CC BY
0
УДК 681.586.773
doi: 10.21685/2307-4205-2023-3-10
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОВЫШЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТОВ ИЗ КЕРАМИКИ ТИПА ЦИРКОНАТ-ТИТАНАТ СВИНЦА
В. В. Кикот1, Е. А. Данилова2, А. А. Трофимов3, Т. О. Жуков4
1 Научно-исследовательский институт физических измерений, Пенза, Россия 2 3 4 Пензенский государственный университет, Пенза, Россия 1 piezo@niifi.ru, 2 siori@list.ru, 3 alex.t1978@mail.ru, 4 DarkR0ket04@mail.ru
Аннотация. Актуальность и цели. Важнейшим стимулом к исследованию пьезокерамических материалов служат возрастающие требования к расширению диапазона рабочих температур, улучшению метрологических характеристик, устойчивости к воздействию дестабилизирующих факторов устройств, создаваемых на их основе. При этом наряду с поиском новых перспективных материалов и отработкой технологии их изготовления, направленными на решение отмеченных проблем, все более необходимой является разработка высокотемпературных текстурированных материалов для изготовления многослойных пьезоэлементов преобразователей. Материалы и методы. Методы исследований выбирали, исходя из возможности получения наиболее полной информации об изменении структуры и свойств материала после спекания и поляризации изделий. При выполнении исследований проводилась термотренировка пьезоэлементов. В ходе работы проводили измерения геометрических размеров и электрофизических параметров элементов пьезокерамических. Результаты. Подтверждены основные технические характеристики пьезомодуля, предназначенного для работы в составе лазерных гироскопов. Выявлено, что для получения более плотной керамики требуется разработать метод горячего прессования. Электрическая емкость элементов пьезокерамических соответствует требованиям, предъявляемым со стороны заказчика.
Ключевые слова: пьезомодуль, пьезокерамический элемент, электротермотренировка, емкость, ток утечки
Для цитирования: Кикот В. В., Данилова Е. А., Трофимов А. А., Жуков Т. О. Исследование влияния повышенной температуры на технические характеристики пьезоэлементов из керамики типа цирконат-титанат свинца // Надежность и качество сложных систем. 2023. № 3. С. 83-89. doi: 10.21685/2307-4205-2023-3-10
INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF INCREASED TEMPERATURE ON THE TECHNICAL CHARACTERISTICS OF PIEZO ELEMENTS FROM CERAMICS OF THE ZIRCONATE-TITANATE LEAD TYPE
V.V. Kikot1, E.A. Danilova2, A.A. Trofimov3, T.O. Zhukov4
1 Scientific Research Institute of Physical Measurements, Penza, Russia 2 3 4 Penza State University, Penza, Russia 1 piezo@niifi.ru, 2 siori@list.ru, 3 alex.t1978@mail.ru, 4 DarkR0ket04@mail.ru
Abstract. Background. The most important stimulus for the study of piezoceramic materials is the increasing requirements for expanding the operating temperature range, improving metrological characteristics, and resistance to destabilizing factors of devices created on their basis. At the same time, along with the search for new promising materials and the development of their manufacturing technology aimed at solving the noted problems, it is increasingly necessary to develop high-temperature textured materials for the manufacture of multilayer piezoelectric transducers. Materials and methods. Research methods were chosen based on the possibility of obtaining the most complete information about the change in the structure and properties of the material after sintering and the polarization of products. When performing research, thermal training of piezoelectric elements was carried out. In the course of the work, measurements of the geometric dimensions and electrical parameters of piezoceramic elements were carried out. Results. The main technical characteristics of the piezoelectric module intended for operation as part of laser gyroscopes have been confirmed. It was found that in order to obtain denser ceramics, it is required to develop a method of hot pressing. The electrical capacitance of the piezoceramic elements meets the requirements of the customer.
