CC BY
21
УДК 537.9, 538.956, 534-16 Б01 10.18522/0321-3005-2015-4-13-17
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ОТКЛИК НЕПОЛЯРИЗОВАННЫХ ПЛАСТИН ИЗ ГОРЯЧЕПРЕССОВАННОЙ КЕРАМИКИ ЦТС-19 НА ТРЕХТОЧЕЧНОЕ МЕХАНИЧЕСКОЕ НАГРУЖЕНИЕ ПРИ НОРМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ*
© 2015 г. В.А. Акопьян, В.А. Чебаненко, Ю.Н. Захаров, Е.В. Рожков, А.Г. Лутохин, М.А. Бунин, Е.С. Родинин, В.Г. Кузнецов
Акопьян Владимир Акопович\ - кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, Институт математики, механики и компьютерных наук им. И.И. Воровича Южного федерального университета, пр. Стачки, 200/1, г. Ростов-на-Дону, 344090.
Чебаненко Валерий Александрович - аспирант, младший научный сотрудник, Институт математики, механики и компьютерных наук им. И.И. Воровича Южного федерального университета, пр. Стачки, 200/1, г. Ростов-на-Дону, 344090, e-mail: vchebanenko@sfedu.ru
Захаров Юрий Николаевич - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, руководитель лаборатории, Научно-исследовательский институт физики Южного федерального университета, пр. Стачки, 194, г. Ростов-на-Дону, 344090, e-mail: delta-46@mail.ru
Рожков Евгений Васильевич - научный сотрудник, Институт математики, механики и компьютерных наук им. И.И. Воровича Южного федерального университета, пр. Стачки, 200/1, г. Ростов-на-Дону, 344090, e-mail: rozhkov@math.sfedu.ru
Лутохин Александр Геннадиевич - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, руководитель лаборатории, Научно-исследовательский институт физики Южного федерального университета, пр. Стачки, 194, г. Ростов-на-Дону, 344090, e-mail: lag1828@mail.ru
Бунин Михаил Алексеевич - кандидат физико-математических наук, доцент, старший научный сотрудник, физический факультет, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 5, г. Ростов-на-Дону, 344090, e-mail: bunin@ip.sfedu.ru
Родинин Егор Сергеевич - студент, физический факультет, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 5, г. Ростов-на-Дону, 344090, e-mail: egorfomenko2009@yandex.ru
Кузнецов Владислав Георгиевич - кандидат физико-математических наук, доцент, физический факультет, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 5, г. Ростов-на-Дону, 344090, е-mail: delta-46@mail.ru
Akopyan Vladimir Akopovich - Candidate of Technical Science, Leading Researcher, Vorovich Institute of Mathematics, Mechanics and Computer Sciences of the Southern Federal University, Stachki St., 200/1, Rostov-on-Don, 344090, Russia.
Chebanenko Valerii Aleksandrovich - Post-Graduate Student, Junior Researcher, Vorovich Institute of Mathematics, Mechanics and Computer Sciences of the Southern Federal University, Stachki St., 200/1, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: vchebanenko@sfedu. ru
Zakharov Yurii Nikolaevich - Candidate of Physical and Mathematical Science, Senior Researcher, Head of Laboratory, Research Institute of Physics of the Southern Federal University, Stachki St., 194, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: delta-46@mail.ru
Rozhkov Evgenii Vasilievich - Researcher, Vorovich Institute of Mathematics, Mechanics and Computer Sciences of the Southern Federal University, Stachki St., 200/1, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: rozhkov@math.sfedu.ru
Lutokhin Aleksandr Gennadievich - Candidate of Physical and Mathematical Science, Senior Researcher, Head of Laboratory, Research Institute of Physics of the Southern Federal University, Stachki St., 194, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: lag1828@mail. ru
Bunin Mikhail Alekseevich - Candidate of Physical and Mathematical Science, Associate Professor, Senior Researcher, Physical Faculty, Southern Federal University, Zorge St., 5, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: bunin@ip.sfedu.ru
Rodinin Egor Sergeevich - Student, Physical Faculty, Southern Federal University, Zorge St., 5, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: egorfomenko2009@yandex.ru
Kuznetsov Vladislav Georgievich - Candidate of Physical and Mathematical Science, Associate Professor, Faculty of Physics, Southern Federal University, Zorge St., 5, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: delta-46@mail.ru
Исследованы неполяризованные сегнетокерамические пластины с различной степенью дефектности противоположных поверхностей. Установлено, что при воздействии гармонического трехточечного механического нагружения, создаваемого присоединенной массой 3,1 г по центру пластины на резонансной частоте, все без исключения образцы генерируют напряжение от 0,2 до 0,55 В на нагрузочном сопротивлении 360 кОм. Максимальное напряжение достигается в образцах при воздействии растягивающего механического напряжения на более дефектную сторону (присоединенная масса вверху - дефектная сторона внизу).
*Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ в рамках базовой части государственного задания, проект 1880, в части разработки и изготовления образцов для исследования. При частичной поддержке РФФИ (грант № 13-08-00754) и Южного федерального университета (тема № 213.01-2014/03ВГ) в части разработки и создания измерительного стенда параметров генератора осевого типа при трехточечном механическом нагружении.
Ключевые слова: градиент деформации, пьезокерамика, трёхточечное нагружение, присоединённая масса, колебания, измерительный стенд.
In this study unpolarized segnetoceramic plates with varying degree of imperfection of their opposite surfaces were investigated. It was found that under the influence of harmonic three-point mechanical loading at the resonant frequency, generated by the proof mass of 3.1 grams placed in the middle of the plate, all samples, without exception, generate a voltage of 0,2 to 0,55 V at load resistance of360 ohms. The maximum voltage is reached in the samples under the influence of tensile stress in defective side (proof mass at upper surface - a defective side at lower surface).
Keywords: deformation gradient, piezoelectric ceramics, three-point loading, proof mass, vibrations, test stand.
Во второй половине XX и начале XXI в. были проведены исследования, посвященные оценке влияния различных электрофизических и геометрических факторов на характеристики и энергоэффективность пьезоэлектрических генераторов (ПЭГ). В основном эти работы касались ПЭГ кантилеверного типа [1-4].
Нами для исследования была выбрана трехточечная модель возбуждения активного элемента ПЭГ с присоединенной массой по его центру, занимающая промежуточное место между ПЭГ кантилеверного и осевого типов. Такая конструкция позволяет исследовать выходные параметры активного элемента ПЭГ с присоединенной массой в импульсном и гармоническом режимах нагружения. Осевое воздействие присоединенной массы по центру пластины приводит ее к упругому прогибу, который приводит к сжатию верхнего и растяжению нижнего приэлектродных слоев, а также созданию в них (либо изменению уже существующих стационарных) встречно -направленных градиентов деформации. На возможность возникновения поляризации под действием градиента деформации впервые указали В.С. Машкевич и К.Б. Толпыго [5, 6]. Ими было получено математическое выражение для связи между амплитудами поляризации и градиента деформации в акустической волне для структур типа алмаза. Первый шаг в построении феноменологического описания явления был предпринят Ш.М. Коганом [7]. Некоторые симметрийные аспекты описания в рамках схемы, предложенной в [7], обсуждались в работе В.Л. Инденбома, Е.Б. Логинова и М.А. Осипова [8], где была предпринята попытка микроскопического описания флексоэлектрического эффекта для случая статического градиента деформации. Экспериментально этот эффект исследовался И.С. Желудевым [9]. Полученное на опыте значение коэффициента пропорциональности между поляриза-
цией и градиентом деформации оказалось на 4 порядка больше грубой теоретической оценки.
Целью настоящей работы является экспериментальное исследование влияние механического нагружения по трехточечной схеме на возможность получения электрического отклика от не-поляризованных сегнетокерамических пластин, имеющих стационарный градиент деформаций и тангенциальные сжимающие напряжения в под-электродном пространстве.
Образцы для исследования и методика эксперимента
Исследованы 4 партии пластин керамики ЦТС-19 размером 50*4*0,7 мм3 с электродами на больших поверхностях из вожженного серебра. Перед нанесением электродов образцы были приведены в размер по толщине единым технологическим режимом механической обработки противоположных поверхностей. Затем в партиях 2-4 по 10 шт. одна из сторон дополнительно повреждалась обработкой шлифпорошками с размерами зерна 5, 10 и 20 мкм соответственно. Этим приемом достигались различная глубина диффузии Л§ при вжигании в поверхность керамики и, соответственно, создание у противоположных сторон таких пластин металлокерамиче-ских слоев различной толщины. На границах этих слоев с массивом керамики в пластинах партий 2-4 формировались градиенты механических деформаций, а также тангенциальные сжимающие напряжения в приэлектродных слоях. Сжимающие напряжения обусловлены разницей температурных коэффициентов линейного расширения для Л§ и сегнетокерамики при охлаждении от 730 °С после вжигания. На рис. 1 приведена гипотетическая схема распределения градиентов деформации в поверхностных слоях и объеме образцов, на рис. 2 - вид устройства трехточечного механического нагружения.
Электроды
Поверхностные слои
2
Основной объём пластины
Рис. 1. Гипотетическая схема распределения градиента статической деформации у £ на границах
металлокерамических слоев с массивом керамики (1 - верхний слой; 2 - нижний), а также тангенциальных сжимающих напряжений <т в приэлектродных слоях
Присоединённая
j_ ч масса
»— X ___
Крепление
//////////////
Рис. 2. Эскизный вид устройства трехточечного механического нагружения
На рис. З представлены структурная схема и фотография измерительного стенда.
