Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Важко назвати область наукової, інженерної та художньої діяльності, яка користувалася б такою увагою, як створення кераміки. Історично під керамікою розуміли вироби і матеріали, одержувані спіканням глин і їх сумішей з мінеральними добавками. Важко встановити дату, коли на промислову арену вийшла кераміка, яку тепер називають високотехнологічною. Ймовірно, першим різновидом такої кераміки був карбід кремнію, виробництво якого одна з американських фірм почала майже 100 років тому. Вже в той час термін кераміка набув ширшого значення: крім традиційних матеріалів, що виготовляються з глин, до неї стали відносити матеріали, одержувані з чистих, простих і складних оксидів, карбідів, нітридів і т. д.

У світі сучасних матеріалів кераміці належить помітна роль, обумовлена широким діапазоном її різноманітних фізичних і хімічних властивостей. Кераміка не окислюється і стійка в більш високотемпературної області, ніж метали, наприклад температура плавлення карбіду гафнію (3930 °С) на 250 °С вище, ніж у вольфраму. У поширених керамічних матеріалів (оксидів алюмінію, магнію, торію) термічна стійкість набагато перевищує стійкість більшості сталей і сплавів. Модуль пружності керамічних волокон на порядок вище, ніж у металів.

Кристалічні речовини, у яких при стиску або розтягу в певних напрямках виникає електрична поляризація навіть у відсутності зовнішнього електричного поля, називаються пьезоэлектриками (а сам ефект – п’єзоефектом). Поява механічної деформації під дією електричного поля називають зворотним п’єзоефектом.

Деякі кристали при їх нагріванні здатні набувати електричний заряд: позитивний на одному кінці і негативний на протилежному. Це явище отримало назву піроелектрики.

Піроелектрики – кристалічні діелектрики, що володіють спонтанною поляризацією, тобто поляризацією у відсутності електричного поля та інших зовнішніх впливів. Така поляризація виникає в результаті розбіжності центрів тяжіння позитивних і негативних зарядів в полярних діелектриках.

Сегнетоелектрики (ферроелектрики) – кристалічні діелектрики, які мають в певному інтервалі температур (а не в якому, як у випадку піроелектриків) мимовільної поляризацією, яка може змінюватися зовнішнім полем [1, 2].

П’єзокераміка – штучний матеріал, що володіє п’єзоелектричними і сегнетоелектричними властивостями, що має полікристалічну структуру. Деякі її види представлені на малюнку 1.

П’єзокераміка, яка використовується в медицині

Малюнок 1 – П’єзокераміка, яка використовується в медицині

1. Актуальність теми

При атестації зразків важливим моментом є вибір оптимальної температури спікання, істотно впливає на електрофізичні властивості. При цьому часто враховуються не всі фактори, що впливають на грамотну поведінку даного процесу (вихідні сировинні компоненти, склад, температурний інтервал усадки і т. д.). Тому дослідження даного процесу для конкретних матеріалів є важливим і актуальним завданням.

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Мета роботи – дослідити спікання сегнетожорсткої стронційвмісної п’єзокераміки для забезпечення високого рівня і відтворюваністі властивостей.

Основні задачі дослідження:

  1. Вивчити вплив фізико-хімічного стану вихідних компонентів на температуру синтезу матеріалу ЦТССT – 3.
  2. З’ясувати причини невиробничості електрофізичних властивостей сегнетожорсткої і середньої жорсткості п’єзокераміки.
  3. Провести аналіз складів за змістом компонентів.
  4. Вивчити процес розкладання карбонату стронцію.
  5. Вибрати оптимальний режим спікання стронційвмісної п’єзокераміки.
  6. Узагальнити отримані результати.

3. Застосування п’єзокераміки

Різноманітність областей застосування п’єзокераміки призводить до безлічі вимог, що пред’являються до неї: температурна та часова стабільність, широкий діапазон робочих температур (від 250 до 500  °С і вище), здатність до роботи в сильних електричних полях і під великим тиском, висока пьезоактивность. П’єзокерамічні матеріали класифікують за такими основними групами: стабільні, високоефективні, високотемпературні, гідроакустичні.

П’єзоелектрична система може бути сконструйована фактично для будь-якого випадку, коли необхідно використовувати електромеханічний перетворювач. Разом з тим, для будь-якого конкретного застосування п’єзокерамічної системи існують свої обмеження, такі як: розмір, маса і вартість системи. Нижче наведені основні приклади використання п’єзоелектричної кераміки в пристроях, що знайшли найбільше застосування [3].

Генератор. П’єзоелектрична кераміка може генерувати електричну напругу достатня для створення електричного розряду (іскри), який можна застосувати як запальник в запальничках, газових плитах, зварювальних пальниках і тому подібних виробах. П’єзокерамічні запалювачі менше за розмірами і набагато простіше альтернативних систем підпалу, що використовують постійний магніт або високовольтний трансформатор в поєднанні з конденсаторами.

