RU2686492C1

RU2686492C1 - Sensitive element from connectivity piezocomposite 1-3 and method of its production

Info

Publication number: RU2686492C1
Application number: RU2018109383A
Authority: RU
Inventors: Владимир Константинович Доля; Егор Владимирович Карюков; Михаил Алексеевич Мараховский; Александр Анатольевич Панич; Светлана Николаевна Свирская
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Priority date: 2018-03-16
Filing date: 2018-03-16
Publication date: 2019-04-29

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: group of inventions relates to piezoelectric transducers of ceramic-polymer type with cohesion of 1–3 and can be used to increase receiving sensitivity of hydroacoustic antennae. Sensitive element from connectivity piezocomposite 1–3 comprises rods made of lead-zirconate-titanate-based piezoelectric material having longitudinal polarization arranged uniformly in polymer matrix and provided on electrodes with ends, wherein polymer matrix is made of mixture in equal-volume ratio of polyurethane and hollow ceramic balls uniformly distributed throughout matrix volume, and the matrix and the piezoceramic rods are located between the in-series current-conducting grid and the thin elastic plates of the material having Young's modulus value of not less than 2.5⋅10⁹ Pa, wherein electrodes of rods, mesh and plate are rigidly glued to each other, and current conducting grid and electrodes are electrically connected.

EFFECT: technical result is increased sensitivity of sensing element from connectivity piezocomposite 1–3.

7 cl, 6 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к конструкции чувствительного элемента и способу его изготовления из композиционного пьезоматериала связности 1-3 [1] для пьезоэлектрических преобразователей, которые предназначены для создания как одиночных гидроакустических приемников, так и многоэлементных гидроакустических антенн, работающих в режиме приема.The invention relates to the design of the sensitive element and the method of its manufacture from a composite piezomaterial of connectivity 1-3 [1] for piezoelectric transducers, which are designed to create both single sonar receivers and multielement sonar antennas operating in receive mode.

Пьезокомпозиты связности 1-3 представляют собой двухфазную систему, в которой структурные элементы одного из компонентов образуют монолитную систему, называемую матрицей, а структурными элементами второго компонента являются погруженные в нее и параллельно расположенные поляризованные пьезокерамические стержни квадратного или круглого сечения. Такие структуры называются матричными. При этом матрица характеризуется тремя измерениями, а активный элемент, выполненный из монолитного пьезоэлектрического керамического материала, имеет форму протяженного тонкого стержня, характеризуемого одним измерением. Пьезокомпозит связности 1-3 характеризуется рядом свойств, которых нет ни у одного взятого в отдельности компонента [2].Piezocomposites of connectivity 1-3 are a two-phase system in which the structural elements of one of the components form a monolithic system, called a matrix, and the structural elements of the second component are polarized piezoceramic rods of square or circular cross section immersed in it and in parallel. Such structures are called matrix. In this case, the matrix is characterized by three dimensions, and the active element, made of a monolithic piezoelectric ceramic material, has the form of an extended thin rod, characterized by one dimension. Piezocomposite connectivity 1-3 is characterized by a number of properties that are not present in any single component [2].

