических фазовых модуляторах требуется расширение интерзала рабочих частот. Решение этих задач стало возможным путем создания многослойных микропозиционеров. В результате проведенных исследований [44, 45] создана конструкция, разработаны методика расчета и технология изготовления многослойных пьезоэлектрических двигателей типа МПП-1, обладающих высокой жесткостью и, следовательно, высокой частотой собственных колебаний. В табл. 9 приведены технические характеристики многослойного силового пьезопризода МПП-1.

Многослойные приводы применены в высокочастотном адаптивном зеркале, в системо активной виброзащиты растрового туннельного микроскопа, в шаговом исполнительном устройстве для юстировки зеркала телэскопа. Возможно значительное расширение области применения многослойных исполнительных устройств, позволяющих в широких пределах изменять развиваемое усилие или перемещение рабочего органа.

Таблица 9

Технические характеристики многослойного силового пьезопривода МПП-1.

№ № пп Наименование Значения

1. Управляющее напряжение, В 0+300

2. Максимальная деформация в свободном состоянии, мкм, не менее 50

3. Деформация при работе на упругую негрузку с жесткостью 40 Н/мкм, мкм, не менео 25

4. Электрическая емкость, мкф, не более 4.0

5. Частота первого резонанса, кГц, не менее 20.0

6. Жесткость привода, Н/мкм, не менее 100.0

7. Возможен нагрев привода до температуры 800аС с | последующей поляризацией !

8 Габариты: диаметр, мм высота, мм 18 60

В ходе наших исследований экспериментальных образцов зеркал с управляемой формой поверхности выявилась актуальность проблемы юстирования устройств адсгттианой оптики. Механические котировочные устройства не обеспечивают необходимой точности и быстродействия, поэтому широкое применение нашли пьезоэлектрические электромеханические преобразователи, использующие продольный и поперочкый обратный пьезоэффект, в том числе и описанные выше пьезопреобразователи с крестообразным поперечным сечением. Пьезоэлектрические преобразователи обеспечивают прецизионную коррекцию положения и формы оптических устройств, в том числе динамических искажений. Однако, для поддержания рабочего органа в определенном положении необходимо поддерживать постоянной длину пьезоэлементов и, следовательно, поддерживать постоянное управляющее электрическое поле, приложенное к пьеэоэлементу. Это требует постоянной работы сложного электронного оборудования, что снижает надежность устройства и приводит к низкому коэффициенту полезного действия, особенно - в случав статической юстировки рабочего органа, когда требуется

запоминание его положения. Это стало возможным после создания нами твердотельного исполнительного устройства с запоминающей электромеханической характеристикой [46]. Основой такого устройства выбраны полярные материалы, которые могут быть переведены из сотетоэлектричсской фазы в антисегнетоэлекгрическую. Выполнение электромэханичсского преобразователя из такого материала и применение цифрового управления преобразователем позволяет использовать два устойчивых механических состояния материала для получения линейной электромеханической характеристики с запоминанием длины электромеханического преобразователя и положения рабочего органа.

ч!

Ж

ЙГ

Рис. 8.

Схема твердотельного исполнительного устройства.

Исполнительное устройстсо (рис. 8) содержит электромеханический преобразователь 1, гродстазляющий собой керамическое тело с нанесенными на него управляющими электродами; этот преобразозатель разделен промежутками между электродами на секции 2,3,4, длины которых находятся в отношении 1:2, т.о. ¿2 /е3 = ¿3/¿4 = 1:2 и размещен между основанием 5 и рабочим органом 6. Керамическое тело электромеханического преобразователя изготовлено из антисегнатоэлектричзского материала на основе твердого растзсра сложных оксидов одного из составов системы цирконата-титаната-станната свинца. Формирователь управляющего электрического поля 7 содержит анапего-цифрозой преобразователь управляющего

сигнала в цифровой код 8, регистр 9, состоящий из триггеров 10, число которых равно числу разрядов цифрового кода, и электронные ключи 11, 12. Вход аналого-цифрового преобразователя 8 подключен к источнику управляющего сигнала, входящему в систему управления 13, о выходы подключены к информационным входам триггеров регистра 10. Прямой и инверсный выходы каждого триггера 10 подключены к управляющим выводам электронных ключей 11, 12, включенных между соответствующей секцией электромеханического преобразователя 1 и внешними источниками напряжения 14,15, разной полярности.