Keywords: piezoelectric module, piezoceramic element, electric thermal training, capacitance, leakage current
© Кикот В. В., Данилова Е. А., Трофимов А. А., Жуков Т. О., 2023. Контент доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 License / This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.
For citation: Kikot V.V., Danilova E.A., Trofimov A.A., Zhukov T.O. Investigation of the influence of increased temperature on the technical characteristics of piezo elements from ceramics of the zirconate-titanate lead type. Nadezhnost' i kachestvo slozhnykh sistem = Reliability and quality of complex systems. 2023;(3):83-89. (In Russ.). doi: 10.21685/2307-4205-2023-3-10
Создание пьезокерамических материалов с оптимальными свойствами для различных применений является важной материаловедческой задачей. Параметры пьезоэлементов в значительной степени определяются составом пьезокерамического материала, из которого они изготавливаются.
Анализ литературных данных показывает, что в настоящее время основой для разработки высокотемпературных пьезоматериалов являются титанат свинца, метаниобат свинца, титанат-калия-висмута и висмутсодержащие слоистые сегнетоэлектрики, цирконат-титанат свинца, причем наиболее перспективным направлением получения новых пьезоматериалов с оптимальным набором практически важных параметров стало создание многокомпонентных систем твердых растворов [1, 2].
Однако пьезоэлектрические материалы, применяемые в настоящее время, по некоторым параметрам не удовлетворяют запросы современной измерительной техники, в частности из-за низкой стабильности пьезоэлектрических характеристик в рабочем интервале температур, низкой пьезочув-ствительности высокотемпературных материалов, высокой электропроводности при повышенных температурах и т.п. Указанные соображения подтверждают актуальность темы исследования в части работ по исследованию влияния повышенной температуры на технические характеристики пьезоэле-ментов, входящих в состав лазерных гироскопов [3-6].
Для проведения исследований проводилась термотренировка пьезоэлементов производства АО «НИИФИ» по следующему порядку:
- измерение электрических параметров: тока утечки при подаче на электроды элемента электрического напряжения (200 ± 5) В в НКУ и электрической емкости;
- проведение термотренировки:
а) подача на элемент электрического напряжения постоянного тока 200 ± 5 В, векторно совпадающего с направлением поляризации элемента;
б) подъем температуры до 100 ± 2 °С и выдержка элемента при этой температуре в течение 1 ч;
в) измерение тока утечки при подаче на электроды элемента электрического напряжения 200 ± 5 В при температуре 100 ± 2 °С и электрической емкости;
г) снятие электрического напряжения с электродов элемента;
д) снижение температуры до комнатной;
- измерение электрических параметров: тока утечки при подаче на электроды элемента электрического напряжения 200 ± 5 В в МКУ и электрической емкости.
Элементы считаются выдержавшими испытание, если значение емкости до испытаний и после испытаний изменилось не более чем на 20 %, а емкость, измеренная при температуре 100 ± 2 °С, увеличилась не более чем на 70 %.
Элементы считают выдержавшими испытание, если ток утечки, измеренный при подаче постоянного напряжения 200 В до испытаний, во время испытаний и после испытаний не превысил 0,1 мкА.
Результаты измерения геометрических размеров и электрофизических параметров 15 элементов пьезокерамических (далее - элементов) приведены в табл. 1, где Ad - изменение диаметра элемента при приложении постоянного электрического напряжения 1041 ± 2 В к его электродам; h - толщина элемента; 1ут - ток утечки, измеренный при приложении напряжения 200 В к электродам элемента; ТТ - электротермотренировка; С - емкость.
