ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ГЕНЕРАТОР И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК H01L41/83 H01L41/22 

Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно: к пьезоэлектронике, преобразователям механической энергии в электрическую энергию, к источникам электрического заряда высокого напряжения на основе пьезокерамики.

Известны пьезоэлектрические приборы - преобразователи механической энергии в электрическую энергию. Преобразование энергии за счет деформации пьезокерамического элемента, состоящего из поляризованной сегнетоэлектрической керамики, происходит в пьезоэлектрических датчиках (В.В. Янчич. Пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи. Ростов-на-Дону, Издательство «ЮФУ», 2010), а в бытовых приборах - пьезозажигалках - образуется высоковольтный разряд. При продольной, относительно вектора остаточной поляризованности, деформации сжатия-растяжения пьезокерамического элемента под действием силы, приложенной нормально к плоскостям электродов, согласно определению пьезоэффекта, на электродах возникает заряд.

Известны взрывные генераторы для метеорологического применения, преобразующие механическую энергию ударной волны, распространяющейся в рабочем теле, в высоковольтную электрическую энергию (Прищепенко А.Б., Третьяков Д.В., Щелкачев М.В. Баланс энергии взрывного пьезоэлектрического генератора частоты. Труды конференции «Мегагаусная и мегаамперная технология применения», г. Саров, ВНИИЭФ, 1997, с. 954÷958). Основным элементом таких генераторов является рабочее тело, выполненное как пакет из n пластин поляризованного сегнетоэлектрического материала с нанесенными на них токопроводящими поверхностями. Ударная волна в рабочем теле формируется специальным зарядом взрывчатого вещества. Достоинствами рассматриваемых устройств являются компактность и полная автономность от внешних источников энергии.

Взрывная ударная волна имеет большую интенсивность, и доминирующим процессом при конверсии механической энергии ударной волны в электрическую энергию является процесс перехода сегнетоэлектрического состояния в параэлектрическое.

Ток источника i_Э и возникающий заряд Q, в предположении о линейности свойств материала рабочего тела, могут быть оценены по формулам:

где: n - число пластин сегнетоэлектрического материала с нанесенными на них токопроводящими поверхностями;

ΔР - скачок поляризации на фронте ударной волны;

u_Э - скорость движения фронта ударной волны, u_Э приравнивают к скорости звука в рабочем теле;

S_Э - площадь контактных поверхностей сегнетоэлектрического рабочего тела;

δ=nh - путь ударной волны по сегнетоэлектрическому рабочему телу;

h - расстояние между контактными поверхностями сегнетоэлектрических пластин;

t=δ/u_Э - время протекания тока.

Известный взрывной пьезогенератор (патент РФ №2154888, прототип) содержит генератор ударной волны, пьезоэлектрический преобразователь энергии ударной волны в электрическую энергию, выполненный в виде одной пьезопластины с электродами на двух противоположных гранях, параллельных направлению распространения ударной волны.

К недостаткам данных конструкций высоковольтного генератора относятся:

- наличие во взрывных генераторах взрывчатого вещества и сопутствующей ему системы инициализации для создания ударной волны;

- наличие источника электрической энергии (аккумулятора, батарейки) и электронной начинки для образования высокого напряжения;

- относительно малые значения возникающего заряда в единице объема рабочего тела при необходимости создания высоких значений разности потенциалов между нанесенными на пластины токопроводящими поверхностями.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является, при сохранении достоинств (компактности и полной автономности), достижение технического результата, заключающегося:

- в создании высоковольтного генератора, исключающего наличие взрывчатого вещества, преобразующего работу механического удара в высоковольтную электрическую энергию с помощью рабочего тела пьезоэлектрического высоковольтного генератора под воздействием ударной волны, например, в объеме выстрела типа ВОГ-25 подствольного гранатомета типа ГП-25;

- в уменьшении времени образования и увеличении значения возникающего электрического заряда в единице объема рабочего тела при высоких значениях разности потенциалов между нанесенными на пластины токопроводящими поверхностями.

Поставленная задача решается в пьезоэлектрическом высоковольтном генераторе, состоящем из инерционной массы и пакета из пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с высокими значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения и заданной для каждой пластины прочностью на сжатие, механически соединенных последовательно так, что возникающие в пластинах при ударе механические напряжения суммируются, а электрически соединенных параллельно так, что суммируются возникающие в пластинах электрические заряды с одинаковой разностью потенциалов, для чего расстояния между нанесенными на пластины токопроводящими поверхностями устанавливают такими, чтобы их значения, умноженные на значения механического напряжения и пьезоэлектрического коэффициента напряжения, были одинаковы для каждой пластины в пакете, причем рабочее тело подвергается воздействию ударной волны; и размещаемом, например, в объеме выстрела типа ВОГ-25 подствольного гранатомета типа ГП-25.