Фактически нами создан новый тип твердотельного устройства -механический цифровой регистр. В режиме запоминания отключено высоковольтное электронное оборудование, что существенно увеличивает надежность и экономичность исполнительного устройства. Технические преимущества такого устройства позволяют использовать его в системах автоматического регулирования с жесткими требованиями к надежности и экономичности, например - в космической технике.

Пьезопреобразователи для чувствительных элементов датчиковой аппаратуры. Особенностью работы пьезокерамических преобразователей в датчиковой аппаратуре для информационно-измерительных систем (датчики вибрации, быстропеременного давления, акустические датчики) является одновременное воздействие на чувствительный пьеэоэлемент (ЧЭ) высоких температур, сильных статических и переменных давлений, высоких уровней вибрации. В то же время пьезокерамический ЧЭ. будучи основным преобразующим звеном, должен сохранить свои метрологические характеристики. Традиционные конструкции ЧЭ выполняются путем склейки отдельных элементов и токосъемников. Это приводит к ограничению температурного диапазона работы, снижает стабильность параметров во времени и надежность в эксплуатации.

Улучшение метрологических характеристик пьезоэлектрических датчиков достигалось путем создания монокерамических многослойных конструкций ЧЭ в виде пакета, состоящего из набора высокоплотных пьезоэлементов, соединенных между собой вибро-термо-компрессионной сваркой.

В табл. 10 представлены основные технические данные ЧЭ на базе высокоплотной СПК, которые внедрены в аппаратуру вибрационно-измерительных и аварийно-защитных систем ракетно-космической техники [47].

Таблица 10

Характеристики высокотемпературных компрессионных элементов для датчиков вибрации и пульсации давления.

Наим. Матер Т° раб. Чувств, по зар. ¿33. пКл/Н Электр, емкость Со.пФ Яиз при раб.Т, Ом Измен, ¿зз. от т.%, град Примечания

ПМ-8-М (2 слоя) ТНВ ГП 700° 25±2 20±2 104 0.015 Количество слоев рабочих в конструкции обусловлено требованиями к Р?из.

ПМ-16 (4 слоя) ТВ-3 ГП 600° 60±5 80±5 104 0.015

В нашей работе [43] рассмотрена возможность создания некоторых типоэ пьозокерамических датчиков физических величин на ПАВ, где в качестве ЧЭ датчикоз электрического напряжения и температуры использовались линии задержки (ЛЗ) ПАВ, выполненные на звукопроводах из высокоплотной СП К типа ПКР (ПКР-36, ПКР-53, ПКР-1).

Пьезокерамические датчики электрического напряжения на ПАВ получены более высокой чувствительностью (50 - 1000 Гц/в) по сравнению с монокристаллами кварца и нисбата лития в широком диапазоне измеряемых напряжений (±3 кВ), малыми габаритами, высоким входным сопротивлением НО12 Ом) и устойчивостью к перегрузкам по входу, что выгодно отличает их от существующих электрометрических и полупроводниковых аналогов.

Разработанные датчики температуры на ПАВ на основе пьезокерамических ЧЭ обладали высокой чувствительностью (5003000 Гц/град, в зависимости от рабочей частоты и используемого материала СПК) при удовлетворительной линейности рабочих характеристик (отклонение от линейности в диапазоне температур -10°++70°С не хуже 2°С).

Ультразвуковые широкополосные пьезопреоброзователи на основе композиционных материалов.

Высокие качества разработанных нами ультразвуковых преобразователей на основе СП К для дефектоскопии неметаллических материалов [49] могут бьпъ значительно улучшены оптимальными характеристиками демпфера пьезоэлемента.

В настоящей работе предлагается принципиально новая технология изготовления демпфированных пьезопреобразователей, работающих как в области низких (1-196°С), так и в области высоких (до +30Ск500°С) температур . В результате проведенных исследований разработана технология изготовления преобразователей с заданной переменной плотностью по объему, защищенная патентом РФ на изобретение [50], которая в том, что заготовки демпфера и активного элемента изготавливают из пьезокерамического материала одного и того же состава. При формировании заготовки демпфера в его материал вводят органическую добавку, затем сопрягают заготовки в области нулевой концентрации органической добавки в демпфере, и обеспечивая равномерный градиент концентрации добавки вдоль продольной оси демпфера, спрессовывают заготовки и подвергают термообработке, после чего осуществляют поляризацию заготовки активного элемента. Регулируя концентрацию вводимой в материал демпфбра органической добавки, получают заданные значения параметров. На рис. 9 изображен пьезопреобразователь и значения скорости звука (Узв.), плотности (р) и концентрации органического вещества (Масс. %), изменяющиеся по длине преобразователя.