Таблица 1
Результаты измерения геометрических размеров и электрофизических параметров элементов пьезокерамических
Номер элемента Ad, мкм на 100 В С, нФ Вес, г h, мм 1ут, мкА
До ТТ После ТТ До ТТ При 100 °С После ТТ До ТТ При 100 °С После ТТ
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
1 1,40 1,25 15,80 21,28 15,52 1,152 0,374 0,01 0,03 0,02
2 1,40 1,35 15,68 21,38 15,44 1,155 0,382 0,02 0,03 0,01
3 1,40 1,30 15,80 21,41 15,68 1,144 0,374 0,01 0,03 0,01
4 1,40 1,35 15,69 21,20 15,45 1,142 0,376 0,01 0,03 0,01
5 1,40 1,40 15,41 21,03 15,43 1,146 0,379 0,01 0,03 0,01
6 1,40 1,35 16,30 21,87 16,16 1,143 0,379 0,02 0,05 0,01
Окончание табл. 1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
7 1,40 1,25 16,04 21,70 16,01 1,146 0,376 0,02 0,04 0,02
8 1,30 1,20 15,74 21,26 15,64 1,169 0,388 0,02 0,04 0,01
9 1,30 1,15 15,98 21,58 15,88 1,160 0,381 0,01 0,02 0,01
10 1,40 1,35 16,10 21,90 16,04 1,136 0,376 0,01 0,02 0,01
11 1,40 1,35 15,80 21,28 15,52 1,140 0,378 0,01 0,02 0,02
12 1,30 1,25 16,17 21,40 16,05 1,150 0,373 0,01 0,02 0,01
13 1,40 1,25 15,82 21,53 15,67 1,149 0,379 0,01 0,03 0,01
14 1,40 1,35 15,74 21,31 15,61 1,145 0,375 0,02 0,03 0,01
15 1,40 1,35 16,00 21,67 15,87 1,146 0,378 0,01 0,02 0,01
16 1,35 1,35 15,79 21,42 15,68 1,153 0,379 0,01 0,02 0,01
По результатам измерений на примере элемента был подсчитан пьезомодуль пьезокерамики d31 согласно формуле
d31 =
Adh
U „., D
где Ad - изменение диаметра элемента при приложении напряжения 100 В, м; D - наружный диаметр элемента, м; d - диаметр центрального отверстия элемента, м; h - толщина элемента, м; Uвх - электрическое напряжение, равное 100 В.
Для элемента № 16:
= 05-10-6 ■ 0,379-Ю- = Кл
31 100-23-10 Н
Также были проверены такие параметры, как плоскостность элементов и адгезия покрытия.
Для экспериментальной пайки блока пьезоэлектрического использовались элементы № 9 и № 12. Электрофизические параметры спаянного блока пьезоэлектрического:
- Ао - деформация при приложении постоянного напряжения 0 В к контакту « + », -200 В к контакту «-» и изменении напряжения на контакте «1» от 0 до -200 В - Ао = 10,9 мкм (по КД на блок пьезоэлектрический - не менее 10,0 мкм);
- /ут - ток утечки при приложении постоянного напряжения 250 В к контактам «1» и « + » -Тут = 0,01 мкА; к контактам «1» и «-» - /ут = 0,03 мкА (по КД на блок пьезоэлектрический - не более 0,15 мкА);
- С+- емкость верхнего элемента - С+= 13,83 нФ (по КД на блок пьезоэлектрический - 20,0... 60,0 нФ);
- С- - емкость нижнего элемента - С- = 13,63 нФ (по КД на блок пьезоэлектрический - 20,0. 60,0 нФ).
Проверка качества паяного соединения проводилась методом разрушающего контроля.
С использованием элемента и экспериментального блока пьезоэлектрического были изготовлены шлифы. Фотографии шлифов при разном увеличении представлены на рис. 1-3.
Рис. 1. Фотография микроструктуры элемента пьезокерамического. Увеличение 100>
Рис. 2. Фотография микроструктуры элемента пьезокерамического в составе блока пьезоэлектрического. Увеличение 100*
Рис. 3. Фотография микроструктуры элемента пьезокерамического. Увеличение 400*
Представленные фотографии свидетельствуют о том, что структура элементов пьезокерамиче-ских пористая. Поры составляют 25-30 % фазового состава материала. Толщина электродов 10...12 мкм [7].
