Способ изготовления образца материала пьезокристаллических преобразователей для механических испытаний Советский патент 1992 года по МПК G01N3/00 

-9- Ь

сл

с

Изобретение относится к механическим испытаниям конструкций и материалов. Целью изобретения является повышение качества изготовления путем повышения однородности клеевых швов на основе эпоксидных компаундов. После нанесения на торцовые поверхности кольцевых пьезоэлементов 1 и сборки преобразователей последний подвергают сжатию при помощи шпильки 2 до напряжений а (0,0Т-0,03)ff-i, гдеси - предел выносливости материала пьезоэле- .ментов 1. Затем подают в течение всего времени полимеризации .клеевого состава постоянное электрическое напряжение в направлении растяжения пьезоэлементов 1, величину которого выбирают из приведенного соотношения. 1 ил., 1 табл.

Р,

п

Рп

з ,з

Р,

п

-Ја

2

4

ч|

Ю М О

ю о

Изобретение относится к механическим испытаниям конструкций и материалов. Оно может быть использовано для изготовления образцов стержневых сборных пьезо- керамических преобразователей к механическим испытаниям,

Наиболее близким к предполагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления образца материала пьезоке- рамических преобразователей для механических испытаний, по которому используют кольцевые элементы из испытуемого материала, наносят на их торцы клеевой состав и соединят их по торцам с последующей полимеризацией клеевого состава.

Недостаток данного способа состоит в том, что в процессе полимеризации клеевого состава образуются неоднородные клеевые швы, поскольку в процессе сушки в клеевых швах возникают остаточные, неконтролируемые, внутренние напряжения, как следствие усадки клеящей массы в процессе ее полимеризации, направленные внутрь клеевого слоя, что снижает качество и, как следствие достоверность определения влияния отдельных узлов конструкций преобразователей на их механические параметры.

Цель изобретения - повышение качества изготовления путем повышения однородности клеевых швов на основе эпоксидных компаундов.

Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления образца материала пьезокерамических преобразователей для механических испытаний, по которому используют кольцевые элементы из испытуемого материала, наносят на их торцы клеевой состав и соединяют их по торцам с последующей полимеризацией клеевого со- става. Согласно изобретению после соединения сжимают элементы по торцам с помощью шпильки до напряжения cf (0,01 - 0,03) (7-1, где си - предел выносливости материала элементов, а во время полимеризации клеевого состава на элементы подают постоянное электрическое напряжение U в направлении их растяжения, величину, которого выбирают из соотношения

У I пзз ( Ст 1 Рщ + Сзз Рп Сзз Си Рш

где а-амплитуда циклического напряжения, возникающего в элементах в условиях эксплуатации;

I - длина элементов;

гад - пьезоэлектрическая постоянная материала элементов;

Си - упругая постоянная материала шпильки;

5Сзз - упругая постоянная материала

элемента;

РШ - площадь поперечного сечения шпильки;

Fn площадь поперечного сечения эле10 ментов.

Образец стержневого пьезокерамиче- ского преобразователя представляет собой набор кольцевых пьезокерамических элементов 1, стянутых, например, шпилькой 2

15 и склеенных между собой клеем 3 на основе эпоксидного компаунда. Для понижения частоты преобразователя с помощью шпильки к пьезоэлементам крепятся частопонижаю- щие накладки 4.

20 Эксплуатационный режим реобразо- вателя определяется величиной заданного смещения рабочей поверхности преобразователя. Для определения амплитуды циклического напряжения, развиваемого в

25 преобразователе при его циклическом на- гружении, преобразователь нагружают электрическим гармоническим напряжением на частоте основного резонанса до заданной амплитуды смещения рабочей

30 поверхности преобразователя, соответствующей эксплуатационным режимам работы.