На основе данного изобретения разработаны:

1) чувствительные элементы для датчиков (шумомеров) системы диагностики энергетических установок (ПЭСДД 26.00.00.071).

Датчики такого типа обладают комплексом рекордно высоких характеристик по температуре, полосе частот и чувствительности, что позволяет с комплектом соответствующей аппаратуры непосредственно на функционирующих системах лоцировать зарождающиеся трещины с погрешностью не более 15 мм на расстоянии до 10 м.

2) монолитные матричные акустические пьезопреобразователи ММАП (ЛМПП 26.00.00.075 ТУ) для ультразвуковых эхотомоскопов с электронным сканированием, применяемые в медицинской диагностике (частоты 1,25, 2,5; 3,5; 5 МГц).

Реализация метода электронного сканирования в ультразвуковых эхотомоскопах сопряжена с задачей создания фазированной решетки (ФР), работающей в мегагерцовом диапазоне ультразвуковых частот.

длина

Рис. 9

Пьезопрсобразователь с активным элементом и демпфером.

1 - активный элемент, 2 - электроды, 3 - демпфер

Разработанные нами ФР типа ММАП [51,52] выполнены в виде моноблока, состоящего из 32-х или 64-х пьеэочувствительных элементов, расположенных на поверхности общего демпфера с монотонно убывающим по глубине импедансом. Коммутация каждого отдельного элемента матрицы выведена на боковую поверхность демпфера. ММАП типа ФР обладают высокой технологичностью и механической прочностью по сравнению с существующими в настоящее время аналогами [47].

3) пьезопреобразователи (ПЭСДА 26.00.00.085 ТУ) для ультразвуковой эхолокации в полосе частот 15-300кГц в различных средах (воздух, жидкость, бетон) с заданным низким акустическим импедансом в пределах от 3.2-106 до 9-106 Пас/м3 с соотношением коэффициентов электромеханической связи Кт/Кр 5 и механической добротностью 0т=5;20;

4) пьезопреобразователи для аудиометра, обеспечивающего диагностику нарушений слуха при костном ззукопрозедении.

Конструктивно пьезопреобразователь выполнен из пористой керамики, у которой практически отсутствуют планарные колебания. Механическая добротность От в зависимости от степени пористости имеет значения 5-30, а

скорость звука Узв. находится в пределах 0,8-3 км/с. Для усиления эффективности работы пьезопреобразователя толщины отдельных пьезоэломентов подбираются таким образом, чтобы основная резонансная частота одного элемента совпадала с частотой резонанса 1-го обертона другого пьезоэлемента. Коммутируя активные слои между собой, а также парами, получают требуемую характеристику преобразователя в диапазоне частот от 8 до 300 кГц.

Функциональные элементы радиотехнических устройств на основе высокоплотной СПК.

Наши исследования проводились в области конструирования и практического применения базовых элементов радиотехнических устройств -акустоэлоктронных радиокомпонентов в части создания полосовых фильтров на ПАВ и вторичных источников питания (ВИП) на основе пьезотрансформаторов (ПТ)-

Интерес к полосовым фильтрам на ПАВ обусловлен их сбрийной потребностью для бытовой электроники и телевизионной техники.

В нашей работе [21] в качестве материала звукопровода фильтров использовались высокоплотные СПК типа ПКР, что позволило за счет низкой скорости ПАВ в керамике уменьшить габариты звукопровода и существенно снизить стоимость фильтра.

При создании фильтров ПЧ УКВ ЧМ - траста для стереоприемников высшего класса использовались звукопроводы из высокоплотной пьезокерамикн ПКР-36. Полученные фильтры имеют линейную фазочастотную характеристику в полосе частот 10,6 - 10,8 Мгц и существенно превосходят по основным параметрам аналогичные фильтры, изготовленные на звукопроводах из пьезокерамики ЦТС-42 и оксида цинка на стекле и кремнии.

В качестве звукопровода для изготовления фильтров УПЧИ (38 Мгц) использовалась горячепрессованная пьезокеромика ПКР-53. Опытная партия фильтров соответствовала требованиям технических условий и успешно прошла испытания в телевизионных приемниках.

Перспективным направлением в решении проблемы миниатюризации устройств автоматики и вычислительной техники является использование в ВИП пьезотрансформаторов.