Для получения пьезокомпозитов связности 1-3 на основе пьезокерамики за последние три десятилетия были предложены и апробированы различные методы [3, 4]. Первые попытки создания пьезокомпозитов связности 1-3 были заключены в использовании крупнозернистого порошка сегнетоэлектрического твердого раствора Pb(Zr, Ti)O₃ и полиуретана. Средний размер зерен такого порошка был примерно равен толщине композитного образца, что облегчало его дальнейшую поляризацию во внешнем электрическом поле. В дальнейшем использовался порошок с зернами в форме сферы или дисков, и эти зерна заполняли полимерную среду, создавая непрерывное распределение в одном направлении. Впоследствии был предложен метод погружения в полимерную матрицу системы керамических стержней, закрепленных в специальном держателе. В усовершенствованном виде этот метод, названный «подбирать и размещать» (pick and place), стал применяться для получения пьезокомпозитов связности 1-3 «сегнетопьезокерамика - полимер» с различной объемной концентрацией керамических стержней, а также с различной микрогеометрией, соответствующей размерам стержней, их пространственному распределению, формой поперечного сечения и т.п.For obtaining piezocomposites of connectivity 1-3 on the basis of piezoceramics, over the past three decades, various methods have been proposed and tested [3, 4]. The first attempts to create piezocomposites of connectivity 1-3 were concluded in the use of coarse-grained powder of ferroelectric solid solution Pb (Zr, Ti) O ₃ and polyurethane. The average grain size of such a powder was approximately equal to the thickness of the composite sample, which facilitated its further polarization in an external electric field. Later, a powder with grains in the shape of a sphere or disks was used, and these grains filled the polymer medium, creating a continuous distribution in one direction. Subsequently, a method was proposed for immersion in the polymer matrix of a system of ceramic rods fixed in a special holder. In an improved form, this method, called “pick and place”, was used to obtain piezocomposites of connectivity 1–3 “ferro piezo ceramics - polymer” with different volumetric concentrations of ceramic rods, as well as with different microgeometry corresponding to the size of rods, their spatial distribution, cross-sectional shape, etc.

Из уровня техники известен способ получения блочного пьезокомпозита связности 1-3 для низкочастотных датчиков, работающих в частотном диапазоне до 100 кГц [5]. Структура чувствительного элемента из пьезокомпозита связности 1-3 содержит активные элементы в виде двух блоков пьезокерамических стержней, установленных встречно торец к торцу и имеющих встречное направление поляризации. На торцах пьезокерамических стержней нанесены электроды с токовыводами. Блоки пьезокерамических стержней погружены в диэлектрическую матрицу.In the prior art a method of obtaining a block piezocomposite of connectivity 1-3 for low-frequency sensors operating in the frequency range up to 100 kHz [5]. The structure of the sensitive element of the piezocomposite of connectivity 1-3 contains active elements in the form of two blocks of piezoceramic rods installed oppositely to the end and having a counter polarization direction. At the ends of piezoceramic rods, electrodes with current leads are applied. The blocks of piezoceramic rods are immersed in a dielectric matrix.

Основные преимущества использования пьезокомпозитов в качестве чувствительного элемента гидроакустических приемников основаны на следующих соображениях.The main advantages of using piezocomposites as a sensitive element of hydroacoustic receivers are based on the following considerations.

Гидроакустический приемник - это прибор, преобразующий акустическое давление Р (воздействующее на приемник со всех сторон) в электрическое напряжение U, возникающие на электрическом выходе приемника. Очевидно, что гидроакустический приемник тем лучше, чем выше его чувствительность - М_u, равнаяA hydroacoustic receiver is a device that converts the acoustic pressure P (acting on the receiver from all sides) into an electrical voltage U that occurs at the electrical output of the receiver. It is obvious that the sonar receiver is the better, the higher its sensitivity - M _u , equal to

Рассмотрим пьезоэлектрический элементы выполненный из классической монолитной пьезокерамики, например, из пьезоматериала системы ЦТС, который характеризуется пьезоконстантами g₃₃ (пьезоконстанта в направлении поляризации) и g₃₁ (пьезоконстанта в направлении перпендикулярном поляризации). Если этот пьезоэлемент подвергнуть воздействию всестороннего акустического давления Р, то его чувствительность будет прямо пропорциональна величине объемной пьезоконстанты g_v.Consider piezoelectric elements made of classical monolithic piezoceramics, for example, from the PTS system piezoelectric material, which is characterized by g ₃₃ piezo-constants (piezo-constant in the direction of polarization) and g ₃₁ (piezo-constant in the direction perpendicular to polarization). If this piezoelectric element is exposed to the all-round acoustic pressure P, then its sensitivity will be directly proportional to the size of the volume piezoelectric constant g _v .