Заявляемый высоковольтный генератор и свойства составляющих его элементов иллюстрируются Фиг. 1 и 2, Табл. 1.

Фиг. 1а - Механическая схема пьезоэлектрического высоковольтного генератора.

Фиг. 16 - Электрическая схема пьезоэлектрического высоковольтного генератора.

Фиг. 1в - Габаритные размеры выстрела ВОГ-25.

M₀ - инерционная масса.

1÷6 - пластины плотностью ρ_k поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с повышенными значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения и заданной для каждой - k-й пластины прочностью на сжатие

7 - электроды,

8 - монтажная лента из серебра,

9 - закладные детали - электроды токосъемников,

10 - корпус из пористого полимерного материала,

11 - направление поляризации каждой пластины,

- направление движения генератора при уларе,

- направление сил сжатия (инерции) при ударе.

Фиг. 2 Зависимости свойств пьезокерамики с закрытой пористостью (связности 3-0) от пористости.

Фиг. 2а. Зависимость пьезомодулей d от пористости Р пьезокерамики с закрытой пористостью.

d₃₃ - продольный пьезомодуль;

d_v - объемный пьезомодуль;

d₃₁ - поперечный пьезомодуль.

Фиг. 2б. Зависимость диэлектрической проницаемости $${\epsilon }_{33}^T$$ от пористости Р пьзокерамики с закрытой пористостью.

Фиг. 2в. Зависимость прочности на сжатие Т_СЖ от пористости Р пьезокерамики с закрытой пористостью.

Таблица 1. Характеристики свойств пьезопластин рабочего тела высоковольтного генератора.

Таблица 2. Характеристики свойств пластин рабочего тела, изготовленных из поляризованного сегнетоэлектрического материала.

k - порядковый номер пластины;

P_k - пористость k-й пластины, %;

ρ_k - плотность k-й пластины, кг/м³;

$$T_{33}^k$$ - механические напряжения, возникающие в k-й пластине, 10⁸ Па;

$${\epsilon }_{33}^{T_k}$$ - диэлектрическая проницаемость k-й пластины;

$$g_{33}^k$$ - пьезоэлектрический коэффициент напряжения k-й пластины, В·м/Н;

h_k - расстояние между токопроводящими поверхностями k-й пластины, м;

Q_k - заряд, возникающий в k-й пластине, Кл;

U_k - разность потенциалов зарядов на токопроводящих поверхностях k-й пластины;

Х_k - концентрация вводимого порообразователя для k-й пластины с заданной прочностью на сжатие, мас. %. В поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалах связности 3-0, которым соответствует керамика с закрытой пористостью, при повышении ее пористости Р от ≈0 до ≈50% пьезомодуль d₃₃ практически не изменяется, а диэлектрическая проницаемость $${\epsilon }_{33}^T$$ и прочность на сжатие Т_СЖ уменьшаются, как это приведено на Фиг. 2а), 26) и 2в) причем в диапазоне 0≤Р≤30% изменения ε₃₃ (Р), g₃₃ (Р) и Т_СЖ (Р) определены экспериментально и описываются формулами:

где $${\epsilon }_{33}^{T_1}$$ , $$g_{33}^1$$ , $$T_{СЖ}^1$$ - характеристики «беспористой» керамики, которая соответствует спеченным без порообразователя образцам.

Характеристики «беспористой» керамики, соответствующей спеченным без порообразователя образцам, приведены в строке 1 Таблицы 1 и отражены на Фиг. 2.

В предлагаемой конструкции высоковольтного генератора (Фиг. 1а), размещаемого, например, в объеме выстрела типа ВОГ-25 (Фиг. 1в), рабочее тело представляет собой инерционную массу М₀ и пакет из n пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов (Фиг. 1б) плотностью ρ_k с высокими значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения и заданной для каждой - k-й пластины прочностью на сжатие $$T_{СЖ}^k$$ , причем механически пластины соединены последовательно так, что возникающие в пластинах при ударе со скоростью V механические напряжения $$T_{33}^k$$ суммируются, а электрически соединены параллельно так, что суммируются возникающие в пластинах электрические заряды с одинаковой разностью потенциалов U_k, для чего расстояния h_k между нанесенными на пластины токопроводящими поверхностями площадью S_k устанавливают такими, чтобы их значения h_k, умноженные на значения механического напряжения $$T_{33}^k$$ и пьезоэлектрического коэффициента напряжения $$g_{33}^k$$ , были одинаковы для каждой пластины рабочего тела.