Однако, существующие технические решения ВИП на базе ПТ имеют недостаток - сложные схемные решения для обеспечения стабильности выходного напряжения; малый КПД и, как следствие этого, невозможность обеспечения передачи большой мощности при фиксированных размерах ПТ. Нашими исследованиями показано [53], что повысить КПД возможно

специальным расположением электродов входной и выходной секций ПТ. В настоящей главе приведен расчет размеров и расположений электродных зон, обеспечивающих максимальные значения КПД и передаваемой мощности при фиксированных значениях пьезокерамического диска. В соответствии с полученными расчетными данными был изготовлен ВИП на базе пьезокерамического диска из ПКР-8 с размерами 0 50мм и толщиной 1мМ. Измеренные значения КПД и передаваемой мощности составили 0,97 и 50 вт, соответственно.

Рис. 10.

Пьезоэлектрический трансформатор с управляемым коэффициентом трансформации.

Расширить функциональные возможности ВИП стало возможным с помощью разработанного нами ПТ с управляемым коэффициентом трансформации [54]. Такой ПТ содержит секцию возбудителя 1, изготовленную из традиционной сегнетожесткой СПК, поляризованной по толщине пластины, первую секцию генератора 2, изготовленную из СПК с размытым фазовым переходом, и вторую секцию генератора 3, изготовленную из сегнетожесткой СПК, поляризованной по длине пластины (рис. 10).Такая конструкция ПТ в сочетании с несложной электронной схемой позволяет получить линейную регулировочную характеристику, что дает возможность эффективно применять твердотельный трансформатор в ВИП, отличающийся высокой стабильностью выходного напряжения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Проведены комплексные исследования и разработки новых конструкций пьезокерамических устройств для систем радиотехники, автоматики и связи, разработаны высокоэффективные сегнетоэлектрические материалы и оптимальные технологии их получения, создано технологическое оборудование, организовано производство высокоплотной СП К, композиционных материалов и пьезоэлектрических преобразователей.

В результате проведенных исследований и разработок:

1. На основе высокоэффективной СПК созданы новые пьезокерамические устройства:

- исполнительные устройства для прецизионного позиционирования технологических систем ракетно-космической техники (вибродвигатели);

- ряд исполнительных устройств микроперемещений на базе монолитного с высокой механической прочностью и жесткостью активного преобразователя в виде стержня крестообразного сечения с недостижимыми в других конструкциях отношением длины к толщине стенки до 200, что определяет его исключительно высокую чувствительность - свыше 60 нм/В. Достоинства нового активного элемента полностью реализованы в стыковочных узлах волоконно-оптических систем и конструкциях пьезокерамических деформируемых зеркал, используемых в качестве фазовых корректоров волнового фронта адаптивных оптических систем спутниковой связи и оптической локации:

- принципиально новое твердотельное исполнительное устройство с запоминающей электромеханической характеристикой для систем автоматического регулирования космических аппаратов;

- преобразователи для чувствительных элементов датчиковой аппаратуры:

а) керамические многослойные элементы с высокими эксплуатационными параметрами, не уступающие лучшим зарубежным аналогам для аппаратуры вибрационно-измерительных и аварийно-защитных систем;

б) линии задержки на ПАВ, выполненные на звукопроводах из высокоплотной СПК типа ПКР для датчиков физических величин;

- принципиально новая конструкция монолитного демпфера с управляемой плотностью для акустических преобразователей в устройствах неразрушающего контроля и ультразвуковой медицинской аппаратуры,

функциональные элементы радиотехнических устройств на звукопроводах из высокоплотной СПК типа ПКР:

а) звукопроводы для полосозых фильтров на ПАВ ПЧ УКВ ЧМ - тракта стереоприемникоз высшего класса и УПЧИ телевизионных приемников;

б) экономичные компактные вторичные источники питания на базе новых конструкций пьезотрансформатороз с увеличенным КПД и мощностью, а также с управляемым коэффициентом трансформации на сегнетоэлектрике с размытым фазозым переходом.

Новые устройства защищены А.С. NN 1157999, 1381291, 1187670, 1412550, 1290983, 1517698, 249553, патентами РФ NN 1781844, 2038656, 2047199.

2. На основе системного анализа формирования свойств СПК установлены связи химический состав • атомная структура - надатомная структура - физические свойства пьезопреобразователей и выяснены особенности оптимизации электрофизических характеристик и прочности СПК.

3. Обоснован выбор в многокомпонентных системах на основе ЦТС составов СПК, устойчивых к комплексному воздействию дестабилизирующих факторов в области обычных рабочих температур: такие составы занимают на фазовых диаграммах многокомпонентных систем ромбоэдрическую Р и тетрагональную Т-области вблизи ОМП в границах, не содержащих фазовых переходов в области рабочих температур. Разработаны соответствующие высокоплотныэ керамические материалы, материалы пористые и композиционныо. На основе сегнетоэлэктрикоз с высокими температурами фазового перехода в параэлекгрическую фазу разработаны материалы с высокими рабочими температурами и технология их производства.

