Способ изготовления монолитных многослойных пьезокерамических элементов-столбиков



Способ изготовления монолитных многослойных пьезокерамических элементов-столбиков
Способ изготовления монолитных многослойных пьезокерамических элементов-столбиков
Способ изготовления монолитных многослойных пьезокерамических элементов-столбиков
Способ изготовления монолитных многослойных пьезокерамических элементов-столбиков
Способ изготовления монолитных многослойных пьезокерамических элементов-столбиков
Способ изготовления монолитных многослойных пьезокерамических элементов-столбиков
Способ изготовления монолитных многослойных пьезокерамических элементов-столбиков
Способ изготовления монолитных многослойных пьезокерамических элементов-столбиков
Способ изготовления монолитных многослойных пьезокерамических элементов-столбиков
Способ изготовления монолитных многослойных пьезокерамических элементов-столбиков

 


Владельцы патента RU 2540440:

Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Элпа" с опытным производством" (RU)

Изобретение относится к пьезоэлектронике, к технологии изготовления монолитных многослойных пьезокерамических элементов для электромеханических преобразователей и актюаторов. Сущность изобретения: способ включает операции приготовления шликера на основе порошка пьезокерамического материала и органической связки, литья шликера через фильеру на движущуюся ленту и его сушку с образованием тонких «сырых» пленок из связки с пьезокерамическим порошком, резки сплошных «сырых» пленок на групповые заготовки, покрытия каждой групповой заготовки металлосодержащей пастой через сеткотрафарет с образованием рисунка, сборки путем наложения друг на друга n групповых заготовок, групповых пакетов, прессования групповых пакетов, рубки, в соответствии с рисунком сеткотрафарета, групповых пакетов на отдельные n-слойные заготовки пьезокерамических элементов, сборки «сырых» многослойных заготовок-столбиков из m «сырых» заготовок n-слойных пьезоэлементов путем их склеивания с последующей сушкой, высокотемпературной обработки, металлизации боковых сторон, поляризации многослойных заготовок-столбиков, измерения параметров многослойных пьезоэлементов-столбиков. Технический результат: повышение надежности работы в сложных внешних условиях, упрощение процесса изготовления и снижение его трудоемкости. 1 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

Изобретение относится к изготовлению монолитных многослойных пьезоэлементов-столбиков, с большим числом слоев, для электромеханических преобразователей (ЭМП) и/или актюаторов - устройств из пьезоэлектрической керамики, осуществляющих электромеханические и механоэлектрические преобразования энергии с использованием обратного и прямого пьезоэффектов.

Известны многослойные, состоящие из n слоев пьезокерамических пластин с расположенными между ними электродами, пьезоэлементы. Конструктивно многослойные пьезоэлементы различаются способом механического соединения пластин из пьезокерамики между собой в стрлбик, коммутацией электродов и устройством электрических выводов. Для изготовления таких многослойных пьезоэлементов-столбиков механические соединения пластин между собой осуществляют, как правило, склейкой, пайкой или сваркой [1].

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ, реализованный в ОАО «НИИ «Элпа» при изготовлении многослойных пьезоэлементов-столбиков для ЭМП и актюаторов типа АПМ-2-22-М [2].

Способ изготовления многослойных пьезокерамических элементов-столбиков с большим числом слоев для ЭМП и актюаторов включает две стадии: первая - изготовление по «пленочной» технологии отдельных n-слойных пьезоэлементов 1 с ограниченным числом n слоев (фиг.1) и вторая - склейка m отдельных n-слойных пьезоэлементов 1 в пьезоэлемент-столбик 2 с большим числом (n×m) слоев (фиг.2), где m - число отдельных n-слойных пьезоэлементов 1 с ограниченным числом n слоев. Ограниченность числа n слоев в отдельных n-слойных пьезоэлементах обусловлена технологическими возможностями оборудования по изготовлению многослойных пьезоэлементов по «пленочной» технологии.