Поскольку для всех современных монолитных пьезоматериалов g₃₃≈-2g₃₁, то g_v→0. Таким образом, звукоприемник, выполненный из монолитной пьезокерамики будет иметь чувствительность М_u→0. Поэтому во всех гидроакустических приемниках содержатся дополнительные конструктивные узлы, обеспечивающие такое акустическое экранирование пьезоэлемента, при котором пьезоэлемент подвергается акустическому воздействию только в одном конкретном направлении, например, по направлению поляризации. В этом случае чувствительность звукоприемника определяется только константой g₃₃, так как g_v=g₃₃.Since for all modern monolithic piezomaterials g ₃₃ ≈ –2g ₃₁ , then g _v → 0. Thus, a sound receiver made of monolithic piezoelectric ceramics will have sensitivity M _u → 0. Therefore, all sonar receivers contain additional structural units that provide such acoustic shielding of the piezoelectric element, in which the piezoelectric element is exposed to acoustic effects only in one particular direction, for example, in the direction of polarization. In this case, the sensitivity of the sound receiver is determined only by the constant g ₃₃ , since g _v = g ₃₃ .

Очевидно, что такие звукоприемники имеют сложную конструкцию, которую можно значительно упростить, используя в качестве основы чувствительный элемент из пьезокомпозитного материала в котором изначально пьезоконстанта g₃₁ подавлена за счет совокупных свойств матрицы и пьезоэлемента. Поэтому основной характеристикой пьезокомпозитов связности 1-3 для производства преобразователей, работающих на низкой частоте, является объемная пьезоконстанта композита g_v, мВ⋅м/Н. [6].It is obvious that such sound receivers have a complex structure, which can be greatly simplified by using as a basis a sensitive element made of piezocomposite material in which the g ₃₁ piezoconstant is suppressed due to the combined properties of the matrix and the piezo element. Therefore, the main characteristic piezocomposites 1-3 connectivity for manufacturing transducers operating at low frequency, is the volume of the composite piezoelectric constant g _v, mV⋅m / H. [6].

Широко известны конструкции чувствительных элементов гидроакустических преобразователей, имеющих высокое значение продольной пьезоконстанты g₃₃, при конструктивно подавленной поперечной состовляющей g₃₁, в которых активная составляющая выполнена из монолитного пьезоэлектрического керамического материала [7]. Однако, объемная чувствительность чувствительных элементов гидроакустических преобразователей на основе монолитных пьезоэлектрических материалов как показано выше имеет низкие значения. Возможности дальнейшего повышения чувствительности чувствительных элементов гидроакустических преобразователей на основе монолитных пьезоэлектрических материалов ограничены.The designs of sensitive elements of hydroacoustic transducers with a high value of the longitudinal piezoelectric constant g ₃₃ , with structurally suppressed transverse component g ₃₁ , in which the active component is made of a monolithic piezoelectric ceramic material, are widely known [7]. However, the volumetric sensitivity of sensitive elements of hydroacoustic transducers based on monolithic piezoelectric materials as shown above has low values. The possibilities of further increasing the sensitivity of sensitive elements of hydroacoustic transducers based on monolithic piezoelectric materials are limited.

Перспективными для создания чувствительных элементов гидроакустических преобразователей являются пьезокомпозиты связности 1-3, которые обладают продольной чувствительностью при сильно подавленной поперечной чувствительности, что обеспечивает высокую объемную пьезоконстанту g_v.Promising for the creation of sensitive elements of hydroacoustic transducers are piezocomposites of connectivity 1-3, which have longitudinal sensitivity with strongly suppressed transverse sensitivity, which ensures a high volumetric piezoelectric constant g _v .