Измерительный стенд состоит из возбудителя механических колебаний — электромагнитного вибратора VEB Robotron 11Gll 6, на рабочем столе 5 которого устанавливается устройство трехточечного механического нагружения с пьезопластиной 1 и присоединенной массой 2 (Мп) на верхней стороне пьезопластины 1; оптического датчика механических перемещений 7; контроллера оптического датчика 8; датчика ускорения 9 заделки S; согласующего устройства датчика ускорения 10; внешнего модуля АЦП/ЦАП E14-440D фирмы L-Card 11; усилителя мощности LV-102 на 50W 12; задающего генератора сигналов AFG 3G22B Tektronix 1S; компьютера 14 и сопротивления нагрузки Rh. Электрический отклик на механическое нагружение, выходное напряжение которого на резисторе нагрузки Rh, подается на вход АЦП. Оптический датчик 7 бесконтактным способом производит измерение механических перемещений поверхности присоединенной массы 2. Согласующим
устройством оптического датчика является его контроллер 8. Ускорение опоры измеряется датчиком ускорения ADXL-103 9.
б
Рис. 3. Измерительный стенд: структурная схема (а)
и фотография (б), где 1 - исследуемый объект; 2 - присоединенная масса; 3 - 1-я точка крепления; 4 - основание пьезогенератора; 5 - рабочий стол вибратора; 6 - возбудитель колебаний электромагнитный вибратор VEB Robotron 11077; 7 - оптический датчик линейного перемещения OptoNCDT; 8 - контроллер оптического датчика; 9 - датчик ускорения ADXL 103 установлен на 2-й точке крепления; 10 - согласующее устройство датчика ускорения; 11 - внешний модуль АЦП/ЦАП E14-440D; 12 - усилитель мощности; 13 - задающий генератор сигналов AFG 3022B Tektronix; 14 - компьютер; RH - сопротивление нагрузки
Результаты эксперимента и их обсуждение
На рис. 4 представлены зависимости выходного электрического напряжения от ускорения стола вибростенда при Мп=3,1 г, типичные для пластин партий № 1 (а) и № 3 (б), выбранных по признаку - повторяемость эффекта в партии 10 шт. Анализ рис. 4а (для пластины № 3 партии 1 - 3П1) показывает, что в партии № 1 после вжигания Ag градиенты статической деформации V7; ; на границах металлокера-
мических слоев с массивом керамики, а также тан-
а
генциальные сжимающие напряжения ау в приэлек-тродных слоях создают устойчивую к многократным механическим воздействиям электрическую поляризованность Рост. Этот вывод иллюстрируют кривые 1 и 2, первая из которых получена до, а вторая - после поворота пластины под Мп=3,1 на 180°. Выходной электрический сигнал от воздействия Мп обусловлен сжатием приповерхностного слоя 1 и растяжением слоя 2 (рис. 2). В этой партии для каждого положения поверхностей пластины относительно Мп величины выходного напряжения большего количества образцов совпадали, что свидетельствует об идентичности созданных поляризованно-стей Рост у противоположных граней.
0,50
m
<ù
I 0,40 £. 0,30
I
I °Д0 m 0,00
4,50 9,50 14,50 19,50
Ускорение стола вибратора, м/с2
0,50
си оГ
| 0,40
а;
*
£. 0,30
с га
I 0'20
0
1 одо
х
т 0,00
4,50 9,50 14,50 19,50
Ускорение стола вибратора, м/с2
б
Рис. 4. Зависимости выходного напряжения образца до поворота на 180о (кривая 1) и после (кривая 2) при Мп=3,1г: а - из партии № 1; б - из партии № 3
Из рис. 4б видно, что образец 6П3 показывает 25%-е увеличение электрического отклика, когда более дефектная грань расположена внизу, а Мп -сверху. В этом случае, как и в партии №1, прогиб пластины под Мп создает растягивающее механическое напряжение, противоположное по направлению к существующему, созданному при образовании металлокерамического слоя у этой поверхности. Разница в величине выходного напряжения может быть объяснима более высоким значением остаточной поляризации Рост у этой поверхности. Основным результатом проведенного исследования является факт появления Рост у противоположных поверхностей пластин керамики ЦТС-19 при вжигании Ag. Величина Рост зависит от степени шероховатости поверхности перед нанесением электродов, а электрический отклик является суммой сигналов, возникающих при сжатии одной и растяжении противоположной поверхности пластины. В связи с тем, что эффект исследован при комнатной температуре в сегнетоэлектри-ческой фазе для ЦТС-19, невозможно однозначно трактовать его как флексоэлектрический и «гигантский». Но с большой вероятностью он может возникать в очень тонком переходном слое между границей металлокерамического слоя и объемным однородным массивом керамики. В предположении что толщина этого слоя составляет ~ 1 мкм, он генерирует при нагрузке 360 кОм электрический потенциал с напряженностью электрического поля до 50 кВ/см. Полученные значения выходного напряжения 0,5 В для толщины пластины 0,7 мм без предварительной поляризации в электрическом поле уже представляют практический интерес для создания многослойных, из более тонких пластин, активных элементов ПЭГ осевого типа. Необходимы дальнейшие исследования этого эффекта в материалах с температурой Кюри ниже Ткомн, а также сегнетоэлектриков-релаксоров.