Характеристики k-й пластины высоковольтного генератора согласно выявленным и ранее представленным экспериментальным закономерностям и константам описываются следующими формулами

Пластины в пакете соединяют механически последовательно так, что механические напряжения $$T_{33}^k$$ в k-й пластине при ударе генератора параллельны направлению поляризации, и их максимальные значения в пластинах составляют:

- для «верхней», n-й пластины (k=n)

- для k-й пластины

где а - ускорение высоковольтного генератора при ударе;

S_n - площадь контактной поверхности «верхней», n-й пластины.

Приравняв для k-й пластины значение $$T_{33}^k$$ значению прочности на сжатие $$T_{СЖ}^k$$ , по зависимостям характеристик поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов от пористости P_k, приведенным в формулах (3) (4) и (5), определяют требуемую пористость P_k композита и соответствующие этой пористости значения диэлектрической проницаемости $${\epsilon }_{33}^{T_k}$$ .

Электрически пластины соединены параллельно так, что суммируются возникающие электрические заряды с одинаковой разностью потенциалов для чего величины расстояния h_k определяют из условия постоянства произведения для каждой пластины.

Максимальное время возникновения зарядов с одинаковой разностью потенциалов U_k может быть оценено как время прохождения ударной волны (волны сжатия) по пластине с максимальным значением h_k, что существенно меньше времени прохождения волны сжатия последовательно по всем пластинам.

При значениях ускорения, обусловливающего превышение прочности на сжатие, процесс конверсии механической энергии сжатия в электрическую энергию происходит одновременно во всех пластинах рабочего тела и сопровождается скачком поляризации на фронте волны сжатия при переходе сегнетоэлектрического состояния в параэлектрическое.

Увеличение значения возникающего электрического заряда в единице объема рабочего тела при высоких значениях разности потенциалов между нанесенными на пластины токопроводящими поверхностями следует из зависимостей на Фиг. 2а) и 2б).

На Фиг. 2а) схематично приведены зависимости пьезомодулей d₃₃, и d₃₁ и d_v от пористости Р. Если значения поперечного пьезомодуля d₃₁ с увеличением пористости уменьшаются, объемного пьезомодуля d_v растет, то величина продольного пьезомодуля d₃₃, который определяет заряд, практически остается неизменной, а значение коэффициента напряжения, пропорциональное отношению с увеличением пористости увеличивается.

Таким образом, отличительным признаком высоковольтного генератора, преобразующего энергию ударной волны механического сжатия в электрическую энергию, является рабочее тело, подвергаемое воздействию ударной волны, например, в объеме выстрела типа ВОГ-25 подствольного гранатомета типа ГП-25, представляющее собой инерционную массу и пакет из пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с высокими значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения и заданной для каждой пластины прочностью на сжатие, механически соединенных последовательно так, что возникающие в пластинах при ударе механические напряжения суммируются, а электрически соединенных параллельно так, что суммируются возникающие в пластинах электрические заряды с одинаковой разностью потенциалов, для чего расстояния между нанесенными на пластины токопроводящими поверхностями устанавливают такими, чтобы их значения, умноженные на значения механического напряжения и пьезоэлектрического коэффициента напряжения, были одинаковы для каждой пластины в пакете.

Указанная совокупность отличительных признаков изобретения позволяет достичь технического результата, заключающегося в:

- создании пьезоэлектрического высоковольтного генератора заряда, например, в объеме выстрела типа ВОГ-25 подствольного гранатомета типа ГП-25, преобразующего работу механического напряжения сжатия, возникающего при ударе генератора, в электрическую энергию и исключающего наличие взрывчатого вещества;

- уменьшении времени образования и увеличении значения возникающего электрического заряда в единице объема рабочего тела при высоких значениях разности потенциалов между нанесенными на пластины токопроводящими поверхностями.

Образование электрического заряда происходит одновременно во всех пластинах и может быть оценено по времени прохождения волны сжатия по пластине с наибольшим расстоянием между токопроводящими поверхностями. Разности потенциалов зарядов на токопроводящих поверхностями пластин одинаковы и равны

Способ изготовления заявляемого высоковольтного генератора. Технологический процесс изготовления высоковольтных генераторов включает изготовление:

- пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с высокими значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения и заданной для каждой пластины прочностью на сжатие;

- пакетов из пластин, механически соединенных последовательно (в столбик) так, что возникающие в пластинах при ускорении механические напряжения суммируются, а электрически соединенных параллельно так, что суммируются возникающие в пластинах электрические заряды;

- сборку высоковольтного генератора в корпусе из пористого полимерного материала, включая сборку рабочего тела из инерционной массы и пакета пластин, а также токосъемников, в корпусе из пористого полимерного материала.