При конструировании пьезоэлектрических преобразователей наибольшее распространение получили пьезокомпозиты связности 1-3, в которых в качестве пьезоактивной составляющей используют следующие пьезокерамические материалы: титанат бария, титанат свинца, цирконат-титаната свинца, ниобат магния, цирконат свинца, ниобат цинка, ниобат лития, танталат лития, висмут стронций кальций, а в качестве связующего -различные органические полимерные материалы [8].When designing piezoelectric transducers, the most widely used piezocomposites of connectivity are 1-3, in which the following piezoceramic materials are used as the piezoelectric component: barium titanate, lead titanate, lead zirconate titanate, magnesium niobate, lead zirconate, zinc niobate, lithium niobate, lithium tantalate, lithium tantalate. bismuth strontium calcium, and as a binder, various organic polymeric materials [8].

Известен пьезокомпозит связности 1-3, содержащий в составе связующего демпфирующие частицы, в котором равномерно расположены пьезоактивные компоненты (стержни) [6, 9]. Пьезоэлектрические стержни получают либо методом литья под давлением, либо путем распиловки блока пьезокерамики. Пьезокомпозит связности 1-3 получают путем последующего заполнения блока, состоящего из керамических стержней, жидким реакционно-способным полимером, в частности, эпоксидным полимером, который имеет низкую вязкость в неотвержденном состоянии, высокие клеящие и механические свойства.A piezo-composite of connections 1-3 is known, containing damping particles in the binder composition, in which piezo-active components (rods) are evenly spaced [6, 9]. Piezoelectric rods are obtained either by injection molding, or by sawing a piezo-ceramic block. Piezocomposite connectivity 1-3 is obtained by subsequent filling of the block, consisting of ceramic rods, liquid reactive polymer, in particular, epoxy polymer, which has a low viscosity in the uncured state, high adhesive and mechanical properties.

Однако отверждение эпоксидных смол приводит к усадке полимерной матрицы и возникновению внутренних напряжений. Это может привести к предварительному напряжению активной составляющей пьезокомпозита связности 1-3, искажению стержней, снижению параллельности между сторонами стержней, и как следствие, к короблению системы.However, the curing of epoxy resins leads to shrinkage of the polymer matrix and the occurrence of internal stresses. This can lead to a prestressing of the active component of the piezocomposite of connectivity 1-3, distortion of the rods, reduction of parallelism between the sides of the rods, and as a result, distortion of the system.

Частично решение данной проблемы достигают путем включения в полимерную матрицу частиц цемента и графита, что способствует повышению вязкоупругих и демпфирующих свойств полимерной матрицы [10]. Чувствительный элемент из пьезокомпозита связности 1-3 и способ его изготовления, описанные в статье [10] приняты за прототип настоящего изобретения.Part of the solution to this problem is achieved by incorporating particles of cement and graphite into the polymer matrix, which contributes to the increase in the viscoelastic and damping properties of the polymer matrix [10]. The sensing element from the piezoelectric composite of connectivity 1-3 and the method of its manufacture, described in article [10], are taken as the prototype of the present invention.

Активная составляющая пьезокомпозита связности 1-3 имеет форму стержней, выполненных из пьезоэлектрического материала PZT (ЦТС), имеющих продольную поляризацию и расположенных равномерно в полимерной матрице из эпоксидной смолы с включениями частиц цемента и графита. Были исследованы пьезоэлектрические, электромеханические и демпфирующие свойства пьезокомпозита связности 1-3. Получены высокие значения пьезоконстанты g₃₃=13,3 мВ⋅м/Н, значения которой примерно равны объемной пьезоконстанте g_v, так как g_v=g₃₃-2g₃₁, а значения поперечной пьезоконстанты g₃₁=0 [6].The active component of the piezocomposite of connectivity 1-3 has the form of rods made of a piezoelectric material PZT (PZT), having a longitudinal polarization and evenly spaced in an epoxy resin polymer matrix with inclusions of particles of cement and graphite. The piezoelectric, electromechanical, and damping properties of the piezo-composite of connectivity 1-3 were investigated. High values of the piezoelectric constant g ₃₃ = 13.3 mV⋅m / N were obtained, the values of which are approximately equal to the volume piezoelectric constant g _v , since g _v = g ₃₃ -2g ₃₁ , and the values of the transverse piezoelectric constant g ₃₁ = 0 [6].