Датчик. П’єзокерамічні датчики перетворять різні фізичні величини, такі як прискорення або тиск, в електричні сигнали. В деяких типах датчиків вимірювана фізична величина безпосередньо впливає на п'єзокерамічні елемент; в інших типах акустичний сигнал викликає вібрацію пьезокерамического елемента, і ця вібрація, в свою чергу, перетвориться в електричний сигнал.

Актюатори. П’єзокерамічні актюатори (п’єзоприводи) перетворюють електричну напругу або інший електричний сигнал в точно кероване переміщення робочої частини актюатора. Таке переміщення може бути використано для точного налаштування верстатів або лінз і дзеркал оптичних інструментів. З іншого боку таке переміщення може бути використано для компенсації (придушення) вібрації. На додаток до систем позиціонування п’єзокерамічні актюаторы можуть використовуватися для приведення в дію гідравлічних клапанів або управління ними, діяти як мікро насоси та двигуни спеціального призначення і т. д.

Перетворювач. П’єзокерамічні перетворювачі перетворюють електричну напругу або заряд в механічну енергію зазвичай звукових або ультразвукових коливань. Механічна енергія, в свою чергу, використовується для вирішення різних завдань [3].

П’єзокерамічні перетворювачі, що генерують акустичні звукові коливання, мають значну перевагу в порівнянні з подібними електромагнітними пристроями. Вони компактні, прості, досить надійні, споживають мінімум енергії для відтворення потужного звукового сигналу. Їх характеристики ідеально підходять для пристроїв з батарейним живленням.

4. Роль добавок у формуванні властивостей

При створенні силових пристроїв, що працюють в динамічних умовах, найбільш затребуваними є п’єзокерамічні матеріали багатокомпонентних складів різної сегнетожорсткості ЦТССT–3, ЦТСTБС–2 і ЦТСTБС–1, модифіковані складними добавками різного типу. Для отримання таких складів оптимальною є керамічна технологія – метод твердофазної взаємодії механічно приготовленої суміші оксидів і карбонатів.

Дослідження матеріалів ЦТС супроводжуються значними труднощами, пов'язаними зі ступенем складності одержуваних систем твердих розчинів, можливістю випаровування оксиду свинцю, многостадійністю технологічного циклу, безпосередньо впливає на формування структурно-чутливих властивостей [4].

Властивості п’єзокераміки істотно залежать від наявності в ній іонів інших елементів, спеціально вводяться в якості модифікуючих добавок або присутніх у вигляді домішок, наявних у сировині, і істотно впливають на технологічні параметри синтезу твердих розчинів.

За характером дії складні добавки-модифікатори можна розділити на м’які, жорсткі і середньої жорсткості. [5]. Складні добавки, що складаються з 2 – 4-х оксидів, за характером дії відносяться до м’яким, якщо містять, в тому числі оксиди ніобію або вольфраму, і відносяться до жорстким, якщо містять, в тому числі оксиди марганцю. До того ж складні добавки, що містять принаймні один оксид з групи Bi2O3, ZnO, CdO, Li2O, GeО2, сприяють зниженню температури спікання приблизно на 80 – 100  °C.

Згідно технічного регламенту, при виробництві матеріалу ЦТССT–3 застосовуються карбонати свинцю і стронцію і складна добавка у вигляді оксидів ZnO, Bi2O3, MnO2, La2O3. Карбонат стронцію використовується для часткового заміщення оксиду свинцю оксидом стронцію при високотемпературній обробці.

Встановлена кореляція між типом модифікуючих добавок в складі матеріалу ЦТС і температурою його синтезу. Показано, що чим вище сегнетожорсткість п'єзокерамічного матеріалу, тим нижче температура його синтезу. Оптимальна температура синтезу сегнетожесткого матеріалу ЦТССТ-3 становить 860 ± 10  °С, «середньої жорсткості» (ЦТСTБС–2) – 880 ± 10  °С і сегнетожесткого (ЦТСTБС–1) – 930 ± 10  °С при тривалості 4 години.

5. Обґрунтування технологічної схеми отримання матеріалів

Підвищення вимог до якості виробів з різних матеріалів, зокрема сегнето-, п’єзоелектричних висунуло на перший план задачу знаходження способів прогнозованого управління їх параметрами. Останнім часом акцент зроблений на тонкі матеріалознавчі дослідження, так і на оптимізацію технологічних параметрів отримання матеріалів і виробів з них. Підвищення якості є результатом підсумовування позитивних ефектів всіх стадій технологічного процесу на основі глибокого вивчення та розуміння їх фізико-хімічної природи [6, 7, 8].

Вибір способу отримання матеріалу залежить від доступності вихідних речовин, бажаних властивостей продукту, існуючих хімічних способів, виконання заданого істотного зниження технологічного розкиду параметрів, масштабу виробництва, технологічності.

Труднощі використання хімічних засобів (метод сумісного осадження, криохимический метод, розпилювальна сушарка розчинів, полукерамический метод [9]) пов'язані з багатьма обставинами, такими як: громіздкість технологічних схем і велика тривалість технологічного циклу; необхідність використання нестандартного обладнання; складність отримання стійких розчинів деяких компонентів, особливо при їх сумісній присутності (тітан, цирконій, ніобій, вольфрам); відсутність принципового виграшу в електрофізичних властивостях матеріалів. У зв’язку з усім перерахованим вище в якості методу була обрана керамічна технологія, описана нижче.

