CC BY
94
Раздел 2. Технология машиностроения и материалы. Литература
1. Отливки из металла и сплавов. Допуски литых размеров, масс и припусков на обработку. ГОСТ 26645-85.
2. Митрофанов С.П. Групповая технология машиностроительного производства: в 2-х томах - Л.,: Машиностроение, 1985. - 405 с.
3. Маталин А. А. Технология машиностроения. - Л.,: Машиностроение, 1985. - 496 с.
4. Цветков В.Д. Система автоматизации проектирования технологических процессов. - М.,: Машиностроение, 1972. - 240 с.
5. Корчак С.Н. и др. Система автоматизированного проектирования технологических процессов, приспособлений и режущих инструментов. - М.,: Машиностроение, 1988. - 349 с.
6. Кузнецов А.М., Клепиков В.В. Современные методы расчёта припусков. - М.,: Машиностроение, 1988. - 65 с.
7. Фираго В.П. Основы проектирования технологических процессов и приспособлений. Методы обработки поверхностей. - М.,: Оборонгиз, 1963. - 531 с.
Интеллектуальные материалы на основе керамических композитов
д.т.н. проф. Максимов Ю.В., к.т.н. доц. Мерзликин В.Г., к.ф.-м.н. доц. Сидоров О.В.,
к. т.н. с. н. с. Суттугин В. Г. МГТУ «МАМИ», ФГУП ЦНИРТИ им. академика А.И. Берга
8(495) 223-05-23, доб. 1353 Ключевые слова: композиты, сегнетокерамика, интеллектуальные материалы.
Обширные исследования по созданию распределенных систем приема, обработки акустической информации и управления динамическими и движущимися объектами, как правило, упираются в конкретные технические средства, имеющиеся на сегодняшний день в мировой практике. Поэтому в настоящее время основные исследования ведутся по моделированию распределенных систем, в которых датчики и актюаторы представляют собой отдельные, разнесенные в пространстве или компонованные на жестком основании элементы, интегрированные в конструкционные материалы. Помимо этого ведутся работы по созданию и моделированию систем на основе композитов с жесткой матрицей и различными формами однородного заполнения. В последние годы предприняты попытки по созданию единых распределенных систем с интегрированными в эластичную пленочную основу датчиками. Это стало возможным благодаря удачному сочетанию термостойких, высокопрочных и эластичных свойств полигетероариленов и высоких пьезоэлектрических свойств порошковых сегне-тоэлектриков. Создание на их основе реальных распределенных пленочных датчиков привело к необходимости математического моделирования процессов получения и обработки сигналов для систем ранней диагностики и предупреждения. Используемые за рубежом и у нас в стране пленочные компоненты на основе поливинилиденфторида работают лишь до 150°С и имеют малую прочность. Поэтому моделирование систем с большой прочностью и работающих в области повышенных до 300°С температур представляет большой интерес с теоретической и практической точек зрения (контроль за работой теплоносителя в ядерных энергетических установках, раннее обнаружение наземных, подводных и воздушных объектов в условиях плохой и нулевой видимости.
Основным элементом такого контроля должен стать пленочный сенсорный композиционный материал, преобразующий параметр теплового поля в данной точке в электрический сигнал. В настоящее время известна технология получения пленочных сенсорных композитных пленок, интегрированных в объект, для контроля его акустических и механических параметров, в том числе и на предельных нагрузках. Поэтому в мире разрабатываются различные типы таких функциональных композиционных материалов [1-4], в частности пленок, представленных на рисунке 1. Эти композиционные материалы представляют собой матрицу
на основе неорганических веществ и керамических наполнителем в виде различных включений.
Еще один подход состоит в использовании полимерной матрицы и керамического наполнителя с пьезо- и пироэлектрическими свойствами. Разработка пленок на их основе ведется в ряде лабораторий и научно-исследовательских институтов [1-13].
Известно большое количество материалов, обладающих сегнетоэлектрическими свойствами. Традиционно используются керамические сегнетоэлектрики, в том числе титанаты свинца, кальция, стронция, титанаты-цирконаты свинца и др. [7]. Они обладают величинами диэлектрической проницаемости до 1100-1500, а их пьезомодуль достигает значения 500 пКл/Н. Однако характерной особенностью керамических материалов является их хрупкость и невозможность получения из них гибких и тонкослойных изделий, в частности чувствительных датчиков различного назначения или других изделий конструкционного назначения.