Однако, прототип имеет недостаточно высокие значения объемной пьезоконстанты g_v, мВ⋅м/Н, что необходимо для эффективной работы гидроакустических преобразователей в режиме приема.However, the prototype has not sufficiently high values of bulk piezoelectric constant g _v, mV⋅m / H, which is necessary for efficient operation of hydroacoustic transducers in receiving mode.

Задачей настоящего изобретения является разработка чувствительного элемента из пьезокомпозита связности 1-3, имеющего высокие значения объемной пьезоконстанты g_v мВ м/Н и достаточно высокую прочность для работы на больших глубинах.The present invention is to develop a sensitive element from a piezocomposite of connectivity 1-3, having high values of the volume piezoconstant g _v mV m / N and a sufficiently high strength for operation at great depths.

Поставленная задача решена за счет достижения новых технических результатов:The task is solved by achieving new technical results:

- создание под действием внешнего давления в монолитных пьезокерамических стержнях дополнительных поперечных механических напряжений;- the creation under the influence of external pressure in the monolithic piezoceramic rods of additional transverse mechanical stresses;

- увеличения продольного механического растяжения/сжатия пьезокерамических стержней под воздействием внешнего давления;- increase the longitudinal mechanical stretching / compression of piezoceramic rods under the influence of external pressure;

- увеличение жесткости и уменьшение скорости акустической волны в полимерной матрице;- increase the stiffness and decrease the speed of the acoustic wave in the polymer matrix;

- повышения механической прочности.- increase mechanical strength.

Указанные технические результаты достигаются тем, что чувствительный элемент из пьезокомпозита связности 1-3 содержит стержни, выполненные из пьезоэлектрического материала на основе цирконата-титаната свинца (ЦТС), имеющие продольную поляризацию и расположенные равномерно в полимерной матрице с полыми керамическими шариками и снабженные на торцах электродами.These technical results are achieved by the fact that the sensitive element from the piezocomposite of connectivity 1-3 contains rods made of piezoelectric material based on lead zirconate titanate (PZT), having longitudinal polarization and located evenly in a polymer matrix with hollow ceramic balls and fitted with electrodes at the ends .

Согласно изобретения, к торцам пьезокерамических стержней последовательно приклеены токопроводящие сетки, которые позволяют избежать больших локальных напряжений в месте контакта пьезокерамического стержня, и как следствие потерю электрического контакта, и тонкие упругие пластины из материала, имеющего значение модуля Юнга не менее 2,5⋅10⁹ Па, модуль Юнга для материала пластин подобран экспериментально исходя из гибкости и прочности при статическом сжатии, а токопроводящие сетки и электроды электрически соединены.According to the invention, conductive grids are successively glued to the ends of the piezoceramic rods, which allow to avoid large local stresses at the point of contact of the piezoceramic rod and, as a consequence, loss of electrical contact, and thin elastic plates made of a material that has a Young's modulus of at least 2.5⋅10 ⁹ Pa, Young's modulus for the material of the plates is chosen experimentally on the basis of flexibility and strength under static compression, and the conductive grids and electrodes are electrically connected.

В частном случае выполнения:In the particular case of execution:

- упругие пластины выполнены из полиметилметакрилата с модулем Юнга 3⋅10⁹ Па;- elastic plates are made of polymethyl methacrylate with a Young's modulus of 3⋅10 ⁹ Pa;

- упругие пластины имеют толщину 0,5-0,7 мм.- elastic plates have a thickness of 0.5-0.7 mm.

Способ получения чувствительного элемента из пьезокомпозита связности 1-3 заключается в спекании пьезокерамического блока из пьезоматериала системы ЦТС с последующим распиливанием на тонкие стержни квадратного сечения, нанесением на торцы пьезокерамических стержней электродов, поляризацией и размещением пьезокерамических стержней в полимерной матрице.The method of obtaining the sensitive element from the piezocomposite of connectivity 1-3 consists in sintering the piezoceramic block from the PTS system piezoelectric material with subsequent sawing into thin square rods, applying electrodes of the piezoceramic rods to the ends, polarizing and placing the piezoceramic rods in the polymer matrix.

