Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Трудно назвать область научной, инженерной и художественной деятельности, которая пользовалась бы таким вниманием, как создание керамики. Исторически под керамикой понимали изделия и материалы, получаемые спеканием глин и их смесей с минеральными добавками. Трудно установить дату, когда на промышленную арену вышла керамика, которую теперь называют высокотехнологичной. Вероятно, первой разновидностью такой керамики был карбид кремния, производство которого одна из американских фирм начала почти 100 лет назад. Уже в то время термин «керамика» приобрел более широкое значение: помимо традиционных материалов, изготовляемых из глин, к ней стали относить материалы, получаемые из чистых, простых и сложных оксидов, карбидов, нитридов и т.д.

В мире современных материалов керамике принадлежит заметная роль, обусловленная широким диапазоном ее разнообразных физических и химических свойств. Керамика не окисляется и устойчива в более высокотемпературной области, чем металлы, например температура плавления карбида гафния (3930 °С) на 250 °С выше, чем у вольфрама. У распространенных керамических материалов (оксидов алюминия, магния, тория) термическая устойчивость намного превышает устойчивость большинства сталей и сплавов. Модуль упругости керамических волокон на порядок выше, чем у металлов.

Кристаллические вещества, в которых при сжатии или растяжении в определенных направлениях возникает электрическая поляризация даже в отсутствии внешнего электрического поля, называются пьезоэлектриками (а сам эффект – пьезоэффектом или пьезоэлектричеством). Появление механической деформации под действием электрического поля называют обратным пьезоэффектом.

Некоторые кристаллы при их нагревании способны приобретать электрический заряд: положительный на одном конце и отрицательный на противоположном. Это явление получило название пироэлектричества.

Пироэлектрики – кристаллические диэлектрики, обладающие спонтанной поляризацией, то есть поляризацией в отсутствии электрического поля и других внешних воздействий. Такая поляризация возникает в результате несовпадения «центров тяжести» положительных и отрицательных зарядов в полярных диэлектриках.

Сегнетоэлектрики (ферроэлектрики) – кристаллические диэлектрики, обладающие в определенном интервале температур (а не в любом, как в случае пироэлектриков) самопроизвольной поляризацией, которая может изменяться внешним полем [1, 2].

Пьезокерамика – искусственный материал, обладающий пьезоэлектрическими и сегнетоэлектрическими свойствами, имеющий поликристаллическую структуру. Некоторые ее виды представлены на рисунке 1.

Пьезокерамика, используемая в медицине

Рисунок 1 – Пьезокерамика, используемая в медицине

1. Актуальность темы

При аттестации образцов важным моментом является выбор оптимальной температуры спекания, существенным образом влияющей на электрофизические свойства. При этом зачастую учитываются не все факторы, влияющие на грамотное поведение данного процесса (исходные сырьевые компоненты, состав, температурный интервал усадки и т. д.). Поэтому исследование данного процесса для конкретных материалов является важной и актуальной задачей.

2. Цель и задачи исследования

Цель работы – исследовать спекание сегнетожесткой стронцийсодержащей пьезокерамики для обеспечения высокого уровня и вопроизводимости свойств.

Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

  1. Изучить влияние физико-химического состояния исходных компонентов на температуру синтеза материала ЦТССT – 3.
  2. Выяснить причины невопроизводимости электрофизических свойств «сегнетожесткой» и «средней жесткости» пьезокерамики..
  3. Провести анализ составов по содержанию компонентов.
  4. Изучить процесс разложения карбоната стронция.
  5. Выбрать оптимальный режим спекания стронцийсодержащей пьезокерамики.
  6. Оценить роль металлопокрытий в оценке свойств пьезокерамики.
  7. Обобщить полученные результаты.

3. Применение пьезокерамики

Разнообразие областей применения пьезокерамики приводит к множеству требований, предъявляемых к ней: температурная и временная стабильность, широкий диапазон рабочих температур (от 250 до 500  °С и выше), способность к работе в сильных электрических полях и под большим давлением, высокая пьезоактивность. Пьезокерамические материалы классифицируют по следующим основным группам: стабильные, высокоэффективные, высокотемпературные, гидроакустические.