Новые материалы защищены 46 авторскими свидетельствами, в том числе 10 изобретений на материалы внедрены в производство: А.С. NN 470164, 485996, 489742, 1000439, 1022446, 1073227, 1135736, 1154227, 1092651, 14399467.

4. Разработана технология получения СПК на основе суперпозиции требований к совершенной керамике: минимизации дефектов и остаточных напряжений на всех уровнях, определяющих качество сегнетопьезоэлектричоских преобразователей и экспериментально установленных корреляций с размерами кристаллитов СПК:

- характера двойниксвания кристаллитов,

- остаточных механических напряжений,

- способностью поляризоваться в электрических полях.

Эта технология является трехпарамотричоской т, р) технологией формирования оптимальной надатомной структуры в условиях квазиодноосного и квазиизостатического горячего прессования, которая

позволяет получать высокоплотную и прочную СПК с заданными электрофизическими параметрами, в том числе текстурированную.

5. Создано специальное технологическое оборудование для экспрессного получения поисковых образцов СПК, исследования кинетики спекания (УССК-1 и УССК-2) и для производства СПК в виде высокоплотных крупногабаритных блоков, что позволило разработать новые способы получения крупногабаритных блоков СПК, защищенные A.C. NN 629196, 769959, 810639, 1187408, 1286576, 1403562. Оборудование и технология получения крупногабаритных блоков переданы в промышленность и научные учреждения.

Суммарный подтвержденный экономический эффект от внедрения результатов работы составляет более 500 млн. рублей.

Совокупность изложенных в диссертации исследований и разработок, научных положений и выводов дает вклад в создание нового направления в пьезотехнике, имеющего важное значение для развития приоритетных отраслей промышленности - пьеэокерамического приборостроения, включающего в себя разработки новых конструкций пьезопреобраэователей,датчиков, исполнительных устройств оптической связи, пьезоэлектронных устройств автоматики и радиотехники.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В основе развития пьеэокерамического приборостроения лежит:

1) Создание новых пьезоэлектрических материалов, преобразователей и технологий, как основы элементной базы радиотехнических, телекоммуникационных и вычислительных средств.

2) Разработка и освоение в производстве пьезоэлектронных устройств в соответствии с современными требованиями военной техники и потребительским спросом на рынке радиоэлектронной продукции промышленного и бытового назначения.

В соответствии с этим будет расширяться поиск новых пьеэоматериалов с высокой точкой Кюри (свыше 1200йС), анизотропных сегнетоэлектрических материалов с высокой стабильностью пьезоэлектрических свойств и элементов типа сегнетоэлектрик-полупроводник, феррит-сегнетоэлектрик и др.

К настоящему времени специалистами ВНИИХТ и НПО "Алмаз" впервые в мире уже создана экологически чистая, малоотходная, управляемая и реализованная в промышленном масштабе технология получения пьезокерамического материала путем совместного осаждения гидрооксидов из раствора. Материалы, полученные по этой технологии, обладают активностью, высокой гомогенностью и однородностью; в НКТБ "Пьезоприбор" создана и нашла промышленное использование высокопроизводительная экологически чистая технология безмаслянной поляризации; в АО "Элпа" разработана непрерывная линия горячего формования СПК, позволяющая получать элементы с плотностью выше, чем при обычном спекании и с производительностью больше, чем при ГП.

Дальнейшее совершенствование технологии получения СПК должно идти по пути создания пьезокерамики с высокой прочностью, стабильностью и предельными пьезоэлектрическими параметрами. Для этого потребуется разработка методов получения порошков изометрических кристаллитов заданного размера и методов их спекания.

Достижения в области сешетопьезоэлектрического материаловедения стимулировали появление оригинальных идей и технических решений в части создания новых пьезоэлектрических приборов, датчиков и функциональных устройств радиотехники и связи. Это предопределило и потребительский спрос на такие изделия, как электронные системы безопасности и надежности промышленных и бытовых объектов, автомобильного транспорта, системы предупреждения катастроф и аварий, сегнетоэлектрические схемы памяти ОЗУ в сотовых системах связи, высокотемпературные датчики давления для двигателей внутреннего сгорания и т.д. Дальнейшее расширение спектра применений СПК очевидно и в его развитии представляется необходимым формирование полного банка данных средств пьезоэлектрического приборостроения с соответствующей классификацией по наиболее важным признакам применения и конструктивным особенностям.