Первая стадия - изготовление отдельных n-слойных пьезоэлементов 1 по «пленочной» технологии включает операции:

- приготовление шликера на основе порошка пьезокерамического материала, например ЦТС-46 и органической связки;

- литье шликера через фильеру на движущуюся ленту и его сушку с образованием тонких, толщиной h=(10…200) мкм, сплошных «сырых» пленок 3 из связки с пьезокерамическим порошком (фиг.3);

- резку сплошных «сырых» пленок на групповые заготовки 5 определенного размера (фиг.4), например, 160×160 мм;

- покрытие каждой групповой заготовки 5 металлосодержащей пастой через сеткотрафарет с образованием рисунка 8 (фиг.5);

- сборку путем наложения друг на друга n групповых заготовок 7, групповых пакетов 9 (фиг.6) высотой (n×h), например, 3,2 мм;

- прессование групповых пакетов 9, например гидростатическое, при давлении 250 атм, температуре 80°C и продолжительности 30 минут;

- рубку, в соответствии с рисунком сеткотрафарета 8, групповых пакетов 9 на отдельные n-слойные заготовки пьезокерамических элементов 11 (фиг.7) размером, например, 7,2×7,2×3,2 мм;

- высокотемпературную обработку n-слойных заготовок пьезокерамических элементов 11 для удаления связки и спекания их в монолитную заготовку 12 (фиг.8), которая состоит из чередующихся n слоев керамики и внутренних металлических электродов, выходящих на боковые поверхности n-слойной заготовки пьезокерамических элементов;

- металлизацию у монолитных заготовок 12 боковых поверхностей 13 (фиг.8), на которые выходят четные и нечетные внутренние электроды, таким образом, чтобы обеспечить параллельное соединение образующихся электрических емкостей из керамики и электродов с формированием электрических соединений;

- поляризацию монолитных заготовок 12 при температуре (120±5)°C, напряженности поля 2 кВ/мм и времени охлаждения под полем (для монолитных заготовок из материала ЦТС-46) в течение (15±3) мин;

- измерение параметров полученных отдельных n-слойных пьезоэлементов 1 с ограниченным числом (n≤3,2/h) слоев.

Вторая стадия - изготовление многослойных пьезоэлементов-столбиков из m отдельных n-слойных пьезоэлементов 1 (далее пьезоэлементов-столбиков 2), включает операции:

- нанесение на торцевые поверхности предварительно очищенных или механически обработанных отдельных n-слойных пьезоэлементов 1 эпоксидного клея, например ЭД-20;

- сборку пьезоэлементов-столбиков 2 из m отдельных n-слойных пьезоэлементов 1 в прижимном приспособлении типа струбцины с винтовым зажимом;

- очистку боковых поверхностей пьезоэлементов-столбиков 2 в струбцинах от затеков клея;

- сушку пьезоэлементов-столбиков 2 в струбцинах при температуре 120°C в течение 24 часов;

- монтаж пайкой, как показано на фиг.9, проводниками 15, например медной проволокой ММ 0,18, электрических соединений на боковых поверхностях 16 пьезоэлементов-столбиков 2 и измерение параметров полученных пьезоэлементов-столбиков 2 с большим числом (n×m) слоев, где m - число отдельных n-слойных пьезоэлементов 1.

Недостатком данного способа является то, что он двухстадийный, по совокупности операций трудоемкий и сложный, клеевые соединения не позволяют получить пьезоэлементы-столбики с большим числом слоев для надежной работы в сложных внешних условиях (включая радиационный фон), в диапазоне от минус 60°C до +250°C,

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в получении без эпоксидной склейки пьезоэлементов-столбиков 2 с большим числом слоев для надежной работы в сложных внешних условиях (включая радиационный фон), в диапазоне от минус 60°C до +250°C, в упрощении и снижении трудоемкости процесса изготовления.

Поставленная задача решается в одностадийном способе изготовления пьезоэлементов-столбиков 2 с большим числом слоев для ЭМП и актюаторов по «пленочной» технологии, характеризующемся операциями:

- приготовления шликера на основе порошка пьезокерамического материала, например ЦТС-46, и органической связки;

- литья шликера через фильеру на движущуюся ленту и его сушку с образованием тонких, толщиной h=(10…200) мкм, сплошных «сырых» пленок 3 из связки с пьезокерамическим порошком;

- резки сплошных «сырых» пленок 3 на групповые заготовки 5 определенного размера, например 160×160 мм;

- покрытия каждой групповой заготовки 5 металлосодержащей пастой через сеткотрафарет с образованием рисунка 8;

- сборки путем наложения друг на друга n групповых заготовок 7, групповых пакетов 9 высотой (n×h), например, 3,2 мм;

- прессования групповых пакетов 9, например гидростатическое при давлении 250 атм, температуре 80°C и продолжительности 30 минут;