Из полимерных материалов сегнетосвойствами обладают некоторые термопласты - по-ливинилхлорид, полиамид 66, полиакрилонитрил, величины пьезомодуля которых укладываются в диапазоне 1,5-4,1 пКл/Н. Наиболее высокое значение пьезомодуля получено на образцах поливинилиденфторида в - формы. В последнее время были разработаны и находят применение гибкие полимерные пленки на основе сополимеров винилиденфторидов и вини-лиденцианида, обладающие более высокими сегнетосвойствами [8].
particles in a polym«г (0-3)
laminated composite. (2-2)
perforated composite (3-1)
perforated composite (3-2)
PIT spheres in я polymer (1-3)
diced composite (1-3)
transverse poled composite (2-2)
PZT shelf
(2 31
honeycomb composite (3-1 S)
honeycomb tompusilt (3-1 P)
rep la mine compose
(3-3)
BURPS composite C3-3j
PZT rods in a polymer
(1-3)
d^] honeycomb (3-1)
lndHh;r Structure (3-3)
Рисунок 1
Их основным недостатком является низкая температура стеклования, приводящая к исчезновению сегнетосвойств при температуре выше 80°С. Сочетание электрофизических и механических свойств как керамических, так и полимерных материалов неудовлетворительное. Одним из путей получения пьезоэлектрических материалов, сочетающих высокие сегне-тосвойства сегнетокерамики и высокую технологичность полимеров, является создание сег-нетополимерных композиционных материалов. Известны пьезополимерные композиты на основе пьезокерамики и различных полимеров, таких как алифатические полиамиды и полиэфиры, полиолефины, полиуретаны, каучуки, а также эпоксидные смолы [9]. Содержание керамики в таких композитах обычно не превышает 40-60 %об. Из наполненных композитов различными способами получают пленочные материалы, обладающие сегнетоэлектрически-ми свойствами. Они могут применяться в различных областях радиотехники, электроники и
Раздел 2. Технология машиностроения и материалы. акустики. В частности, известна композиция на основе 60 %об титаната свинца и эпоксидной смолы, из которой методом горячего прессования получают плоские образцы толщиной 2 мм. [10]. Эти листовые сегнетоматериалы достаточно хрупкие, что не позволяет получать тонкие пленки.
Для получения более гибких сегнетоэлектрических композиционных материалов предложено в качестве полимерной матрицы использовать фторкаучук и другие эластичные мат-рицы[11-13]. Однако температурная область эксплуатации данных композиционных пьезо-полимерных материалов ограничена температурой стеклования полимерной матрицы, то есть не выше 120-150°С, что резко ограничивает как параметры получения, так и области применения изделий, выполненных из него. Кроме того, такие композиционные материалы имеют недостаточно высокие механические характеристики. Такой, в частности, является сегнетополимерная композиция, содержащая порошковую сегнетокерамику (PZT) и поливи-нилиденфторид (ПВДФ) в качестве полимерной матрицы. Содержание пьезокерамики составляет 10—60 %об, полимерной матрицы 90-40 %об и не более 3 %об углеродного порошка [б], диапазон рабочих температур довольно низкий и ограничен температурой стеклования полимерной матрицы, т.е. не выше 100-120°С. Кроме того, изделия, выполненные из этой полимерной композиции, имеют недостаточно высокие механические и пьезоэлектрические свойства. Все это ограничивает область применения изделий, выполненных из неё.
С целью создания сегнетополимерной композиции с повышенной температурой стеклования полимерной матрицы и пленок на ее основе, обладающих повышенной рабочей температурой до 250-300°С, повышенными сегнето- и механическими свойствами в широком диапазоне рабочих частот задачи была рассчитана сегнетополимерная композиция, содержащая порошкообразную сегнетокерамику и полимер. В качестве сегнетокерамики использовалась сегнетоэлектрическая керамика с размером частиц 5-10 мкм типа титанат-цирконат свинца, титанат свинца и др.