ЛИТЕРАТУРА

1. Hazen R.M. Perovskites. // Scientific American. - 1988. - N8. - p.36.

2. Фесенко Е.Г., Данцигер А.Я., Разумовская O.H. Новые пьезокерамические материалы,- Ростов-на-Дону:Изд-во РГУ.1983-160с.

3. Панич А.Е. Системный анализ структурных и технологических особенностей пьезокерамики.

II Зарубежная радиоэлектроника. 1996. N6 вып. 2 "Пьезокерамическое приборостроение', с. 16-24

4. Давидонков H.H. Об остаточных напряжениях .//Заводская лаборатория. 1935 -t.IV, N6-c.688-698.

5. Панич А.Е., Куприянов М.Ф. Физика и технология сегнетокерамики. -Ростов-на-Дону: Иэд-во РГУ, 1989.-180с.

6. Kuprijanov М, Konstantinov G., Panich A. Ferroelectric morphotropic reqions in the Solid Solution Systems. Ferroelectrics, 1392, vol.127,pp77-82

7. Исупов В.А. Об изменении фазового состава пьезокерамики типа ЦТС под влиянием электрического поля и механических напряжений.

И Диэлектрики и полупроводники. - Киев, 1981. - В19. - с.3-6.

8. Куприянов М.Ф., Константинов Г.М., Панич А.Е. Свгнотоэлектричвскио морфотропные переходы .-Ростов-на-Дону: Иэд-во РГУ, 1992.-245с.

9. Зацаринный В.П. Прочность пьезокерамики. Ростов-на-Дону, 1978.140с

10. A.C. N1368712 (СССР) Способ испытания образцов материалов на фаэопереходную усталость / Зацаринный В.П., Плахотников Ю.Г., Фесенко Е.Г., Бондаренко Е.И., Панич А.Е. -1981.

11. Панич А.Е, Получение и исследование многокомпонентных твердых растворов оксидов со структурой типа перовскита.// Канд.диссертация. -Ростов-на-Дону,1979.-160с.

12. Мальцев В.Т., Гольцов Ю.И. Кинетические закономерности спекания керамики с участием жидкой фазы.

- Изв. АН СССР. Сер. "неорг. мат.- 1979. - т.15. - N5. - с. 880.

13. P.Murray, D.T.Livcy and J.C.Williams "Горячее прессование керамики" часть 17 с.147-171 в кн. Процессы формирования керамики

(под ред. W.D.Kingery) Нью-Йорк 1958 235с.

14. A.C. N1286576 (СССР) Способ изготовления высокоплотной пьезоэлектрической керамики / Фесенко Е.Г., Завьялов В.П., Клевцов А.Н., Филипьев B.C., Панич А.Е., Разумовская О.Н. - 1985.

15. A.C. N629196 (СССР) Способ изготовления высокоплотной пьезоэлектрической керамики / Фесенко Е.Г., Клевцов А.Н., Панич А.Е., Завьялов В.П. - 1977.

16. A.C. N769959 (СССР) Способ горячего прессования пьезоэлектрической керамики / Фесенко Е.Г., Панич А.Е., Резниченко Л.А., Клевцов А.Н., Разумовская О.Н., Бондаренко B.C., Стембер Н.Т. - 1985.

17. A.C. N810639 (СССР) Способ изготовления керамических изделий из ниобатоз щелочных металлов / Панич А.Е., Гольцов Ю.Н., Фесенко Е.Г., Бондаренко B.C., Клевцов А.Н., Мальцев В.Т. -1978.

18. Панич А.Е., Рыбянец А.Н., Турик A.B. Технология получения пьезокерамичсских материалов для устройств на ПАВ

// III Всесоюзная конференция по физико-химическим основам технологии сегнетоэлектрических и родственных материалов: Тез. докл. (г. Звенигород) - М.:Наука, 1938. с.123.

19. Панич А.Е., Рыбянец А.Н., Турик A.B. Технология получения пьезокерамических материалов для устройств на ПАВ

II III Конференция по технологии сегнетоматериалсз:

- Звенигород, 1989. с. 123.

20. Турик A.B., Панич А.Е., Хасабова Г.И., Дудок Ю. Сегнотоэлестричоскио материалы для устройств на поверхностных акустических волнах // Акустика молекулярная и квантовая

- Варшава - 1993 -1.14 - с.1-12.