Процесс изготовления пластин из пористой пьезокерамики для генераторов начинается с приготовления партий смесей пресс-порошка синтезированного материала и порошка порообразователя, например, кукурузного крахмала или метилцеллюлозы. Пресс-порошок синтезированного материала, например ЦТС-46, изготавливается из порошка синтезированного материала, имеющего суммарную удельную поверхность в пределах (1±0,1) м²/г по прибору ПСХ-4, а размер зерен порошков органического порообразователя, например из метилцеллюлозы, Ø=6±1 мкм. Для каждой пластины партию смеси готовят отдельно в аппаратах смешения вихревого слоя (ABC), где хаотическое движение магнитных рабочих тел, например стальных иголок для патефонов, определяется вращающимся магнитным полем статора трехфазного электродвигателя. Объемное содержание порообразователя в смеси закладывается при загрузке и контролируется по величине насыпного веса смеси.

Прессование партий смесей порошков производят в пресс-формах, размеры которых учитывают усадку при спекании до 45% и необходимые припуски на механическую обработку.

Спекание заготовок проводят в свинецсодержащей засыпке по специальному температурно-временному режиму, в котором предусматривается подъем температуры со скоростью 25±3°C/ч, выдержка при температуре 450±10°C в течение 2,0±0,1 часа для выжигания связки и порошка порообразователя; спекание проводят при температуре 980±10°C в течение 3 часов.

Спеченные заготовки шлифуют по диаметру и, как чисто по плоскости, с припуском по высоте до 5 мм.

На шлифованных заготовках определяют плотность геометрически как отношение массы к объему (взвешивание на весах с погрешностью не более 0,1%, определение размеров штангенциркулем с ценой деления 0,01 мм. Итоговая погрешность определения плотности оценивается как не превышающая 1,0%. Из шлифованных заготовок выборочно, до 10% от каждой партии, изготавливают пробники, определяют электрофизические параметры и подвергают сдавливанию на гидравлическом прессе, определяя прочность на сжатие.

Заготовки партий с разной плотностью (пористостью) шлифуют в размер по высоте, определяемый на пробниках, в соответствии с вычисленными значениями.

Металлизацию плоских поверхностей пористых заготовок проводят традиционным способом, с нанесением серебросодержащей пасты через шелкотрафарет с закраинами и с вжиганием серебросодержащей пасты при значении пористости до 25%, когда пористость носит закрытый характер. На заготовках с открытой (сквозной) пористостью (больше 25%) вжиганием серебра металлизируют только контактные площадки, а затем напыляют через маску с закраинами серебро на все плоские поверхности.

Поляризацию заготовок проводят по режимам, подобранным на пробниках, например при температуре 120±3°C и напряженности поля 2,0±0,1 кВ/мм в течение часа.

Описанный способ использует известные технологии, но не обеспечивает изготовление пластин с требуемым набором параметров.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является достижение технического результата, заключающегося

в обеспечении технологических возможностей изготовления пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с высокими значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения и заданной для каждой пластины прочностью на сжатие с такими расстояниями между нанесенными на пластины токопроводящими поверхностями, чтобы их значения, умноженные на значения механического напряжения и пьезоэлектрического коэффициента напряжения, были одинаковы для каждой партии пластин.

Поставленная задача решается при использовании способа изготовления пьезоэлектрических высоковольтных генераторов, состоящих из корпуса из пористого полимерного материала с закладными электродами токосъемников и рабочего тела, включающего инерционную массу и пакет из пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с высокими значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения и заданной для каждой пластины прочностью на сжатие, причем изготовление каждой партии пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с заданной прочностью на сжатие включает операции: - приготовления пресс-порошка синтезированного материала, приготовления смеси пресс-порошка синтезированного материала и порообразователя, прессования из смеси заготовок и их высокотемпературной обработки (спекания), механической обработки, металлизации, поляризации и измерения параметров, отличающегося тем, что:

- партия смеси пресс-порошка с порообразователем для k-й пластины с заданной прочностью на сжатие $$T_{СЖ}^k$$ и пористостью P_K содержит порообразователь в концентрации Х_K, мас. %;

где $${К}_{ус}^{об}$$ - коэффициент объемной усадки пьезокерамического материала $${К}_{ус}^{об}=\mathrm{1,455}$$ ;

ρ_n/об - плотность порообразователя, ρ_n/об=1,2 г/см³;

ρ_рг - рентгеновская плотность пьезокерамического материала, ρ_рг=8,02 г/см³;

ρ_пр - плотность прессовки, ρ_пр=5,2 г/см³;

a P_k вычисляется из зависимости

где $$T_{СЖ}^1$$ - прочность на сжатие «беспористой» керамики первой, наиболее удаленной от инерционной массы, пластины, $$T_{СЖ}^1\approx 6\cdot {10}^8Па$$ ;

а - ускорение при ударе a=(1,3÷1,5)·10⁶ м/с²;

ρ₁ - плотность «беспористой» керамики первой, наиболее удаленной от инерционной массы, пластины, ρ₁=7,8·10³ кг/м³;

