Введение 4
1 Выбор оптимальных схем и параметров взрывного прессования 7
1.1 Характеристика пьезокерамических материалов 7
1.2 Анализ схем взрывного прессования 11
1.3 Исследование схем взрывного прессования 22
1.4 Влияние параметров взрывного прессования на плотность
прессовок 28
2 Исследование кинетики спекания 33
2.1 Особенности спекания пьезокерамики после взрывного
прессования 33
2.2 Кинетические кривые усадки взрывных и статических образцов 36
2.3 Кинетика спекания пьезокерамических материалов после
взрывного прессования 39
3 Структурные особенности пьезокерамики 42
3.1 Исследование механических свойств 42
3.2 Рентгеноструктурный анализ пьезокерамики 45
4 Исследование пьезоэлектрических характеристик 53
4.1 Изготовление пьезоэлектрических элементов 53
4.2 Исследование пьезоэлектрических свойств 56
4.3 Микрорентгеноспектралльный анализ 60
Заключение 63
Список использованных источников
Одним из основных материалов ряда важнейших областей науки и техники: радиоэлектроники, автоматики, вычислительной техники, гидроакустики, ультразвуковой техники является пьезокерамика, интерес к которой обусловлен ее широкими функциональными возможностями, высокой надежностью и возможностью миниатюризации изделий на ее основе.
Широкое распространение получила пьезокерамика системы ЦТС, получаемая на основе твердых растворов цирконата - титаната свинца. Материалы этой системы обладают рядом преимуществ по сравнению с другими известными пьезокерамическими материалами: высокой температурой Кюри, высокими значениями коэффициента электромеханической связи, пьезомодулей и диэлектрической проницаемости. Высокие прочностные свойства, устойчивость к внешним воздействиям, стабильность физико - механических свойств в широком диапазоне температур делают ее практически незаменимой по сравнению с другими пьезокерамическими материалами [1-6].
Известные способы получения пьезокерамики: статическое прессование, протяжка, вальцевание, горячее литье под давлением в силу присущих им недостатков не обеспечивают получение высокоплотной, с высокими физико - механическими свойствами пьезокерамики [4-6].
Значительное улучшение свойств керамики системы ЦТС достигается методом горячего прессования. Этим методом можно получать керамику с плотностью близкой к теоретической, одновременно снижая температуру и продолжительность спекания. Однако высокая себестоимость, проблема с изготовлением форм, не реагирующих с образцом и обеспечивающих высокую механическую прочность при высоких температурах ограничивают применение горячего прессования. Кроме того, керамика, полученная горячим прессованием при большой разнице температур между оптимальной температурой обычного спекания и температурой горячего прессования, даже при условии одинаковой плотности по существу не пригодна для использования в качестве пьезокерамического материала [1].
Большими потенциальными возможностями получения пьезокерамики с высоким комплексом физико - механических свойств обладает технология взрывного прессования. Так у пьезокерамики системы ЦТС, полученной взрывным прессованием, пьезомодуль увеличивается в 2-4 раза, прочностные свойства в 1,5-3 раза по сравнению со статическим прессованием, коэффициент электромеханической связи достигает 0,85-0,93 [7].
Вместе с тем, исследований, направленных на прогнозирование и оптимизацию технологии взрывного получения пьезокерамики системы ЦТС, крайне недостаточно, что существенно сдерживает ее промышленное освоение.
Целью настоящей работы является разработка технологии получения пьезокерамики методом взрывного прессования и исследование ее физико - механических свойств.
Для ее решения рассматривались следующие задачи:
- проанализировать схемы взрывного прессования и выбрать оптимальную схему;
- выбрать оптимальные параметры взрывного прессования с использованием метода рационального планирования эксперимента;
- выявить влияние параметров взрывного прессования на характеристики тонкой структуры пьезокерамического материала и его кинетику спекания;
- исследовать физико - механические свойства и структурные
особенности пьезокерамики: исследование механических свойств, рентгеноструктурный анализ.
В качестве объекта исследования была выбрана пьезокерамика марки ЦТС-19. В качестве взрывчатого вещества использовался аммонит 6ЖВ.
При исследовании физико-механических свойств пьезокерамики использовались стандартные методики, исходя из возможности получения наиболее полной информации об изменении структуры и свойств материала после взрывного прессования, спекания и поляризации изделий.
В результате проведенных в данной работе исследований можно сделать следующие выводы:
1. Проанализированы схемы взрывного прессования и контейнеров, выбраны оптимальные схемы прессования и контейнера, обеспечивающие получение прессовок с плотностью до 95% от теоретической, с хорошим качеством и стабильной геометрией.
2. Исследовано влияние параметров взрывного прессования на характеристики тонкой структуры пьезокерамики и кинетику ее спекания. Показано, что повышение дефектности материала после взрывного прессования снижает температуру спекания и энергию активации усадки.
3. Исследовано влияние параметров взрывного прессования на плотность прессовок.
4. Получена функциональная зависимость плотности прессовок от основных параметров взрывного прессования.
5. Исследованы прочностные свойства пьезокерамики. Установлено, что при оптимальных режимах взрывного прессования и спекания прочность на сжатие в 2-3 раза выше, чем после статического прессования, что достигается за счет получения меньшей пористости.
6. Исследовано влияние взрывного прессования на фазовый состав и тонкую структуру спеченной пьезокерамики. Установлено, что при определенных режимах взрывного прессования и спекания в пьезокерамике появляется ромбоэдрическая фаза.
7. Исследовано влияние параметров взрывного прессования, режимов спекания и поляризации на пьезоэлектрические свойства пьезоэлементов. Получена функциональная зависимость пьезомодуля от этих свойств.
8. Сравнительными исследованиями пьезоэлектрических свойств установлено, что у пьезокерамики, полученной взрывным прессованием, пьезоэлектрический модуль увеличивается в 2-3 раза, выход годного 1,5-2 раза, коэффициент электромеханической связи - в 2 раза.
9. Установлено, что взрывное прессование обеспечивает более равномерное распределение компонентов пьезокерамики в объеме материала.
Полученные результаты могут быть использованы при создании взрывной технологии получения пьезоэлементов и рекомендованы для внедрения в производство.