Пьезоэлектрическая система может быть сконструирована фактически для любого случая, когда необходимо использовать электромеханический преобразователь. Вместе с тем, для любого конкретного применения пьезокерамической системы существуют свои ограничения, такие как: размер, масса и стоимость системы. Ниже приведены основные примеры использования пьезоэлектрической керамики в устройствах, нашедших наибольшее применение [3].

Генераторы. Пьезоэлектрическая керамика может генерировать электрическое напряжение достаточное для создания электрического разряда (искры), который можно применить как воспламенитель в зажигалках, газовых плитах, сварочных горелках и тому подобных изделиях. Пьезокерамические воспламенители меньше по размерам и гораздо проще альтернативных систем поджига, использующих постоянный магнит или высоковольтный трансформатор в сочетании с конденсаторами.

Датчики. Пьезокерамические датчики преобразуют различные физические величины, такие как ускорение или давление, в электрические сигналы. В некоторых типах датчиков измеряемая физическая величина непосредственно воздействует на пьезокерамический элемент; в других типах акустический сигнал вызывает вибрацию пьезокерамического элемента, и эта вибрация, в свою очередь, преобразуется в электрический сигнал.

Актюаторы. Пьезокерамические актюаторы (пьезоприводы) преобразуют электрическое напряжение или другой электрический сигнал в точно управляемое перемещение рабочей части актюатора. Такое перемещение может быть использовано для точной настройки станков или линз и зеркал оптических инструментов. С другой стороны такое перемещение может быть использовано для компенсации (подавления) вибрации. В дополнение к системам позиционирования пьезокерамические актюаторы могут использоваться для приведения в действие гидравлических клапанов или управления ими, действовать как микро насосы или моторы специального назначения и т.д.

Преобразователи. Пьезокерамические преобразователи превращают электрическое напряжение или заряд в механическую энергию обычно звуковых или ультразвуковых колебаний. Механическая энергия, в свою очередь, используется для решения разных задач [3].

Пьезокерамические преобразователи, генерирующие акустические звуковые колебания, имеют значительное превосходство по сравнению с подобными электромагнитными устройствами. Они компактны, просты, довольно надежны, потребляют минимум энергии для воспроизводства относительно мощного звукового сигнала. Их характеристики идеально подходят для устройств с батарейным питанием.

4. Роль добавок в формировании свойств

При создании силовых устройств, работающих в динамических условиях, наиболее затребованными являются пьезокерамические материалы многокомпонентных составов различной «сегнетожесткости» ЦТССT–3, ЦТСTБС–2 и ЦТСTБС–1, модифицированные сложными добавками разного типа. Для получения таких составов оптимальной является керамическая технология – метод твердофазного взаимодействия механически приготовленной смеси оксидов и карбонатов.

Исследования материалов ЦТС сопровождаются значительными трудностями, связанными со степенью сложности получаемых систем твердых растворов, возможностью улетучивания оксида свинца, многостадийностью технологического цикла, непосредственно влияющего на формирование структурно-чувствительных свойств [4].

Свойства пьезокерамики существенно зависят от наличия в ней ионов других элементов, специально вводимых в качестве модифицирующих добавок или присутствующих в виде примесей, имеющихся в сырье, и существенно влияют на технологические параметры синтеза твердых растворов.

По характеру действия сложные добавки-модификаторы можно разделить на «мягкие», «жесткие» и «средней жесткости». [5]. Сложные добавки, состоящие из 2 – 4-х оксидов, по характеру действия относятся к «мягким», если содержат, в том числе оксиды ниобия или вольфрама, и относятся к «жестким», если содержат, в том числе оксиды марганца. К тому же сложные добавки, содержащие по крайней мере один оксид из группы Bi2O3, ZnO, CdO, Li2O, GeО2, способствуют снижению температуры спекания примерно на 80 – 100 °С.

Согласно технического регламента, при производстве материала ЦТССT–3 применяются карбонаты свинца и стронция и сложная добавка в виде оксидов ZnO, Bi2O3, MnO2, La2O3. Карбонат стронция используется для частичного замещения оксида свинца оксидом стронция при высокотемпературной обработке.