- рубки, в соответствии с рисунком сеткотрафарета 8, групповых пакетов 9 на отдельные n-слойные заготовки пьезокерамических элементов 11 размером, например, 7,2×7,2×3,2 мм,

отличающемся тем, что перед дальнейшими операциями проводят операцию сборки «сырых» заготовок-столбиков 20 (фиг.10) из m «сырых» заготовок отдельных n-слойных пьезоэлементов 21 в прижимном приспособлении типа струбцины с винтовым зажимом, а последующие операции: высокотемпературную обработку, металлизацию боковых сторон, поляризацию, проводят с заготовками-столбиками 20, а измерение параметров проводят на полученных пьезоэлементах-столбиках.

Еще одним отличием предлагаемого способа является то, что операцию сборки «сырых» заготовок-столбиков 20 из m «сырых» заготовок n-слойных пьезоэлементов 21 проводят путем склеивания торцевых поверхностей «сырых» заготовок n-слойных пьезоэлементов 21, например, 5%-ным раствором поливинилового спирта с последующей сушкой в течение 2 часов при 80°C в прижимных приспособлениях, например G-образных струбцинах с винтовым зажатием с нормированным усилием, создающим давление 300÷350 кг/см2.

Таким образом, отличительными признаками предлагаемого изобретения являются:

проведение перед операцией высокотемпературной обработки операции сборки «сырых» заготовок-столбиков 20 из m «сырых» заготовок n-слойных пьезоэлементов 21 путем склеивания торцевых поверхностей «сырых» заготовок-столбиков 20, например, 5%-ным раствором поливинилового спирта с последующей сушкой в течение 2 часов при 80°C в прижимных приспособлениях под давлением 300÷350-кг/см2

и выполнение с «сырыми» заготовками-столбиками 20 последующих операций:

- высокотемпературной обработки (m×n)-слойных «сырых» заготовок пьезокерамических элементов для удаления связки и спекания их в монолит, который состоит из чередующихся (m×n) слоев керамики и внутренних металлических электродов, выходящих на боковые поверхности пьезокерамических элементов;

- металлизацию боковых сторон заготовок-монолитов, на которые выходят четные и нечетные внутренние электроды, таким образом, чтобы обеспечить параллельное соединение образующихся электрических емкостей из керамики и электродов;

- поляризацию (m×n)-слойных заготовок,

а также измерение параметров у многослойных поляризованных пьезоэлементов-столбиков 20.

Технический результат достигается тем, что в готовом изделии - пьезоэлементе-столбике 20 - отсутствуют клеевые соединения на основе эпоксидных смол, разрушающихся при температуре 250°C, повышается надежность работы в сложных внешних условиях (включая радиационный фон), в диапазоне от минус 60°C до +250°C, процесс изготовления упрощается и снижается его трудоемкость.

Многослойные, монолитные из (n×m) слоев керамических пленок и электродов, без эпоксидной смолы, пьезоэлементы-столбики 20 обеспечивают надежную работу в сложных внешних условиях, (включая радиационный фон), в диапазоне от минус 60°C до +250°C. Процесс изготовления таким способом содержит меньшее количество операций и менее трудоемок.

В предлагаемом способе исключаются операции по изготовлению отдельных n-слойных пьезоэлементов 1 и сборке их в пьезоэлемент-столбик 2.

Вводимые операции сборки «сырых» заготовок-столбиков 20 из m сырых заготовок пьезоэлементов 21 с ограниченным числом n слоев и соединение сырых заготовок пьезоэлементов 21 с применением клея на основе поливинилового спирта, с поджатием усилием 300÷350 кг/см2 в специальных струбцинах, а также сушка «сырых» заготовок-столбиков 20 из m сырых заготовок пьезоэлементов 21 с ограниченным числом n слоев в специальных струбцинах в течение 2 часов при температуре 80°C более просты и менее трудоемки, чем изготовление по второй стадии.

Совокупность операций по предлагаемому способу изготовления монолитных многослойных, с большим числом слоев, пьезокерамических элементов-столбиков 20 для электромеханических преобразователей и актюаторов по количеству и трудоемкости существенно меньше, чем у существующего аналога.

Технический результат достигается тем, что в готовом изделии - пьезоэлементе-столбике 20 - отсутствуют клеевые соединения на основе эпоксидных смол, повышается надежность работы в сложных внешних условиях (включая радиационный фон), в диапазоне от минус 60°C до +250°C, процесс изготовления упрощается и снижается его трудоемкость.