Полученная пленка имеет прочность 180 МПа, удлинение 15% и величину пьезомодуля 20 пКл/Н. Пьезоэлектрические свойства сохраняются при температуре до 180°С в течение длительного времени. Из этой наполненной арамидной пленки изготавливают чувствительные элементы для пьезодатчика.
Чувствительные элементы представляют собой сложенную пьезопленку с четным числом слоев и имеют следующие размеры: длина - 15 мм, ширина - 12 мм, толщина- 0,1 мм (вместе с защитной оболочкой). Емкость элементов составляет около 1000 пФ, tg 5 = 0,02. Элемент характеризуется высокой чувствительностью в широком диапазоне частот. Электрический сигнал с пьезодатчика снимается посредством коаксиального кабеля, экран которого соединен с электродом, выходящим на внешнюю поверхность чувствительного элемента, а сигнальная жила с внутренним электродом.
Сегнетоэффект в полученных композитах проявляется при наполнении свыше 17,4%, причем с увеличением объемной доли наполнителя до 26,8% в полимерной коомпозиции сегнетомодуль увеличивается от 0,2 до 60 пКл/Н, но прочность и деформативность снижаются. Образцы сегнетокомпозитов с наполнением ЦТС-19 в количестве 22-24% характеризуются оптимальным соотношением сегнетосвойств и механических показателей.
Данный материал обладает следующими свойствами:
• низкой плотностью;
• высокой деформативностью и гибкостью, что важно при изготовлении изделий;
• простотой изготовления пленок и других видов полуфабрикатов (волокон, пластин и др.);
• высокой термочувствительностью.
Промышленные сегнетоэлемепты являются узкочастотными и могут принимать сигналы только в достаточно высоком диапазоне частот А/ = 0,02 -2 МГц, причем для этого необходим набор сегнетоэлементов из керамики. В результате были получены композиционные материалы в виде гибких высокопрочных термостойких пленок, на основании которых мож-
но создавать интеллектуальные высокопрочные композиционные материалы и конструкции. Они представляют собой однородные композиционные пленки с нанесенной конфигурацией преобразователей по типу печатных плат или совокупность отдельных сенсоров, интегрированных в пленку на основе высокопрочных термостойких сополимеров (рисунок 2).
ё Ш 1 й я и ё и 1 й л и
ш ■ ■ й и и ё ■ I 1 ■ и
ё ■ ■ й л и ё ■ | 4 Л и
71 2 2 2 2 ■
а Ь
Рисунок 2 - Пленочные композиционные пьезопреобразователи: а - однородная пьезокомпозиционная пленка;
Ь - полимерная пленка с включением композита
Обладая пьезомодулем, по порядку величины сравнимым с модулем пьезокерамики, а диэлектрической проницаемостью на порядок ниже, такие преобразователи имеют более высокую пьезочувствительность, т.е. значение электрического напряжения при действии единицы механической нагрузки, что позволяет использовать ПКП в качестве более чувствительных приемников. Возможность изготовления ПКП большой площади и любой формы, высокая механическая прочность и высокая термостойкость, т.е. сохранение механических и пироэлектрических параметров при повышении температуры до 150°С, делают их незаменимыми для контроля за объемными конструкциями и поверхностями сложной формы. В отличие от чисто полимерных пленок на основе ПВДФ, которые текут при повышенных давлениях и температурах выше 80°С и теряют при этом пьезосвойства, что приводит к выходу из строя датчиков на их основе, в ПКП практически отсутствуют необратимые деформации, что обеспечивает стабильность параметров в процессе эксплуатации.
Как известно, механические и диэлектрические свойства твердых сополимеров на основе большинства гетероароматических сополимеров сильно зависят от ориентации макромолекул в растворе при осаждении. Так, механическая прочность высокоориентированных и неориентированных волокон из таких сополимеров различается на порядок, а диэлектрическая проницаемость - почти в два раза.