Ще в 70-ті роки академік Ю. Д. Третьяков у своїй статті Кераміка – матеріал майбутнього [2] детально описав труднощі реалізації керамічної технології, що стало програмою для систематичних досліджень по удосконаленню методів твердофазного взаємодії оксидів і карбонатів, починаючи від сировинних компонентів і закінчуючи готовою продукцією.

Розвиток керамічного способу довгий час стримувався відсутністю активних видів вихідних компонентів, що призводило дослідників до застосування різних прийомів при отриманні матеріалів (брекетування, гранулювання, лиття, подвійний синтез з проміжним подрібненням [10-13].

Структура і властивості сегнетоелектриків в значній мірі залежить від фізико-химичеких властивостей вихідних компонентів – передісторія отримання, дисперсність, форма частинок, наявність домішок, фазовий склад, дефектність кристалічної решітки та ін., Тому для розробки науково обґрунтованих принципів управління властивостями порошків і отримання з них матеріалів проводилися фізико-хімічні дослідження процесів виробництва вихідних компонентів і їх технологічна реалізація. Найбільш якісною сировиною для реалізації керамічної технології є: діоксид титану TiO2 (анатаз), одержаний з метатитановой кислоти, діоксид цирконію для електронної техніки, карбонати барію і цирконію кваліфікації «Ч» і оксиди у вигляді добавок кваліфікації Ч або ЧДА.

В результаті численних досліджень була розроблена технологічна схема отримання матеріалів системи ЦТС, представлена на малюнку 2.

Диаграмма состояний автомата Мура

Малюнок 2 – Технологічна лінія отримання матеріалів системи ЦТС
(анімація: 12 кадрів, 1 цикл повторення, 256 кілобайт)
1  – склад сировини; 2  – вакуумна сушильна шафа; 3  – вібросито; 4  – терези; 5  – усреднитель п’яна бочка; 6  – вібромлин шихти; 7  – тунельна піч; 8  – молоткова дробарка; 9  – вібромлин готового продукту; 10  – магнітний сепаратор; 11  – усреднитель готового продукту типу п’яна бочка.

Висновки

За результатами роботи можна зробити наступні висновки:

  1. Описано застосування п’єзокераміки на сучасному етапі розвитку.
  2. Обґрунтовано вибір методу синтезу п’єзокераміки, наведена відповідна технологічна схема.
  3. Показана роль модифікуючих добавок у формуванні властивостей матеріалів.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: червень 2019 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.

Перелік посилань

  1. Игнатенко, П. И. Физика материалов/ П. И. Игнатенко, Н. П. Иваницын. – Донецк: ДГУ, 1999. – 235 с.
  2. Веневцев, Ю. Н. Сегнето- и антисегнетоэлектрики семейства титаната бария/ Ю. Н. Веневцев, Е. Д. Политова, С. А. Иванов. –М.: Химия, 1985. – 256 с.
  3. Жукова, С. Н. Пьезоэлектрическая керамика: принципы и применение/ С. Н. Жукова. –Мн. ООО «ФУА Информ», 2003. – 112 с.
  4. Приседский В. В. Нестехиометрические сегнетоэлектрики AIIBIVO3: монография/ В.В. Приседский. – Донецк: Ноулидж, 2011. – 267 с.
  5. Климов В. В. Пьезокерамические материалы для электронной техники/ В.В. Климов,О. С. Дидковская. –М.: НИИТЭХИМ, 1991. – 33 – 34 с.
  6. Головнин, В. А. Мир материалов и технологий/ В. А. Головнин, И. А. Каплунов, О. В. Малышкина, Б. Б. Педько, А. А. Мовчикова. –М.: Техносфера, 2016. – 272 с.
  7. Фесенко, Е. Г. Новые пьезокерамические материалы/ Е. Г. Фесенко, А. Я. Данцигер, О. Н. Разумовская. – Ростов-на-Дону: Изд-во РГУ, 1983. – 160 с.
  8. Смажевская, Е. Г. Пьезоэлектрическая керамика/ Е. Г. Смажевская, Н. Б. Фельдман. – М.: Советское радио, 1971. – 200 с.
  9. Прилипко, Ю. С. Функциональная керамика. Оптимизация технологии/ Ю. С. Прилипко. – Донецк: Норд-Пресс, 2007. – 492 с.
  10. Поплавко, Ю. М. Физика диэлектриков/ Ю. М. Поплавко. – К.: Выща школа, 1980. – 340 с.
  11. Масленникова, Г. Н. Керамические материалы/ Г. Н. Масленникова, Р. А. Мамаладзе, С. Мидзута, К. Коумото. –М.: Стройиздат, 1991. – 320 с.
  12. Яффе, Б. Пьезоэлектрическая керамика/ Б. Яффе, У. Кук, Г. Яффе. –М.: Мир, 1974. – 288 с.
  13. Жуковицкий, А. А. Физическая химия/ А. А. Жуковицкий, Л. А. Шварцман. –М.: Металлургия, 1987. – 688 с.