При этом на электрической стороне преобразователя измеряют эффективное

35 значение тока, потребляемого преобразователем, коэффициент электромеханической трансформации и по ним с учетом модуля Юнга пьезоэлементов, скорости звука в пьезокерамике, коэффициента формы

40 колебаний определяют амплитуду циклического напряжения,

Во время полимеризации клеевого состава механические напряжения в клеевом шве направлены вдоль оси

45 преобразователя внутрь клеевого шва. Дополнительное напряжение, вызванное сжатием пьезоэлементов при помощи шпильки, а также пьезоэлектрическим расширением пьезоэлементов, способствует

50 сжатию клеевого шва. Это происходит вследствие того, что прикладываемое электрическое напряжение,полярность которого совпадает с направлением поляризации склеиваемых пьезоэлементов, приводит к

55 их растяжению, Далее из-за конечной жесткости сжимающей шпильки, ограничивающей растяжение пьезоэлементов, деформация растяжения пьезоэлементов приводит к сжатию клеевых швов. При этом исходные напряжения сжатия в кольцевых пьезоэлементах, составляющие о (0,01 - 0,03) ff-1 получены авторами экспериментально. Так при о 0,01(7-1 отмечены случаи смещения отдельных пьезоэлемен- тов относительно центральной оси преобразователя на этапе полимеризации клеевого состава, что ухудшает акустические характеристики преобразователя на этапе полимеризации клеевого состава, ухудшает акустические характеристики преобразователя. Прио О.ОЗси появляется разнотолщинность клеевых швов за счет влияния перекосов в сжимающей системе и неодинаковых размеров пьезоэле- ментов, что приводит к снижению циклической долговечности образцов преобразователей.

Результаты экспериментальной проверки представлены в таблице, Исследования проводили на образцах стержневых преобразователей, изготовленных из кольцевых пьезоэлементов размерами е40 хр32х5 мм состава ЦТБС-3. Амплитуда испытательных напряжений (/составляла 10 МПа. Предел выносливости (7-1 20 МПа для пьезокерамики ЦТБС-3.

После полимеризации клеевого состава за счет усилия поджатия и усадки клеящей массы в клеевом слое остается внутреннее остаточное напряжение, также направленное внутрь клеевого слоя. Это остаточное внутреннее напряжение является концентратором локальных напряжений и приводит к снижению прочности клеевого шва пьезоэлементов. Однако после полимеризации клеевого состава при снятии подводимого электрического напряжения устраняется напряженно-деформированное состояние склеиваемых пьезоэлементов (они стремятся сжаться). При этом происходит компенсация остаточных внутренних напряжений в клеевом шве напряжением упругого сжатия пьезоэлементов, направленным к торцам склеиваемых пьезоэлементов. В результате прекращения воздействия статического электрического поля после полной полимеризации клеевого шва обеспечивается получение клеевого шва, свободного от внутренних напряжений, т.е. с улучшенным качеством клеевого шва.

Величина подводимого электрического напряжения связана с величиной циклического напряжения, развиваемого в пьезоп- реобразователе при эксплуатационных режимах работы. Это связано с необходимостью создания в клеевом шве за счет пьезоэлектрического сжатия, еще на стадии его формирования, напряженно-деформированного состояния, которое соответствует

эксплуатационным режимам преобразователя, что позволяет определить влияние отдельных узлов конструкции преобразователя на его механические параметры при

реальных нагрузках.

Таким образом, качество клеевых швов, сформированных при подготовке преобразователя к механическим испытаниям за счет меньших внутренних остаточных напряжений в преобразователе позволяет не учитывать состояния клеевых швов на результаты последующих испытаний. Т.е. применение предлагаемого способа подготовки образцов к механическим испытаниям позволяет существенно повысить достоверность испытаний, поскольку образцы преобразователей становятся однородными и разброс прочности клеевых швов уже не влияет на результаты механических

испытаний, что существенно повышает достоверность испытаний.

В процессе сборки преобразователя на клеевые швы пьезоэлементов действует сжимающее напряжение о.

Подача на пьезоэлементы постоянного электрического напряжения в направлении растяжения пьезоэлементов вызывает суммарное механическое напряжение сжатия клеевого слоя, равное

,.

% а + оп , (2)

где механическое напряжение сжатия; 0h механическое напряжение в пьезокерамических элементах;

возникшее в результате подачи на них постоянного электрического напряжения. Это напряжение создает дополнительное пьезоэлектрическое сжатие клеевых швов.