Аналогичные явления наблюдаются и в полимерных пьезоэлектриках - в поливинили-денфториде при шестикратной ориентационной вытяжке пьезомодуль увеличивается почти в 8 раз. На основе этих данных был разработан метод получения композитной пленки осаждением из анизотропного раствора с выделенной ориентацией макромолекул, лежащих в плоскости пленки. Предориентация макромолекул в растворе перед осаждением осуществлялась за счет сдвига. В процессе осаждения, занимающего время порядка минуты, прилагались двойные сдвиговые напряжения из-за значительной вязкости раствора, что в конечном итоге не давало существенной разориентации. Микрофотография полученной пьезокомпозитной пленки представлена на рисунке 3. На ней видна фибриллизованная структура пленки с ориентацией по диагонали. Процесс осаждения и образования ориентированной структуры изучался методом рентгеновской диффрактометрии.
Исследование поверхности и сечения пленок методом электронной микроскопии показывает, что наполнитель представляет собой частицы разнообразной формы, размеры которых колеблются от десятых долей микрона до нескольких микрон. Частицы имеют форму
Раздел 2. Технология машиностроения и материалы. эллипсоидов вращения, параллелепипедов и различных многогранниклв с острыми углами между гранями. Наблюдаются также конгломераты частиц в виде спеков, внутри которых имеются пустоты.
Рисунок 3 - Ориентированная пьезокомпозитная пленка
При исследовании диэлектрических свойств пленок композиционных материалов [15] были получены следующие данные: _____Таблица ^ 1
Образец Содержание порошка НЦТС-1, % об. Толщина образца, мкм Диэлектрическая проницаемость в Тангенс угла диэлектрических потерь5
теор. экспер.
НЦТС-1 740 - 8.9 0.018
Полимер 0 18 2848 8.9 0.043
Полимер 21 13 - 43.0 0.026
Полимер 58 32 6.0 17.5 0.013
Из таблицы 1 видно, что теоретическое значение диэлектрической проницаемости для пленки Полимер + 58% об наполнения НЦТС-1 значительно меньше, наблюдаемого экспериментально, что может быть следствием более низкого, чем предполагалось, реального содержания наполнителя в пленке. С другой стороны, количество наполнителя в композите, определенное методом сжигания, также оказалось меньше ожидаемого. Так, при сжигании пленки композита 58% об наполнения эта величина стала равна 52%. Для уточнения процентного содержания наполнителя в композитах были сняты инфракрасные (ИК) спектры для пленок чистого полимера, пленок двух композитов различного процентного наполнения (Полимер +21% об и Полимер +58% об) и самого наполнителя, запрессованного с КВг. ИК спектры композитов имеют ярко выраженную частоту поглощения 603 см-1, которая отсутствует в спектре чистого полимера. Интенсивность этой полосы возрастает с увеличением процентного содержания наполнителя. Эту частоту следует отнести к валентным колебаниям оксидной группы НЦТС-1.
Отсутствие новых частот поглощения в ИК спектрах композитов по сравнению с ИК спектрами самого полимера и наполнителя позволяет говорить, что между полимером и наполнителем не происходит химических взаимодействий друг с другом.
Для анализа данных ИК спектроскопии исследуемых пленок из композита используем модель двухслойной структуры, предложенную в работе [16]. Для оценки толщин полимерной прослойки и слоя пьезокерамического порошка используем формулу для относительной диэлектрической проницаемости в композита, предложенную в [16]:
8=(8182(1+ё2/ё1))/(81/(ё1/ё2)+82) ,
Раздел 2. Технология машиностроения и материалы.
где: 81 и 82 - относительные диэлектрические проницаемости полимера и сегнетокерамиче-ского наполнителя соответственно; ё1 и ё2 - толщина слоев полимерной матрицы и наполнителя соответственно.
По полученным значениям толщин слоев, используя данные ИК спектров и закон поглощения Буггера, были рассчитаны концентрации сегнетокерамического порошка в пленке. Для этого анализа концентрации наполнителя в композите была выбрана полоса поглощения в области 1325 см-1, интенсивность которой существенно изменяется с изменением концентрации полимера в композите. Результаты расчетов показали, что для композита Полимер +21% об наполнения толщина полимерной прослойки и сегнетокерамического порошка составили 3.5 мкм и 9.5 мкм соответственно, что отвечает концентрации наполнителя в пленке 17% об. Для композита Полимер +58% об наполнения толщина полимерной прослойки и сегнетокерамического порошка составили соответственно 11.3 мкм и 20.7 мкм, что отвечает концентрации наполнителя 52% об, что совпало со значением, полученным при сжигании. Полученные концентрации наполнителя в исследованных пленках несколько меньше приведенных ранее значений 21% об и 58% об.