ρ_k - плотность k-й пластины ρ_k=ρ_рг·(1-P_k/100),

h_k - расстояние между нанесенными на пластину токопроводящими поверхностями,

- U_K - разность потенциалов зарядов на токопроводящих поверхностях пластин U_k≈10⁵ В;

а все данные сводятся в рабочую Таблицу 1, значения параметров в которой проверяют на пробниках;

для первой, наиболее удаленной от инерционной массы пластины, значения параметров приведены в первой строчке Таблицы 1, причем параметры инерционной массы определяются из формул:

$$F=T_{33}^n\cdot S_n=M_0\cdot a$$ ; M₀=ρ₀S_nh₀ следовательно

$$M_0=T_{33}^n\cdot S_n/a$$ и h₀=M₀/(P₀S_n)

где: ρ₀ - плотность инерционной массы,

h₀ - высота инерционной массы,

$$T_{33}^n$$ - прочность на сжатие верхней пластины, прилегающей к инерционной массе (k=n=6);

S_n - площадь контактной поверхности «верхней», n-й пластины.

Примеры расчетов при изготовлении пьезоэлектрических высоковольтных генераторов.

Ускорение а, возникающее в пластинах при ударе высоковольтного генератора оценивается а=(1,2÷1,5)10⁶ м/с²(~10⁵ g).

Пример 1. Пьезоэлектрический высоковольтный генератор для преобразования механической энергии удара в электрическую, в котором рабочее тело представляет собой инерционную массу М₀ и пакет из пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов, причем каждой пластине соответствуют свои значения плотности, прочности на сжатие и диэлектрической проницаемости.

Пьезоэлектрический высоковольтный генератор преобразует работу механического напряжения сжатия, возникающего при ударе генератора с ускорением a=1,282·10⁶ м/с², в электрическую энергию с разностью потенциалов зарядов на токопроводящих поверхностях пластин U_k=10⁵ В.

Ускорению a=1,282·10⁶ м/с² соответствует изменение скорости генератора с 70 м/с до нуля на расстоянии L=1,9·10^-3 м за 5,46·10^-5 с.

Габаритные размеры прибора: диаметр D=38 мм, высота h<65 мм.

Эти габаритные размеры удовлетворяют посадочным размерам выстрела типа ВОГ-25 подствольного гранатомета типа ГП-25 (Фиг. 1в).

Характеристики поляризованного композиционного «беспористого» сегнетоэлектрического материала при значении пористости Р₁≈0-2,7%:

предел механической прочности при сжатии $$T_{СЖ}^1=6\cdot {10}^8Па$$ .

Значения прочности на сжатие и диэлектрической проницаемости каждой из пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов при значениях пористости P_k в диапазоне 0≤P_k≤30% определяют по формулам (3), (4) и (5).

Возникающие в пластинах при ускорении a механические напряжения суммируются, и их максимальные значения в пластинах составляют:

- для «верхней», n-й пластины (k=n)

- для k-й пластины

для первой, нижней, пластины

В то же время для первой пластины максимальное значение $$T_{33}^1=T_{СЖ}$$ , и характеристики композиционного «беспористого» сегнетоэлектрического материала соответствуют приведенным выше значениям при пористости Р≈0-2,7%:

Для получения разности потенциалов U_k=10⁵ В в первой пластине, при пористости Р₁≈0-2,7%, расстояние h₁ между токопроводящими поверхностями составит:

Заряд

Для второй пластины

Это значение предела прочности на сжатие, в соответствии с формулой (5), характеризует композит с пористостью Р₂=8,2%, для которого основные параметры, в соответствии с формулой (3), определяются как:

d₃₃=500·10^-12 Кл/Н;

Для получения разности потенциалов зарядов на токопроводящих поверхностях пластин U_k=10⁵ В расстояние h₂ между токопроводящими поверхностями второй пластины поляризованного композиционного материала с пористостью Р₂≈8,2% будет равно

Заряд

Для третьей и последующих пластин вычисления проводят аналогично, их результаты приведены в Таблице 1.

Число пластин в приборе ограничено до 6, так как пористость пластины №7 будет более 30% и выходит за пределы действия формул (3), (4) и (5).

Механическое напряжение, действующее на поверхность 6-й пластины, равное 3,56·10⁸ Па, соответствует инерционной массе М₀=0,315 кг, которую может создать слой материала высотой в 35,6 мм при плотности 7800 кг/м³.

Общая высота рассматриваемого прибора, без учета толщины электродов, 64,4 мм, что соответствует поставленным условиям.

На Фиг. 1 приведена схема прибора по рассматриваемому примеру 1.

- направление векторов скорости и механического напряжения.

Пример 2. Пьезоэлектрический прибор для преобразования механической энергии в электрическую, отличающийся тем, что его рабочее тело представляет собой инерционную массу М_{0 и} пакет из пластин «беспористого» поляризованного сегнетоэлектрического материала.