Графики относительного удлинения неполяризованной и поляризованной пьезокерамики в зависимости от температуры представлены на рис. 4 и 5.
Температувз, °С
Рис. 4. Графики относительного удлинения пьезокерамики в зависимости от температуры
Температура, "С
Рис. 5. Графики относительного удлинения пьезокерамики в зависимости от температуры
Из графиков относительного удлинения пьезокерамики в зависимости от температуры можно сделать предположение, что при повышении температуры на наклеенном на ситалловую подложку пьезоэлементе не возникнет микроструктурных дефектов, приводящих к ухудшению электрофизических характеристик.
Заключение
1. Пьезомодуль элементов пьезокерамических d31 = 222 • 10-12 Кл/Н соответствует требованиям, предъявляемым к элементам пьезокерамическим для их успешной работы в составе лазерных гироскопов.
2. Материал пьезокерамики обладает повышенной пористостью, что увеличивает вероятность появления трещин в процессе пайки и при термических воздействиях, а также повышает опасность пробоя пьезоэлементов во время пайки и в процессе эксплуатации лазерных гироскопов. Повышенная пористость обусловлена способом изготовления элементов - холодного полусухого прессования. Для получения более плотной керамики требуется разработать метод горячего прессования, что влечет за собой приобретение нового оборудования на предприятии-изготовителе [8].
3. При проведении термотренировки элементы ведут себя стабильно: при температуре 100 °С ток утечки не возрастает, емкость возрастает не более, чем на 30 %. Выход годных при проведении термотренировки составляет 100 %.
4. Электрическая емкость элементов пьезокерамических соответствует требованиям, предъявляемым к элементам пьезокерамическим для их работы в составе лазерных гироскопов.
Список литературы
1. Трофимов А. А., Кикот В. В., Фокина Е. А. [и др.]. Исследование технологии создания высокотемпературных текстурированных материалов для изготовления многослойных пьезоэлементов преобразователей // Надежность и качество сложных систем. 2023. № 2. С. 90-95.
2. Губич И. А., Кикот В. В., Трофимов А. А. [и др.]. Исследование многослойных пьезоактюаторов инжекторов системы управления питанием двигателей внутреннего сгорания // Проблемы автоматизации и управления в технических системах : XXXIV сб. ст. Междунар. науч.-практ. конф. Пенза : Изд-во ПГУ, 2021. С. 98-103.
3. Голяев Ю. Д., Запотылько Н. Р., Недзвецкая А. А. [и др.]. Лазерные гироскопы с увеличенным временем непрерывной работы // Датчики и системы. 2011. № 11. С. 49-51.
4. Голяев Ю. Д., Запотылько Н. Р., Недзвецкая А. А., Синельников А. О. Термостабильные оптические резонаторы для зеемановских лазерных гироскопов // Оптика и спектроскопия. 2012. Т. 113, № 2. С. 253.
5. Запотылько Н. Р., Катков А. А., Синельников А. О. Пассивная термокомпенсация оптического периметра лазерных гироскопов, изготовленных с использованием различных конструкционных материалов // Датчики и системы. 2014. № 1. С. 8-13.
6. Запотылько Н. Р., Катков А. А., Недзвецкая А. А. Пьезокорректор для компенсации тепловых вариаций длины оптического пути резонатора лазерного гироскопа // Оптический журнал. 2011. Т. 78, № 10. С. 10-12.
7. Перевертов В. П., Андрончев И. К., Юрков Н. К. Порошковые композиты и наноматериалы в гибких технологиях формообразования деталей // Надежность и качество сложных систем. 2020. № 2. С. 85-95. 10.21685/2307-4205-2020-2-9
8. Разоренов А. Г., Медведев А. М. Электрохимическая модель отказов электроизоляционных конструкций из композиционных материалов // Надежность и качество сложных систем. 2016. № 3. С. 11-14. 10.21685/2307-4205-2016-3-2
1. Trofimov A.A., Kikot V.V., Fokina E.A. et al. Investigation of the technology of creating high-temperature textured materials for the manufacture of multilayer piezoelectric elements of converters. Nadezhnost' i kachestvo slozhnykh system = Reliability and quality of complex systems. 2023;(2):90-95. (In Russ.)