Согласно изобретения, предварительно изготавливают полимерную матрицу, для этого в форму для изготовления матрицы, имеющей заданное распределение отверстий в объеме матрицы, соответствующим геометрии пьезокерамических стержней, заливают жидкий полиуретан с добавкой полых керамических шариков в равном соотношении по объему, выдерживают полученную композицию до окончания полимеризации, вставляют пьезокерамические стержни в отверстия полимерной матрицы, припаивают к электродам пьезокерамических стержней токопроводящие сетки с токовыводами, на поверхность каждой токопроводящей сетки приклеивают тонкую упругую пластину с модулем упругости Юнга не менее 2,5⋅10⁹ Па, полученную заготовку пьезоэлектрического композита помещают в форму, заливают жидким полиуретаном и выдерживают до окончания полимеризации.According to the invention, a polymer matrix is prefabricated; to do this, liquid polyurethane with the addition of hollow ceramic balls in an equal ratio by volume is poured into the mold for manufacturing a matrix having a specified distribution of holes in the matrix volume corresponding to the geometry of the piezoceramic rods, insert the piezoceramic rods into the holes of the polymer matrix, solder the conductive grids with the current to the electrodes of the piezoceramic rods by conclusions, a thin elastic plate with a Young's modulus of elasticity of not less than 2.510 ⁹ Pa is glued to the surface of each conductive mesh, the resulting blank of the piezoelectric composite is placed in a mold, filled with liquid polyurethane and held until the end of polymerization.

- тонкие стержни имеют сечение равное (4,5×4,5) мм;- thin rods have a cross section equal to (4.5 × 4.5) mm;

- количество пьезокерамических стержней равно девяти;- the number of piezoceramic rods is nine;

- пьезокерамические стержни поляризуют в воздушной среде под напряжением 1 кВ/мм.- piezoceramic rods are polarized in air at a voltage of 1 kV / mm.

Указанная новая последовательность операций способа позволяет проводить поляризацию и отбраковку пьезокерамических стержней по электрофизическим параметрам до помещения в полимерную матрицу, что повышает выход годных изделий.This new sequence of operations of the method allows for the polarization and rejection of piezoceramic rods by electrophysical parameters before being placed in a polymer matrix, which increases the yield of suitable products.

Наличие полых керамических шариков в полимерной матрице приводит к увеличению ее жесткости и препятствует попаданию акустического воздействия на пьезокерамические стержни в направлении, перпендикулярном поляризации. Следовательно, предполагаемая полимерная матрица обеспечивает акустическое экранирование боковых поверхностей пьезокерамических стержней, выполняя тем самым функцию дополнительных акустических экранов классических звукоприемников.The presence of hollow ceramic balls in the polymer matrix leads to an increase in its rigidity and prevents the acoustic impact on the piezoceramic rods in the direction perpendicular to polarization. Consequently, the proposed polymer matrix provides acoustic shielding of the side surfaces of the piezoceramic rods, thereby performing the function of additional acoustic screens of classical sound receivers.

В прототипе полимерная матрица имеет включения графита и цемента, которые вносят вклад в повышение скорости распространения акустической волны в поперечном направлении и не обеспечивают подавление акустического воздействия на боковые поверхности пьезостержней.In the prototype, the polymer matrix has inclusions of graphite and cement, which contribute to an increase in the propagation speed of the acoustic wave in the transverse direction and do not suppress the acoustic impact on the lateral surfaces of the piezoelectric cores.