Литература
1. Erturk A., Inman D.J. Piezoelectric Energy Harvesting. N.Y., 2011. 402 р.
2. Shu Y.C., Lien I.C. Efficiency of energy conversion for a piezoelectric power harvesting system // J. of Micromechanics and Microengineering. 2006. Vol. 16, № 11. P. 2429.
3. Priya S.,Inman D.J. Energy Harvesting Technologies. N.Y., 2009. 552 p.
4. Akopyan V.A., Parinov I.A., Rozhkov E.V., Zakha-rov Yu.N., Shevtsova M.S. Energetic Efficiency of Cantilever Type Piezoelectric Generators // Advanced Materials. N.Y., 2014. P. 355-363.
5. Машкевич В.С., Толпыго К.Б. Электрические, оптические и упругие свойства кристаллов типа алмаза // ЖЭТФ. 1957. Т. 32. С. 520-525.
а
-•-6n3t —•— 6ПЗФ
1 J —
—— í" m tr ' 2
6. Толпыго К.Б. Исследование длинноволновых колебаний кристаллов типа алмаза с учетом дальнодействующих сил // ФТТ. 1962. Т. 4. С. 1765-1777.
7. Коган Ш.М. Пьезоэлектрический эффект при неоднородной деформации и акустическое рассеяние носителей тока в кристаллах // ФТТ. 1963. Т. 5. С. 2829-2831.
8. Инденбом В.Л., Логинов Е.Б., Осипов М.А. Флексо-электрический эффект и строение кристаллов // Кристаллография. 1981. Т. 26. С. 1157-1162.
9. Желуде в И.С. Симметрия и пьезоэлектрические свойства кристаллов // Czech. J. Phys. Ser. В. 1966. Vol. 16. P. 368-381.
References
1. Erturk A., Inman D.J. Piezoelectric Energy Harvesting. N.Y., 2011, 402 p.
2. Shu Y.C., Lien I.C. Efficiency of energy conversion for a piezoelectric power harvesting system. J. of Micromechanics andMicroengineering, 2006, vol. 16, no 11, p. 2429.
3. Priya S., Inman D.J. Energy Harvesting Technologies. N.Y., 2009, 552 p.
4. Akopyan V.A., Parinov I.A., Rozhkov E.V., Zakharov Yu.N., Shevtsova M.S. Energetic Efficiency of Cantilever Type
Поступила в редакцию
Piezoelectric Generators. Advanced Materials. N.Y., 2014, pp. 355-363.
5. Mashkevich V.S., Tolpygo K.B. Elektricheskie, opti-cheskie i uprugie svoistva kristallov tipa almaza [Electric, optical and elastic properties of crystals such as diamond]. ZhETF, 1957, vol. 32, pp. 520-525.
6. Tolpygo K.B. Issledovanie dlinnovolnovykh kolebanii kristallov tipa almaza s uchetom dal'nodeistvuyushchikh sil [A study of long-wave oscillations of the crystal diamond type, taking into account long-range forces]. FTT, 1962, vol. 4, pp. 1765-1777.
7. Kogan Sh.M. P'ezoelektricheskii effekt pri neodnorod-noi deformatsii i akusticheskoe rasseyanie nositelei toka v kris-tallakh [The piezoelectric effect in inhomogeneous deformation and acoustic scattering of charge carriers in crystals]. FTT, 1963, vol. 5, pp. 2829-2831.
8. Indenbom V.L., Loginov E.B., Osipov M.A. Fleksoelek-tricheskii effekt i stroenie kristallov [The flexoelectric effect and structure of crystals]. Kristallografiya, 1981, vol. 26, pp. 11571162.
9. Zheludev I. S. Simmetriya i p''ezoelektricheskie svoistva kristallov [Symmetry and piezoelectric properties of crystals]. Czech. J. Phys. Ser. B., 1966, vol. 16, pp. 368-381
2 октября 2015 г.