21. Разработка конструкции и технологии изготозления пьезокерамических фильтров ПЧ на ПАВ для телевизионных

приемников: Отчет о ОКР/ОНИЛ ПАВ РГУ - N2745-P0CT0B-Ha-fl0Hy,1988.

22. A.C. N1203078 (СССР) Пьезоэлектрический керамический материал / Фесенко Е.Г., Филипьев B.C., Разумовская О.Н., Чернер Я.Б., Рудковская Л.М., Завьялов В.П., Молчанова P.A., Крыштоп В.Г., Панич А. Е., Сервули В.А.

23. A.C. N1261930 (СССР) Пьезоэлектрический керамический материал

/ Кутузова Т.К., Фрейденфельд Э.Ж., Иокста Э.А., Пустовалова Т.И., Панич А.Е. - 1984.

24. A.C. N10732237 (СССР) Пьезоэлектрический керамический материал / Фосенко Е.Г., Данцигер А.Я., Разумовская О.Н., Дергунова Н.В., Панич А.Е., Клевцов А.Н., Завьялов В.П., Сервули В.А. - 1982.

25. A.C. N1242485 (СССР) Пьезоэлектрический керамический материал / Кутузова Т.К., Кекля Е.Р., Фрейденфельд Э.Ж., Панич А.Е., Пустовалова Т.И. - 1984.

26. A.C. 1258035 (СССР) Пьезоэлектрический керамический материал

/ Фесенко Е.Г., Чернышков В.А., Резниченко Л.А., Разумовская О.Н., Клевцов А.Н., Гринева Л.Д., Дергунова Н.В., Панич А.Е. -1984.

27. Panich A., Smotrakov V., Eremkin V., Polonskaya A.

LiNbOg, prepared according to the traditional ceramic technology. Ferroelectrics, 1994,164, pp189-193.

28. A.C. N1358237 (СССР) Способ получения пьезоэлементов из полимерных композиционных пьезоматериалов

I Шахтантинский М.Г., Гусейнов Б,А., Курбанов М,А.,Панин А.Е., Рамазанов М.А., Мамедов А.И., Нуриев М.А., Гарагашов A.A., Атакишиев Н.Г., Кулиев М.М. -1984.

29. A.C. N1240305 (СССР) Пьезоэлектрическая композиция

/ Шахтантинский М.Г., Панич А.Е., Гусейнов Б.А., Курбанов М.А., Данцигер А.Я., Газарян Ю.Н., Утнасин В.К., Дмитриев Ю.И., Рамазанов М.А., Разумовская О.Н. • 1984.

30. A.C. N1391392 (СССР) Полимерная пироэлектрическая композиция / Шахтантинский М.Г., Мамедов А.И., Гусейнов Б.А., Курбанов М.А., Панич А.Е., Новицкий Е.З., Газарян Ю.Н., Данцигер А.Я., Феронов А.Д., Нуриев М.А., Гулиев А.О. - 1984.

31. A.C. N1391392 (СССР) Пироэлектрическая полимерная композиция / Шахтантинский М.Г., Гусейнов Б.А., Мамедов А.И., Панич А.Е., Курбанов М.А., Газарян Ю.Н., Гарагошев A.A., Рамазанов М.А., Нуриев М.А., Гулиев А.О., Атакишиев Н.Г. - 1985.

32. Заявка N5100588/33 от 11.07.91 на выдачу патента на изобретение (РФ). Пьезоэлектрический композиционный материал КМБ-3 / Панич А.Е., Вусевкер Ю.А., Кирьянова H.A., Воронцов A.A., Артеменко Г.В.

- Решение о выдаче патента РФ от 8.09.92 г.

33. Панич А.Е. Пьезоэлектрические исполнительные устройства в системах автоматического регулирования

II Зарубежная радиоэлектроника. 1996. N9 вып. 2 "Пьезокерамическое приборостроение", с. 57-63

34. A.C. N1381291 (СССР) Привод линейного перемещения

/ Абрамов В.Г., Волков A.A., Осокин C.B., Панич А.Е., Хохлов Ю.А.-1988

35. A.C. N1187670 (СССР) Вибродвигатель /Абрамов В.Г., Бансявичус Р., Абрамов A.A., Драенков А.Ф., Котов A.B., Панич А.Е., Филиппова И.А., Житомирский Г.А. - 1985.

36. A.C. N1412550 (СССР) Вибродвигатель. / Житомирский Г.А., Иванова A.C., Морозов Г.А., Панич А.Е., Фесенко Е.Г., Абрамов В.Г., Волков A.A. - 1988.