При воздействии внешнего давления Р на чувствительный элемент из пьезокомпозита связности 1-3 вдоль направления поляризации пьезокерамических стержней, являющихся активной составляющей, тонкие упругие пластины, имеющие значение модуля Юнга не менее 2,5-10⁹ Па, в областях между пьезокерамическими стержнями прогибаются навстречу друг другу, что приводит к возникновению в пластинах в областях, сопрягаемых с пьезокерамическими стержнями, дополнительных механических напряжений, направленных на растяжение упругих пластин, а, следовательно, и жестко скрепленных путем клейки с ними пьезокерамических стержней в направлении, перпендикулярном поляризации и воздействие давления Р (см фиг. 5). Таким образом предложенная конструкция чувствительного элемента обеспечивает одновременное воздействие на пьезокерамические стержни суперпозиции двух составляющих механических напряжений, сдавливающих в направлении поляризации, и растягивающих в перпендикулярном направлении. Следовательно, уравнение (2) для предлагаемой пьезокерамической композиции принимает вид:When external pressure P is applied to the sensitive element of the piezocomposite of connection 1-3 along the direction of polarization of the piezoceramic rods, which are the active component, thin elastic plates that have a Young's modulus of at least 2.5-10 ⁹ Pa in the areas between the piezoceramic rods bend towards each other other, which leads to the appearance in the plates in the areas mated with the piezoceramic rods, additional mechanical stresses aimed at stretching the elastic plates, and, consequently, rigidly fastened by gluing with them piezoceramic rods in the direction perpendicular to the polarization and the effect of pressure P (see Fig. 5). Thus, the proposed design of the sensing element provides a simultaneous effect on the piezoceramic rods of the superposition of two components of mechanical stresses, which are squeezing in the direction of polarization, and stretching in the perpendicular direction. Therefore, equation (2) for the proposed piezoceramic composition takes the form:

Учитывая, что для пьезоматериалов системы ЦТС пьезоконстанты g₃₃ и g₃₁ имеют разные знаки, реализованное в предложенном пьезокомпозите изменение знака механического напряжения в направлении перпендикулярном поляризации (не сжатие, а растяжение) в соответствии с уравнением (3) приводит к значительному увеличение g_v, а значит и объемной чувствительности гидроакустического приемника в целом. После прекращения воздействия акустического давления упругие пластины принимают первоначальную форму.Considering that for piezostama of the PZT system, the piezoconstants g ₃₃ and g ₃₁ have different signs, the change in the sign of mechanical stress in the proposed piezocomposite in the direction perpendicular to polarization (not compression, but stretching) in accordance with equation (3) leads to a significant increase in g _v , and hence the volumetric sensitivity of the hydroacoustic receiver as a whole. After the cessation of exposure to acoustic pressure, the elastic plates take on their original shape.

Диапазон толщин тонких упругих пластин составляет 0,5-0,7 мм, что является оптимальным для обеспечения сочетания достаточной прочности и массы чувствительного элемента из пьезокомпозита.The thickness range of thin elastic plates is 0.5-0.7 mm, which is optimal for providing a combination of sufficient strength and weight of a sensitive element made from a piezo-composite.

Известен пьезокомпозитный преобразователь связности 1-3 для гидроакустических антенн, работающих в поверхностных арктических водах. На одной поверхности каждого пьезопреобразователя расположен стальной защитный слой, а на другой поверхности согласующий слой из стеклополимера [11, абзацы 10-35 описания патента]. В отличие от [11], заявленный преобразователь в силу присутствия с двух сторон одинаковых упругих пластин с указанными характеристиками обеспечивает работоспособность чувствительного элемента в составе датчиков на глубине до 5 км и одновременно приводит к повышению объемной чувствительности, что не следует из [11] и не является очевидным из предшествующего уровня техники. При этом функцию согласующего слоя выполняет полиуретановый корпус пьезопреобразователя, а не специальный согласующий слой в виде пластины из стеклополимера.Known piezocomposite converter connectivity 1-3 for hydroacoustic antennas operating in surface Arctic waters. On one surface of each piezoelectric transducer there is a steel protective layer, and on the other surface there is a matching layer of glass polymer [11, paragraphs 10-35 of the patent description]. In contrast to [11], the claimed converter, due to the presence of identical elastic plates with the specified characteristics from two sides, ensures the operability of the sensitive element in the sensors at a depth of 5 km and simultaneously leads to an increase in volumetric sensitivity, which does not follow from [11] and is obvious from the prior art. In this case, the function of the matching layer is performed by the polyurethane body of the piezoelectric transducer, and not by a special matching layer in the form of a plate made of glass polymer.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Фиг. 1 - Пьезокомпозит со связностью 1-3, в аксонометрии - прототип.FIG. 1 - Piezocomposite with connectivity 1-3, in a perspective view - the prototype.