Пьезоэлектрический прибор преобразует работу механического напряжения сжатия, возникающего при ускорении прибора а=1,282·10⁶ м/с², в электрическую энергию с разностью потенциалов зарядов на токопроводящих поверхностях пластин U_k=10⁵ В.

Характеристики поляризованного сегнетоэлектрического материала одинаковы для всех пластин прибора:

d₃₃=500·10^-12 Кл/Н;

$${\epsilon }_{33}^T=2000$$ ;

ρ=7,8·10³ кг/м³;

предел механической прочности при сжатии Т_СЖ≥6·10⁸ Па

Габаритные размеры прибора: диаметр D=38 мм, высота h<65 мм.

Так же, как в первом примере, возникающие в пластинах при ускорении а механические напряжения суммируются, и их максимальные значения в пластинах составляют:

- для «верхней», n-й пластины

- для k-й пластины

для первой, нижней, пластины

Для первой пластины $$T_{33}^1=T_{СЖ}^1$$ и расстояние h₁ между токопроводящими поверхностями, которое соответствует разности потенциалов U_k=10⁵ В, определяется как

Заряд

Для второй пластины

Так как другие параметры второй пластины идентичны параметрам первой пластины, то расстояние h₂, необходимое для разности потенциалов U₂=10⁵ B, определится как

Заряд для второй пластины

Аналогично определяются $$T_{33}^k$$ , h_k и Q_k для пластин с k=3, 4, 5 и 6; эти значения сведены в Таблице 2. Значения параметров для пластины с k=7

(h₇=0,157 м) превышают габаритные размеры прибора.

Механическое напряжение, действующее на поверхность 6-й пластины, равное 0,23·10⁸ Па, соответствует инерционной массе М₀=0,02 кг, которую может создать слой материала высотой в 2,3 мм при плотности 7800 кг/м³.

Общая высота рассматриваемого прибора, без учета толщины электродов,<60,1 мм, что соответствует поставленным условиям.

В устройстве, рассмотренном в примере 1 (с композиционным материалом), значения возникающего электрического заряда в единице всего объема рабочего тела в 1,13 больше, чем в устройстве, рассмотренном в примере 2 (без композиционного материала). Если сравнивать объемы сегнетоэлектрических материалов, то преимущество прибора в первом примере составит 2,28 раза.

Способ изготовления

Технологический процесс изготовления высоковольтного генератора включает три стадии.

1.) 1) Первая стадия - изготовление пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с повышенными значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения и заданной для каждой пластины прочностью на сжатие,

2) Вторая стадия - изготовление пакета из пластин, механически соединенных последовательно так, что возникающие в пластинах при ускорении механические напряжения суммируются, а электрически соединенных параллельно так, что суммируются возникающие в пластинах электрические заряды

3) Третья стадия - изготовление генератора в корпусе из пористого полимерного материала, включая сборку рабочего тела из инерционной массы и пакета пластин, а также токосъемников в корпусе.

1) Первая стадия - изготовление пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов

Процесс изготовления пластин из пористой пьезокерамики включает

1.1. приготовление порошка синтезированного материала, например ЦТС-46, имеющего суммарную удельную поверхность в пределах 1,0±0,1 м²/г по прибору ПСХ-4;

1.2. приготовление пресс-порошка из порошка синтезированного материала;

1.3. расчет концентрации порообразователя по формуле:

где $$K_{ус}^{об}$$ - коэффициент объемной усадки пьезокерамического материала $$K_{ус}^{об}$$ =1,455;

P_n/об - плотность порообразователя, P_n/об=1,2 г/см³;

P_рг - рентгеновская плотность пьезокерамического материала, Р_рг=8,02 г/см³;

Р_np - плотность прессовки, Р_np=5,2 г/см³;

а Р_k - пористость задается для каждой партии по значениям столбца 2 Таблицы 1 для обеспечения необходимых параметров партии пьезоэлементов.

1.4. Приготовление партий смеси порошка синтезированного материала и порообразователя в аппаратах вихревого слоя (ABC), где хаотическое движение магнитных рабочих тел, например стальных иголок для патефонов, определяется вращающимся магнитным полем статора трехфазного электродвигателя.

1.5. Прессование партий смесей порошков проводят в пресс-формах, размеры которых учитывают усадку при спекании до 20-45% и необходимые припуски на механическую обработку.

1.6. Спекание заготовок проводят в свинецсодержащей засыпке по специальному температурно-временному режиму, в котором предусматриваются подъем температуры со скоростью 25±3°C/ч, выдержка при температуре 450±10°C в течение 2,0±0,1 часа для выжигания связки и порошка порообразователя; спекание при температуре 980±10°C в течение 3 часов.