На практике всегда

и а ап. (3)

При этом величина суммарного механи- ческого напряжения 7 , обеспечивающего сжатие клеевых швов, должна быть равной величине динамического напряжения (7, развиваемого в преобразователе при эксплуатационных режимах работы

а а(4)

Это условие, заключающееся в том, чтобы величина суммарного напряжения в про- .цессе склейки была равна динамическому напряжению, развиваемому в данном преобразователе при его эксплуатационных режимах рабобты, определяет получение клеевого соединения, свободного от внутренних напряжений при эксплуатационных нагрузках. Таким образом, если сжатие клеевых швов напряжением (/ осуществляется за счет механического сжимающего усилия, то растяжение пьезоэлементов, и тем самым дополнительное пьезоэлектрическое сжатие клеевых швов является следствием действия статического электрического поля, основанного на пьезоэлектрической природе керамики.

Величину о можно выразить как

Иг

(5)

где Рп - сила, приложенная к пьезоэлементу в результате действия статического электрического поля;

Рп - площадь поперечного сечения пьезоэлементов.

Согласно третьему закону Ньютона

Рп Рш,

где Рш усилие, возникающее в шпильке вследствие приложения элетрического поля.

Для достижения механического равновесия рассматриваемого состояния, кроме равенства сил, необходимо выполнение условия равенства абсолютных удлинений (деформаций) пьезоэлементов преобразователя и сжимающей шпильки

Д Аш

(6) 35

где А I - деформация пьезоэлементов пре образователя;

А ш - деформация шпильки.

Уравнение деформации пьезоэлемен тов под воздействием постоянного электри ческого поля выражается

U

пзз

Рп Ч Сзз Fn

(7)

где U - величина приложенного к пьезоэле- ментам постоянного электрического напряжения;

Ьзз - пьезоэлектрическая постоянная материала пьезоэлементов;

I - суммарная толщина пьезоэлементов;

Сзз упругая постоянная материала пьезоэлементов.

Первое слагаемое в уравнении (7) определяет деформацию растяжения пьезоэлементов при подаче на них постоянного электрического поля. Второе слагаемое в

уравнении (7) согласно закону Гука является следствием сжатия пьезоэлементов сжимающей шпилькой и последующего поджатия, поскольку в результате воздействия электрическогополя возрастает деформация пьезоэлементов, а шпильке с конечной жесткостью вызывает соответственно деформацию сжатия в пьезоэлементах, чем и объясняется знак минус во втором члене

уравнения (7),

Деформация сжимающей шпильки согласно закону Гука определяется по формуле

Аш

Рш Ч

Си Рш

(8)

где Рш - сила, действующая на шпильку;

Рш площадь поперечного сечения шпильки;

Сп - упругая постоянная материала шпильки.

В результате из уравнений (7), (8) с учетом (6) следует

УР IРш I Q гд

Изз Сзз Fn Си Рш

30

Далее, согласно (5) и (9) следует

U g- рш 0fin)

Ьзз сзз Си Рш °(10)

35

40

55

45

50

Выражение (9) позволяет определить величину механического напряжения сжатия пьезоэлементов, находящихся в сжатом состоянии, в зависимости от величины подаваемого на них постоянного электрического напряжения.

Из выражения (9) можно определить величину постоянного электрического напряжения, необходимого для создания заданного механического напряжения в клеевых швах склеиваемых пьезоэлементов о

,1 I пзз ( Си Рщ + Сзз Fn ) М1ч Сзз Си РшП ij

Как следует из приведенного анализа, при равной величине и знаке сжатия склеиваемых пьезоэлементов механическим усилием и механическим усилием в сумме с дополнительными пьезоэлектрическими поджатием, возникают различные эффекты.

При увеличении амплитуды механического сжатия клеевого слоя, увеличивается в нем остаточное внутреннее напряжение, что снижает прочность преобразователя, а

сверхсуммарный эффект, получаемый в результате новой совокупности признаков заключается в компенсации остаточных внутренних напряжений и повышении однородности преобразователей по прочности.

Таким образом, при использовании предлагаемого способа представляется возможным повысить достоверность экспериментального определения механических параметров конструкции пьезопреобразователя.

На фиг. 1 схематически показаны изготавливаемый пьезокерамический преобразователь.

Пьезокерамический преобразователь содержит поляризованные пьезоэлементы 1, сжатые с помощью накладки 2 и шпильки 3, между торцами поляризованных пьезоэ- лементов 1 имеется клеевой шов 4. Пьезоэлементы 1 электрически соединены параллельно. Преобразователь снабжен электрическими контактами 5 и 6. Контакт 5 предназначен для присоединения к плюсу источника тока, а контакт 6 - к минусу.