Источники информации

1. В.В. Янчич. Пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи, акселерометры. Ростов-на-Дону. Изд-во ЮФУ, 2010 - 287 с. (Пьезоэлектрическое приборостроение. Т.7).

2. http://www.elpapiezo.ru/mnogo_piezo.shtml

1. Способ изготовления монолитных многослойных пьезокерамических элементов-столбиков с большим числом слоев по «пленочной» технологии, характеризующийся операциями:
- приготовления шликера на основе порошка пьезокерамического материала и органической связки;
- литья шликера через фильеру на движущуюся ленту и его сушку с образованием тонких «сырых» пленок из связки с пьезокерамическим порошком;
- резки сплошных «сырых» пленок на групповые заготовки;
- покрытия каждой групповой заготовки металлосодержащей пастой через сеткотрафарет с образованием рисунка;
- сборки путем наложения друг на друга n групповых заготовок, групповых пакетов;
- прессования групповых пакетов;
- рубки, в соответствии с рисунком сеткотрафарета, групповых пакетов на отдельные n-слойные заготовки пьезокерамических элементов,
отличающийся тем, что перед дальнейшими операциями, начиная с высокотемпературной обработки, проводят операцию сборки «сырых» заготовок-столбиков из m «сырых» заготовок отдельных n-слойных пьезоэлементов, а последующие операции:
высокотемпературную обработку, металлизацию боковых сторон, поляризацию проводят с многослойными заготовками-столбиками, а измерение параметров проводят у многослойных пьезоэлементов-столбиков.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сборку «сырых» заготовок-столбиков из m «сырых» заготовок n-слойных пьезоэлементов проводят путем склеивания торцевых поверхностей «сырых» заготовок-столбиков с последующей сушкой.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к пьезоэлектронике и может быть использовано для получения градиента поляризации в однородных по химическому составу образцах пьезоэлектрической керамики.

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении приборов микроэлектромеханических систем, в частности интегральных микромеханических реле и устройств на их основе: силовых переключателей, схем памяти, сенсорных датчиков, систем обработки информации и др.

Изобретение относится к устройствам для формирования сигнала пьезоэлектрического датчика для передачи по двухпроводному интерфейсу. .

Изобретение относится к области нанотехнологии и направлено на обеспечение перемещения образца по трем координатам (X, Y, Z), в частности, для перемещения образцов, держателей образцов и других элементов в сканирующей зондовой микроскопии.

Изобретение относится к области научного приборостроения и предназначено для использования в сканирующих зондовых микроскопах и нанотехнологических установках для микроперемещений объекта.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в приборостроении и электронной промышленности для корпусирования и герметизации изделий функциональной электроники.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, а именно к средствам дефектоскопии трубопроводов, сварных соединений, корпусов реакторов, железнодорожных рельсов, уложенных в пути, конструкций и сооружений из черных и цветных металлов и сплавов в широком диапазоне толщин при одностороннем доступе, и предназначено для применения в машиностроении, металлургии, в авиастроении, автомобилестроении, энергетике и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к медицинской технике, в частности для применения в ингаляторах. .

Изобретение относится к нанотехнологии, а более конкретно к устройствам, обеспечивающим перемещения объекта по трем координатам (X, Y, Z) и точную повторяемость положений объекта при его переустановке, например для перемещения образцов, держателей образцов, зондов и других элементов в сканирующей зондовой микроскопии.

Изобретение относится к сканирующей зондовой микроскопии. .