37. A.C. N1157999 (СССР) Пьезоэлектрический двигатель / Абрамов В.Г., Бансявичус Р., Волков A.A., Кудрук Ю.В., Осокин C.B., Романов B.C., Панич А.Е.-1982.

38. A.C. N1547659 (СССР) Пьезодвигатель вращательного движения. Зацаринный В.П., Акопьян В.А., Рожков Е.В., Панин А.Е., Пак Г.Н., Дулькин Е.А., Федоров C.B. - 1989.

39. A.C. N1290983 (СССР) Электрострикционное исполнительное устройство. / Абрамова И.А., Житомирский Г.А., Панин А.Е., Фесенко Е.Г., Коршунов А.И. - 1986.

40. Поиск и исследование технических путей создания монолитного зеркала с управляющей формой поверхности для информационных систем инфракрасного диапазона на основе высокостабильных пьезокерамических и новых конструкционных материалов:

Отчет о НИР / НКТБ "Пьезоприбор" при РГУ. - Ростов-на-Дону, 1993

41. Адамчук В.К., Ермаков A.B., Любинецкий И.В., Житомирский Г.А., Панич А.Е. Сканирующий туннельный микроскоп на основе монолитного пьезоэлемента крестообразного сечения

//ПТЭ.- 1989-N5. с. 182

42. A.C. N1517698 (СССР) Исполнительное устройство / Морозов Г.А., Житомирский Г.А., Иванова Л.С., Панич А.Е., Фесенко Е.Г. -1989

43. A.C. N249553 (СССР) Электрострикционный привод адаптивного зеркала. Алексеев В.А., Фесенко Е.Г., Житомирский Г.А., Еремеев Г.И., Коршунов А.Н., НарусбекЭ.Н., Панич А.Е., Черненко В.М.-1987.

44. Суровьяк 3., Панич А.Е., Дудкевич В.П. Тонкие сегнетоэлектрическио пленки - Ростов-на-Дону : Иэд-во РГУ; 1994,- 192 с.

45. Исследование путей создания монолитной пьезокерамической подложки и высокостабильных сервоприводов для заданной деформации профиля гибкой пластины из молибденового сплава и цветных металлов:

Отчет о НИР/ НКТБ "Пьезоприбор" при РГУ - Ростов-на-Дону, 1990.

46. Патент РФ N2047199 от 20.10.93. Твердотельное исполнительное устройство. /Житомирский Г.А., Панич А.Е./

47. Создание, освоение и производство высокоэффективных пьезоматериапов и пьезопреобразозателей для средств измерений различных физических процессов и систем диагностики изделий Минобщемаша СССР:

Отчет о НИР/ НКТБ "Пьезоприбор" при РГУ, Ростов-на-Дону, 1991.

48. Рыбянец А.Н., Хасабова Г.И., Панин А.Е. Использование пьезокерамических чувствительных элементов в датчиках на ПАВ. II Материалы конференции "Акустоэлектронныо устройство обработки информации на поверхностных акустических волнах"

(г. Черкассы, 6-8 сентября 1990 г.) - М., 1990., с. 342.

49. Шадов А.Ф., Черный З.Д., Лимарчук A.C., Прудько Н.И., Панич А.Е. Ультразвуковые преобразователи для дефектоскопии неметаллических материалов. - Материалы трудов Н-ой национальной конференции по диагностике машин и сооружений нсразрушающими методами контроля. Варна. 1990.

50. Патент N1781844 (РФ) Пьезоэлектрический преобразователь и способ его изготовления. / Доля В.К., Вусевкер Ю.А., Ладакин Г.К., Панич А.Е. -1990

51. разработка технологии изготовления фокусирующих модульных многоэлементных акустических пьезопреобразователей:

Отчет о НИР IНКТБ "Пьезоприбор" при РГУ. - Ростов-на-Дону, 1993.

52. Панич А.Е., Вусевкер Ю.А., Горин A.B. и др.

Монолитные акустические преобразователи для ультразвукового диагностического оборудования.

Тезисы докладов научно-технической конференции "Керамика в народном хозяйстве" стр. 94-96, г.Ярославль, 1994.

53. Патент РФ N2038656,1994. Вторичный источник питания. / Копелович М.Б., Сокалло А.И., Доля В.К., Панич А.Е, Чеботаренко О.Б./

54. A.C. N1491291 (СССР), 1989. Твердотельный трансформатор/ I Царева Е.П., Житомирский Г.А., Иванова Л.С., Панич А.Е., Фесенко Е.Г./

ГКД Г Г Л "Южгеологин". Зак.ПЗ. Тир.60 экз. от Id.II.96