После осаждения и термообработки на пленку напылялись алюминиевые электроды и изучалась зависимость диэлектрической проницаемости от температуры (рисунок 4). Так как тензор диэлектрической проницаемости сополимера связан с ориентацией макромолекул, то диэлектрическая проницаемость перпендикулярно поверхности пленки будет минимальной, что ясно видно из сравнения графиков на рисунке 4, где нижняя кривая описывает зависимость 8 от температуры Т (°С) для ориентированной пленки с 60%об наполнением, а верхняя - для неориентированной с тем же наполнением.
20--
15-'' .................Т
i-e--1-1-1-1-1-1-
50 100 150 200 250 300 350
Рисунок 4 - Зависимость диэлектрической проницаемости б от температуры для ориентированной и неориентированной пленок
Проводящие электроды - неотъемлемая часть любого пьезоэлектрического элемента преобразователя. В общем случае они представляют собой слой металла, наносимый на поверхность пьезоэлектрической композитной полимерной пленки.
На практике нанесенные электроды являются источником ряда затруднений, в частности тогда, когда необходимы очень хорошо воспроизводимые и оптимальные свойства керамических элементов. В идеальном случае металлический слой должен прочно сцепляться с поверхностью пленки, он должен быть очень тонким, иметь практически нулевое электрическое сопротивление и высокую стойкость к химическим и физическим воздействиям. Кроме того, должна быть обеспечена возможность такой пайки выводов к металлу, чтобы спай имел большую прочность при растяжении и хорошую надежность. На практике эти идеальные свойства получить не всегда возможно.
Сцепление электродов с пленкой особенно важно. Если имеется какая-либо потеря прочности сцепления, то зазор между электродом и пленкой с высокой б действует как последовательно включенная емкость малой величины. Присутствующий в зазоре воздух очень сильно понижает эффективную емкость пленочного элемента преобразователя. При прило-
жении электрического поля наибольшее падение напряжения происходит в указанном зазоре. Это мешает поляризации, если зазор возник до осуществления этой стадии. При последующем использовании пленочного элемента он ухудшает эффективность работы преобразователя. В худшем случае металл электродов может даже отслоиться от пленки, что приводит ее в полную негодность. Для возбуждения механических перемещений во многих случаях к пьезоэлектрическим преобразователям прикладывается высокое электрическое напряжение большой мощности. В этих условиях дефектное сцепление электродов с пленкой проявляется довольно быстро.
В результате экспериментального исследования различных металлических покрытий наиболее оптимальным покрытием был выбран напыленный в вакууме алюминиевый слой.
На основе пленочного композиционного материала разработаны пленочные сенсоры с различными видами напыленных электродов, в частности с нанесенными встречноштырье-выми преобразователями (ВШП).
На основе пленочных композиционных материалов были изготовлены образцы конструкционного материала с интеллектуальными свойствами. Пример такого материала показан на рисунке 5. Здесь 1 - дискретные пьезополимерные сенсоры с ВШП, 2 - интегрированные в материал пленочные сенсоры в виде распределенной системы с прямоугольными преобразователями и ВШП.
Рисунок 5 Рисунок 6
Актюаторами для такого материала служили конструкции в виде волокнистого материала из пьезополимерных волокон с нанесенными на их поверхность ВШП (рисунок 6).
Литература
1. Sporn D., Schoenecker A. Composites with piezoelectric thin fibers - first evidence of piezoelectric behavior // Mat Res Innovat (1999) 2: 303-308.
2. Tressler a J.F., Alkoy a S., Dogan b A., Newnham R.E. Functional composites for sensors, actuators and transducers //Composites: Part A 30 (1999) 477-482.
3. Qing-qi Zhang, Helen Lai-wa, Chan Qifa Zhou, Chung-loong Choy PCLT/P(VDF-TrFE) 0-3 nanocomposite thin films for pyroelectric applications Mat Res Innovat (1999) 2: 283-288.
4. Chen Y, Chan HLW, Choy CL (1996) Proc. 10 th IEEE Intl. Symp. Application of Ferroelec-trics (ISAF'96) vol. II IEEE, New York, pp 619-622.