1.7. Шлифовка спеченных заготовок по диаметру в размер 38_-0,1 мм и, как чисто по плоскости, с припуском по высоте до 5 мм.

1.8. Определение плотности каждой партии заготовок геометрически, как отношение массы к объему, (взвешивание на весах с погрещностью не более 0,1%, определение размеров штангенциркулем с ценой деления 0,01 мм.)

1.9. Изготовление для каждой партии пробников, определение электрофизических параметров, сдавливание на гидравлическом прессе и определение прочности на сжатие.

1.10. Шлифовка заготовок партий с разной плотностью (пористостью) в размер по высоте, определяемый на пробниках, в соответствии с значениями столбца 7 таблицы 1,

1.11. Металлизация плоских поверхностей пористых заготовок традиционным способом, с нанесением серебросодержащей пасты через шелко-трафарет с закраинами и с вжиганием серебросодержащей пасты при значении пористости до 25%, когда пористость носит закрытый характер. На заготовках с открытой (сквозной) пористостью (больше 25%) вжиганием серебра металлизируют только контактные площадки, а затем напыляют через маску с закраинами серебро на все плоские поверхности.

1.12. Поляризация заготовок по режимам, подобранным на пробниках, например при температуре 120±3°C и напряженности поля 2±0,1 кВ/мм в течение часа.

Таким образом, отличительным признаком способа изготовления пьезоэлектрических высоковольтных генераторов, состоящих из корпуса из пористого полимерного материала с закладными электродами токосъемников и рабочего тела, включающего инерционную массу и пакет из пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с высокими значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения и заданной для каждой пластины прочностью на сжатие, причем изготовление каждой партии пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с заданной прочностью на сжатие включает операции: - приготовления пресс-порошка синтезированного материала, приготовления смеси пресс-порошка синтезированного материала и порообразователя, прессования из смеси заготовок и их высокотемпературной обработки (спекания), механической обработки, металлизации, поляризации и измерения параметров, отличающегося тем, что:

- партия смеси пресс-порошка с порообразователем для k-й пластины с заданной прочностью на сжатие $$T_{СЖ}^k$$ и пористостью Р_К содержит порообразователь в концентрации Х_k, мас. %;

где $$K_{ус}^{об}$$ - коэффициент объемной усадки пьезокерамического материала $$K_{ус}^{об}$$ =1,455;

Р_n/об - плотность порообразователя, Р_n/об=1,2 г/см³;

Р_рг - рентгеновская плотность пьезокерамического материала, Р_рг=8,02 г/см³;

ρ_np - плотность прессовки, ρ_np=5,2 г/см³;

a P_k вычисляется из зависимости

где $$T_{СЖ}^1$$ - прочность на сжатие «беспористой» керамики первой, наиболее удаленной от инерционной массы, пластины,

а - ускорение при ударе a=(1,3÷1,5)·10⁶ м/с²,

ρ₁ - плотность «беспористой» керамики первой, наиболее удаленной от инерционной массы, пластины, ρ₁ - 7,8·10³ кг/м³;

ρ_k - плотность k-й пластины, ρ_k=ρ_рг·(1-P_K/100);

h_k - расстояние между нанесенными на k-ю пластину токопроводящими поверхностями,

- U_К - разность потенциалов между нанесенными на пластины токопроводящими поверхностями U_K≈10⁵ В;

а все данные сводятся в рабочую таблицу типа таблицы 1, значения параметров в которой проверяют на пробниках; причем параметры инерционной массы определяются из формул:

где ρ₀ - плотность инерционной массы;

h₀ - высота инерционной массы;

$$T_{33}^n$$ - прочность на сжатие верхней пластины, прилегающей к инерционной массе (k=n=6);

S_n - площадь контактной поверхности «верхней», n-й пластины.

Для первой, наиболее удаленной от инерционной массы пластины значения параметров приведены в первой строчке Таблицы 1.

Изобретение относится к пьезоэлектронике. Сущность: рабочее тело высоковольтного генератора представляет собой инерционную массу и пакет из пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с высокими значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения и заданной для каждой пластины прочностью на сжатие. Расстояния между нанесенными на пластины токопроводящими поверхностями устанавливают такими, чтобы их значения, умноженные на значения механического напряжения и пьезоэлектрического коэффициента напряжения, были одинаковы для каждой пластины в пакете. Способ включает изготовление каждой партии пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов последовательным выполнением следующих операций: приготовление пресс-порошка синтезированного материала, приготовление смеси пресс-порошка синтезированного материала и порообразователя, прессование из смеси заготовок и их высокотемпературную обработку методом спекания, механическую обработку, металлизацию, поляризацию и измерение параметров. Заданная прочность на сжатие для каждой партии пластин достигается варьированием пористости за счет изменения концентрации порообразователя в пластине. Технический результат: преобразование механического напряжения сжатия в электрическую энергию без взрывчатого вещества, уменьшение времени образования и увеличение возникающего электрического заряда в единице объема рабочего тела при высоких значениях разности потенциалов. 2 н.п. ф-лы, 2 ил., 2 пр.