Установлена корреляция между типом модифицирующих добавок в составе материала ЦТС и температурой его синтеза. Показано, что чем выше «сегнетожесткость» пьезокерамического материала, тем ниже температура его синтеза. Оптимальная температура синтеза сегнетожесткого материала ЦТССT–3 составляет 860 ± 10  °С, «средней жесткости» (ЦТСTБС–2) – 880 ± 10  °С и сегнетожесткого (ЦТСTБС–1) – 930 ± 10  °С при продолжительности 4 часа.

5. Обоснование технологической схемы получения материалов

Повышение требований к качеству изделий из различных материалов, в частности сегнето-, пьезоэлектрических выдвинуло на первый план задачу нахождения способов прогнозируемого управления их параметрами. В последнее время акцент сделан как на тонкие материаловедческие исследования, так и на оптимизацию технологических параметров получения материалов и изделий из них. Повышение качества является результатом суммирования положительных эффектов всех стадий технологического процесса на основе глубокого изучения и понимания их физико-химической природы [6, 7, 8].

Выбор способа получения материала зависит от доступности исходных веществ, желаемых свойств продукта, существующих химических способов, выполнения заданного существенного снижения технологического разброса параметров, масштаба производства, технологичности.

Трудности использования химических способов(метод совместного осаждения, криохимический метод, распылительная сушка растворов, полукерамический метод [9]) связаны со многими обстоятельствами, такими как: громоздкость технологических схем и большая продолжительность технологического цикла; необходимость использования нестандартного оборудования; сложность получения устойчивых растворов некоторых компонентов, особенно при их совместном присутствии (титан, цирконий, ниобий, вольфрам); отсутствие принципиального выигрыша в электрофизических свойствах материалов. В связи со всем вышеперечисленным в качестве метода была выбрана керамическая технология, описанная ниже.

Еще в 70-е годы академик Ю. Д. Третьяков в своей статье «Керамика – материал будущего» [2] подробно описал трудность реализации керамической технологии, что явилось программой для систематических исследований по усовершенствованию методов твердофазного взаимодействия оксидов и карбонатов, начиная от сырьевых компонентов и заканчивая готовой продукцией.

Развитие керамического способа долгое время сдерживалось отсутствием активных видов исходных компонентов, что приводило исследователей к применению различных приемов при получении материалов (брекетирование, гранулирование, литье, двойной синтез с промежуточным измельчением [10-13].

Структура и свойства сегнетоэлектриков в значительной степени зависит от физико-химичеких свойств исходных компонентов – предыстория получения, дисперсность, форма частиц, наличие примесей, фазовый состав, дефектность кристаллической решетки и др. Поэтому для разработки научно обоснованных принципов управления свойствами порошков и получение из них материалов проводились физико-химические исследования процессов производства исходных компонентов и их технологическая реализация. Наиболее качественным сырьем для реализации керамической технологии являются: диоксид титана TiO2 (анатаз), полученный из метатитановой кислоты, диоксид циркония для электронной техники, карбонаты бария и циркония квалификации «Ч» и оксиды в виде добавок квалификации «Ч» или «ЧДА».

В результате многочисленных исследований была разработана технологическая схема получения материалов системы ЦТС, представленная на рисунке 2.

Диаграмма состояний автомата Мура

Рисунок 2 – Технологическая линия получения материалов системы ЦТС
(анимация: 12 кадров, 1 цикл повторения, 256 килобайт)
1  – склад сырья; 2  – вакуумный сушильный шкаф; 3  – вибросито; 4  – весы; 5  – усреднитель «пьяная бочка»; 6  – вибромельница шихты; 7  – туннельная печь; 8  – молотковая дробилка; 9  – вибромельница готового продукта; 10  – магнитный сепаратор; 11  – усреднитель готового продукта типа «пьяная бочка».

Выводы

По результатам работы можно сделать следующие выводы:.

  1. Описано применение пьезокерамики на современном этапе развития.
  2. Обоснован выбор метода синтеза пьезокерамики, приведена соответствующая технологическая схема.
  3. Показана роль модифицирующих добавок в формировании свойств материалов.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2018 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  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.