5. Chen Y, Chan HLW, Choy CL (1998) J Korean Phys Soc 32: S1072.
6. Gururaja TR, Safari A, Newnham RE, Cross LE (1987) Piezoelectric ceramic-polymer composites for transducer applications, chap 2.3, In: Levinson LM (ed) Electronic ceramics. Marcel Dekker, NY.
7. Физический энциклопедический словарь - М.: Советская энциклопедия. 1965, Т. 4, с. 251.
8. Лесных О.Д., Артемьев В.А., Шерман М.Я. и др. Получение пьезопленок. Свойства и применение. - М.: НИИТЭХим, Обз. инф. Сер. Полимеризационные пластмассы. 1989, 35с.
9. Лущейкин Г.А. Полимерные пьезоэлектрики - М.: Химия, 1990, с. 176.
10. Патент США № 4874727, С04В 35/00, 1990.
11. Патент США № 5505870 С04В 35/46 1998.
12. Ting R.Y. A review on the development of piezoelectric composites for underwater acoustic ap-
plications // IEEE Trans Instrum Meas 1992; 41: 64.
13. Newnham RE, Fernandez JF, Markowski KA, Fielding JT, Dogan A, Wallis J. Composite piezoelectric sensors and actuators // Mater Res Soc Proc 1995; 360: 33.
14. Sidorov O.V., Schetinin A.M., Frenkel G.G. New Sensor Composites based on aromatic polyamide // Thesis of 13TH international conference on composite materials, Beijing China, June 25 - 29, 2001.
15. Сидоров О. В. Ориентационное упорядочение в композитной пленке в процессе осаждения из раствора // Международный симпозиум ОМА-2003, г. Ростов, ИФ РГГУ, 2003.
16. Платонова И.В., Сидоров О.В., Тараскин С.А. Пьезоэлектрические свойства пленок полимерных композитов с сегнетоэлектрическим наполнителем // Сб. трудов 7-го международного симпозиума ОDPO-2004 - Ростов н/Д: ИФ РГГУ, 2004, с. 61-62.
К вопросу об особенностях проектирования и моделирования сварных конструкций корпусных деталей станков
к.т.н. проф. Михайлов В.А., Порхунов С.Г.
МГТУ «МАМИ» + 7-495-22S-05-2S доб. ¡S27
Ключевые слова: корпусные детали, сварные конструкции, метод конечных суперэлементов, виброустойчивость, деформация. Корпусные детали в станках являются наиболее сложными по своей конфигурации, трудоемкими при изготовлении. Поэтому основная задача заключается в разработке метода определения показателей статического и динамического качества корпусных деталей с учетом сварных соединений.
По сравнению с другими типами неразъемных соединений сварные соединения в настоящее время являются наиболее распространенными в современных условиях производства станков - это объясняется тем, что они наиболее технологичные и экономичные. Традиционные методы расчета и проектирования сварного соединения зависят от типа соединения, способа сварки и вида шва [6]. Кроме общих предположений, характерных для расчета напряженно-деформированного состояния, при построении моделей сварных соединений для выполнения приближенных инженерных расчетов делаются некоторые дополнительные допущения, свойственные именно этому типу соединений: свариваемые детали и швы являются деформируемыми; не учитываются концентрации напряжений, наличие которых характерно для мест резкого изменения формы, а расчет выполняется только по номинальным напряжениям; материал шва считается однородным и изотропным; деформации считаются малыми и пропорциональными напряжениям.
Таким образом, решение поставленной задачи является достаточно сложным и требует серьезных исследований.
В качестве основного метода для определения статических и динамических показателей качества конструкции выбран метод конечных элементов в форме метода суперэлементов [5].
Рассмотрим алгоритм метода суперэлементов. Пусть рассчитываемая конструкция разделена на несколько частей - подструктур, каждая из которых в свою очередь состоит из базисных конечных элементов. Условия равновесия подструктуры выражаются системой алгебраических уравнений:
[K ]{q ) = (F),
где: [ K ] - общая матрица жесткости подструктуры;
(q I й
- вектор узловых перемещений;
(F) - -
v > - вектор узловых усилий, действующих на подструктуру.