Способ изготовления образцов материалов стержневых льезопреобразователей для механических испытаний осуществляется следующим образом.

Предварительно подвергают нагруже- нию преобразователь, подготовленный по способу-прототипу. При этом определяют амплитуду циклических напряжений о, возникающих в преобразователе при эксплуатационных режимах. Эксплуатационный режим преобразователя определяется величиной заданного смещения рабочей поверхности преобразователя. При этом на электрической стороне преобразователя измеряют эффективное значение тока, потребляющего при эксплуатационном режиме, коэффициент электромеханической трансформации и по ним с учетом модуля Юнга пьезоэлементов скорости звука в пье- зокерамике, коэффициента формы колебаний, определяют амплитуду циклического напряжения по формуле

оа

У2 а Ею Кф

где ia - ток через преобразователь;

Ею модуль упругости;

Кф - коэффициент формы;

N - коэффициент трансформации;

С - скорость звука.

Далее подготавливаются остальные образцы партии.

Подготавливаются склеиваемые поверхности к склейке. Подготовка поверхностей к склейке заключается в плоскоструйной обработке металлических деталей, обезжириваний всех склеиваемых поверхностей спирто-бензиновой смесью (1 : Т) и просушки.

Затем на склеиваемые поверхности наносится клеящая масса (например, клей ДМ5-65 на основе эпоксидной смолы ЭД-5 с отвердителем), собирается преобразователь и склеиваемые поверхности подвергаются при помощи шпильки сжатию до появления в них напряжений.

После этого на контакты преобразователя подается постоянное электрическое напряжение, которое благодаря обратному пьезоэффекту создает в преобразователе механические напряжения, равные по амплитуде механическим напряжениям, возникающим в пьезопреобразователе при его эксплуатационным режимам работы.

Далее производится полимеризация клеевых соединений преобразователя при

температуре, определенной конкретным эпоксидным компаундом (например, 85 ± 10°С) для ДМ-5-65 в течение 24 ч и последующее снятие электрического напряжения.

В качестве примера была приведена подготовка серии образцов стержневых пьезопреобразователей к механическим испытаниям на пьезокерамики типа ЦТБС-3. Пьезокерамические стержни склеивались

из пьезокерамических колец ё40х32х5 мм. Значения параметров в данном случае были следующие: Сзз 13,6- 104МПа; -104 МПа; г.зз 15,6 108 В /м; I 0,06 м; Fn 50,24 мм2; РШ 200,96 мм2. Амплитуда циклических

напряжений, соответствующая эксплуатационному режиму, равнялась а 5 МПа, Эксплуатационный режим соответствовал нагружению преобразователя циклическими нагрузками с резонансной частотой, равной 15 кГц, до амплитуды смещения рабочей поверхности около 8 мкм. Предварительно после сборки образцы подвергали сжатию до напряжений в нихо 0,2 МПа, так какои 20 МПа для пьезокерамики ЦТБС-3. Подставив значение о в формуле (1) получили амплитуду постоянного электрического напряжения.

,,-.,. r« O.OS-15.6-10 Г 1 10 200.98-10- + 13.6 .24 10 5) 5513.6 -10й -21 -tO™ -200.96 -10

Формула изобретения

Способ изготовления образца метариа- ла пьезокерамических преобразователей для механических испытаний, по которому используют кольцевые элементы из испытуемого материала, наносят на их торцы клеевой состав и соединяют их по торцам с последующей полимеризацией клеевого состава, отличающийся тем, что, с целью повышения качества изготовления путем повышения однородности клеевых швов на основе эпоксидных компаундов, после соединения сжимают элементы по торцам с помощью шпильки до напряжения о (0,01 - 0,03) он, где ОН - предел выносливости материала элементов, а во время полимеризации клеевого состава на элементы подают постоянное электрическое напряжение U в направлении их растя-

жения, величину которого выбирают из соотношения

U -а |пзз(Сц Рш +Сзз Fn) Сзз Си Рш

где а - амплитуда циклического напряжения, возникающего в элементах в условиях эксплуатации;

I - длина элементов;

пзз - пьезоэлектрическая постоянная материала элементов;

Си - упругая постоянная материала шпильки;

Сзз - упругая постоянная материала элемента;

Рш - площадь поперечного сечения шпильки;

Fn - площадь поперечного сечения элементов.