Изобретение относится к технологии изготовления высокотемпературных композиционных пьезокерамических материалов и пьезоэлементов из титаната-скандата висмута-свинца (ТСВС). Технический результат: получение высоких пьезопараметров и высокой анизотропии пьезопараметров при низкой механической добротности толщинной и радиальной мод колебаний пьезоэлементов. Сущность: способ включает дозировку порошков исходных компонентов для получения твердого раствора системы ТСВС со структурой перовскита ABO3, помол-смешение порошков и термообработку смеси порошков с образованием спека кристаллитов, дробление и помол спека кристаллитов в порошок со средним размером порошинок не более 2 мкм, добавление к полученному порошку порошка порообразователя в виде гранул диаметром 5…30 мкм из выгорающего органического материала, формирование заготовок для спекания, обжиг заготовок в атмосферообразующей засыпке, механическую обработку для получения заготовок пьезоэлементов, металлизацию заготовок пьезоэлементов, поляризацию заготовок. Операция обжига заготовок композиционных пьезокерамических материалов проводится в атмосферообразующей засыпке, представляющей собой механическую смесь двух предварительно приготовленных атмосферообразующих засыпок, первая из которых является 30%-ной свинецсодержащей засыпкой, а вторая - 50%-ной висмутсодержащей засыпкой. 5 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к пьезоэлектрическому и/или пироэлектрическому композиционному материалу. Сущность: материал включает диэлектрическую матрицу (11), наполнитель по меньшей мере из одного неорганического пьезоэлектрического и/или пироэлектрического материала. Наполнитель включает нитевидные наночастицы (12), распределенные по всему объему твердой диэлектрической матрицы (11) с количеством по объему менее 50%. Основные направления удлинения нитевидных наночастиц (12) неорганического наполнителя, распределенного в диэлектрической матрице (11), имеют по существу изотропное распределение в твердой диэлектрической матрице (11). Изобретение также относится к способу изготовления и применения такого гибридного материала для получения конструкционных деталей и пленок на носителе, полученных осаждением на поверхности такого субстрата. Технический результат: высокий пьезоэлектрический и/или пироэлектрический отклик при сниженной доле функционального наполнителя, обеспечение сочетания пластичности, прочности и низкой диэлектрической проницаемости органических полимерных материалов с электроактивными свойствами неорганических пьезоэлектрических и/или пироэлектрических материалов, низкая интенсивность электрического поля при поляризации. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к ракетным двигателям малой тяги. Ракетный двигатель малой тяги с регулированием тяги содержащий камеру сгорания, смесительную головку с каналами и устройствами для подачи и регулирования расхода компонентов топлива, а также форсунки для распределения компонентов топлива, при этом устройства для подачи и регулирования расхода каждого компонента топлива, имеют пьезоэлектрический привод, а для управления тяговыми характеристиками двигатель снабжен источниками питания, которые встроены в электрическую цепь каждого пьезоэлектрического привода, при этом источники питания имеют регулятор напряжения. Изобретение обеспечивает повышение надежности, регулирование подачи компонентов топлива и его массового расхода одним устройством. 2 ил.

Изобретение относится к пьезотехнике, а именно к области создания многослойных пьезокерамических элементов для преобразователей электрической энергии в механическую. Сущность: способ включает приготовление шликера с порошком пьезокерамики, литье шликера через фильеру на движущуюся ленту и получение «сырых» пленок из органической связки с порошком пьезокерамики, резку сплошных «сырых» пленок на групповые заготовки, покрытие определенной части каждой групповой заготовки через сеткотрафарет пастой с порошком металла, сборку групповых заготовок в n-слойные пакеты, гидростатическое прессование собранных пакетов, рубку групповых n-слойных пакетов в соответствии с рисунком сеткотрафарета на отдельные n-слойные заготовки, удаление связки и спекание заготовок в монолит, металлизацию у монолитных заготовок боковых поверхностей, поляризацию монолитных заготовок, измерение параметров полученных монолитных многослойных (n-слойных) пьезокерамических элементов. Перед сборкой групповых заготовок в пакеты групповые заготовки подсушивают и участки каждой групповой заготовки, непокрытые пастой с порошком металла, покрывают через второй сеткотрафарет пастой с порошком пьезокерамики. При этом толщина слоя пасты с порошком керамики одинакова с толщиной слоя пасты с порошком металла. Технический результат: улучшение технологических и эксплуатационных характеристик изделий за счет повышения плоскостности внутренних электродов. 1 табл., 3 ил.

Изобретение относится к области производства электрической энергии и может быть использовано в устройствах с автономным питанием. Ветро-пьезоэлектрогенератор, содержащий пьезоэлектрические элементы, флюгер, полотно, электроды. Полотно закреплено на флюгере. Пьезоэлектрические элементы закреплены внутри полотна. Полотно удерживает пьезоэлектрические элементы и не позволяет им деформироваться до более максимального значения. Электроды расположены на противоположных поверхностях пьезоэлектрических элементов. Выходы всех электродов являются выходами ветро-пьезоэлектрогенератора. Заявленное изобретение направлено на упрощение и повышение эффективности производства электрической энергии для маломощных автономных устройств. 4 ил.
Наверх