2. Gubich I.A., Kikot V.V., Trofimov A.A. et al. Investigation of multilayer piezoactuators of injectors of the internal combustion engine power management system. Problemy avtomatizatsii i upravleniya v tekhnicheskikh sistemakh: XXXIV sb. st. Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. = Problems of automation and control in technical systems : XXXIV collection of articles of the International scientific and practical conference. Penza: Izd-vo PGU, 2021:98-103. (In Russ.)
3. Golyaev Yu.D., Zapotyl'ko N.R., Nedzvetskaya A.A. et al. Laser gyroscopes with extended continuous operation time. Datchiki i sistemy = Sensors and systems. 2011;(11):49-51. (In Russ.)
4. Golyaev Yu.D., Zapotyl'ko N.R., Nedzvetskaya A.A., Sinel'nikov A.O. Thermostable optical resonators for Zeeman laser gyroscopes. Optika i spektroskopiya = Optics and spectroscopy. 2012;113(2):253. (In Russ.)
5. Zapotyl'ko N.R., Katkov A.A., Sinel'nikov A.O. Passive thermal compensation of the optical perimeter of laser gyroscopes manufactured using various structural materials. Datchiki i sistemy = Sensors and systems. 2014;(1):8-13. (In Russ.)
6. Zapotyl'ko N.R., Katkov A.A., Nedzvetskaya A.A. Piezocorrector for compensation of thermal variations in the length of the optical path of the laser gyroscope resonator. Opticheskiy zhurnal = Optical Journal. 2011;78(10): 10-12. (In Russ.)
7. Perevertov V.P., Andronchev I.K., Yurkov N.K. Powder composites and nanomaterials in flexible technologies of forming parts. Nadezhnost' i kachestvo slozhnykh system = Reliability and quality of complex systems. 2020;(2):85-95. (In Russ.). doi: 10.21685/2307-4205-2020-2-9
8. Razorenov A.G., Medvedev A.M. Electrochemical model of failures of electrical insulating structures made of composite materials. Nadezhnost' i kachestvo slozhnykh system = Reliability and quality of complex systems. 2016;(3):11-14. (In Russ.). doi: 10.21685/2307-4205-2016-3-2
References
Информация об авторах / Information about the authors
Виктор Викторович Кикот
кандидат технических наук, начальник центра пьезопроизводства, Научно-исследовательский институт физических измерений (Россия, г. Пенза, ул. Володарского, 10) E-mail: piezo@niifi.ru
Viktor V. Kikot
Candidate of technical sciences, head of piezo production center, Research and Development Institute for Physical Measurements (10 Volodarsky street, Penza, Russia)
(Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: siori@list.ru
Евгения Анатольевна Данилова
кандидат технических наук,
доцент кафедры конструирования и производства радиоаппаратуры,
Пензенский государственный университет
Evgeniya A. Danilova
Candidate of technical sciences, associate professor of the sub-department of radio equipment design and production, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Алексей Анатольевич Трофимов
доктор технических наук, доцент,
профессор кафедры информационно-измерительной
техники и метрологии,
Пензенский государственный университет
(Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: alex.t1978@mail.ru
Тимофей Олегович Жуков
студент,
Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: DarkR0ket04@mail.ru
Aleksei A. Trofimov
Doctor of technical sciences, associate professor, professor of the sub-department of information and measuring equipment and metrology, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Timofei O. Zhukov
Student,
Penza State University
(40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов / The authors declare no conflicts of interests.
Поступила в редакцию/Received 17.06.2023 Поступила после рецензирования/Revised 17.07.2023 Принята к публикации/Accepted 15.08.2023