1. Высоковольтный генератор с рабочим телом, состоящим из поляризованного сегнетоэлектрического материала, отличающийся тем, что корпус генератора выполнен из пористого полимерного материала с закладными электродами токосъемников, а рабочее тело дополнительно содержит инерционную массу, при этом сегнетоэлектрический материал представляет собой пакет из пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с высокими значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения и заданной для каждой пластины прочностью на сжатие, так что
- для «верхней», n-й пластины (k=n)

- для k-й пластины

где $$T_{СЖ}^n$$ и $$T_{СЖ}^k$$ - прочности на сжатие n-й пластины и k-й пластины;
$$T_{СЖ}^n$$ и $$T_{33}^k$$ - возникающие в n-й пластине и k-й пластине механические напряжения при ударе с ускорением а инерционной массы М₀;
S_n - площадь контактной поверхности «верхней», n-й пластины;
ρ и h - плотность пластины и расстояние между контактными поверхностями пластины соответственно,
механически соединенных последовательно так, что возникающие в пластинах при ударе механические напряжения суммируются, а электрически соединенных параллельно так, что суммируются возникающие в пластинах электрические заряды с одинаковой разностью потенциалов, для чего расстояния между нанесенными на пластины токопроводящими поверхностями устанавливают такими, чтобы их значения, умноженные на значения механического напряжения и пьезоэлектрического коэффициента напряжения, были одинаковы для каждой пластины в пакете.

2. Способ изготовления пьезоэлектрических высоковольтных генераторов, состоящих из корпуса из пористого полимерного материала с закладными электродами токосъемников и рабочего тела, включающего инерционную массу и пакет из пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с повышенными значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения и заданной для каждой пластины прочностью на сжатие, содержащий изготовление каждой партии пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с заданной прочностью на сжатие, включающий операции: приготовление пресс-порошка синтезированного материала, приготовление смеси пресс-порошка синтезированного материала и порообразователя, прессование из смеси заготовок и их высокотемпературную обработку методом спекания, механическую обработку, металлизацию, поляризацию и измерение параметров, отличающийся тем, что технологический процесс изготовления высоковольтного генератора включает три стадии:
первая стадия - изготовление пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с повышенными значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения и заданной для каждой пластины прочностью на сжатие;
вторая стадия - изготовление пакета из пластин, механически соединенных последовательно так, что возникающие в пластинах при ускорении механические напряжения суммируются, а электрически соединенных параллельно так, что суммируются возникающие в пластинах электрические заряды;
третья стадия - изготовление генератора в корпусе из пористого полимерного материала, включая сборку рабочего тела из инерционной массы и пакета пластин, а также токосъемников в корпусе,
при этом партия смеси пресспорошка с порообразователем для k-й пластины с заданной прочностью на сжатие $$T_{СЖ}^k$$ и пористостью P_k содержит порообразователь в концентрации Х_k, мас. %

где $$K_{ус}^{об}$$ - коэффициент объемной усадки пьезокерамического материала $$K_{ус}^{об}=\mathrm{1,455}$$ ;
ρ_n/об - плотность порообразователя, ρ_n/об=1,2 г/см³;
ρ_рг - рентгеновская плотность пьезокерамического материала, ρ_рг=8,02 г/см³;
ρ_np - плотность прессовки, ρ_np=5,2 г/см³;
a P_k вычисляется из зависимости

где $$T_{СЖ}^1$$ - прочность на сжатие беспористой керамики первой, наиболее удаленной от инерционной массы, пластины, $$T_{СЖ}^1\approx 6\cdot {10}^8Па$$ ,
а - ускорение при ударе а=(1,3÷1,5)·10⁶ м/с²,
ρ₁ - плотность «беспористой» керамики первой, наиболее удаленной от инерционной массы, пластины, ρ₁=7,8·10³ кг/м³;
ρ_k - плотность k-й пластины,
h_k - расстояние между нанесенными на пластину токопроводящими поверхностями,
U_k - разность потенциалов между нанесенными на пластины токопроводящими поверхностями U_K≈10⁵ В;

а все данные сводятся в рабочую таблицу, значения параметров в которой проверяют на пробниках,
причем параметры инерционной массы - ее масса М₀ и высота h₀ определяются

где ρ₀ - плотность инерционной массы,
h₀ - высота инерционной массы,
$$T_{33}^n$$ - прочность на сжатие верхней пластины, прилегающей к инерционной массе (k=n=6),
S_n - площадь контактной поверхности «верхней», n-й пластины.