Фиг. 2 - Заявляемый чувствительный элемент из пьезокомпозита связности 1-3, вид сбоку.FIG. 2 - The inventive sensitive element of the piezocomposite connection 1-3, side view.

Фиг. 3 - Заявляемый чувствительный элемент из пьезокомпозита связности 1-3, вид сверху.FIG. 3 - The inventive sensitive element of the piezocomposite connection 1-3, top view.

Фиг. 4 - Форма для изготовления полимерной матрицы, вид сверху.FIG. 4 - Form for the manufacture of the polymer matrix, top view.

Фиг. 5 - Схема деформации заявляемого чувствительного элемента из пьезокомпозита связности 1-3 под воздействием акустического продольного давления Р, где F - сила, растягивающая пьезокерамические стержни, являющиеся активной составляющей, в поперечном направлении.FIG. 5 - Deformation scheme of the inventive sensitive element from a piezocomposite of connectivity 1-3 under the influence of acoustic longitudinal pressure P, where F is the force that stretches the piezoceramic rods, which are the active component, in the transverse direction.

Фиг. 6 - Схема деформации чувствительного элемента из пьезокомпозита связности 1-3 под воздействием акустического продольного давления Р при отсутствии тонких упругих пластин.FIG. 6 is a diagram of the deformation of a sensitive element from a piezocomposite of connectivity 1-3 under the influence of acoustic longitudinal pressure P in the absence of thin elastic plates.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Чувствительный элемент из пьезокомпозита связности 1-3 (фиг. 2) содержит блок пьезокерамических стержней 1, являющихся активной составляющей, равномерно расположенных в полимерной матрице 2, выполненной из полиуретана с добавкой полых керамических шариков в равном соотношении по объему. На торцах пьезокерамических стержней 1 методом вжигания серебряной пасты нанесены электроды 3, 4, припаянные к токопроводящим сеткам 5, 6 с токовыводами 7, 8, соответственно. К поверхностям каждой токопроводящей сетки 5, 6 приклеены тонкие упругие пластины 9, 10 с модулем упругости Юнга не менее 2,5⋅10⁹ Па, а вся конструкция покрыта полиуретановой оболочкой 11, выполняющую функцию согласующего слоя.The sensing element of the piezocomposite connectivity 1-3 (Fig. 2) contains a block of piezoceramic rods 1, which are the active component, evenly located in the polymer matrix 2, made of polyurethane with the addition of hollow ceramic balls in an equal volume ratio. At the ends of the piezoceramic rods 1, the silver paste was applied by applying the electrodes 3, 4 soldered to conductive grids 5, 6 with current leads 7, 8, respectively. Thin elastic plates 9, 10 with a Young's modulus of elasticity of at least 2.5⋅10 ⁹ Pa are glued to the surfaces of each conductive mesh 5, 6, and the whole structure is covered with a polyurethane sheath 11, which serves as a matching layer.

При воздействии внешнего давления Р (фиг. 5) на чувствительный элемент из пьезокомпозита связности 1-3 вдоль направления поляризации пьезокерамических стержней, тонкие упругие пластины 9 и 10 прогибаются навстречу друг другу, при этом возникает сила F, которая приводит к дополнительному давлению на торцы пьезоэлектрических стержней 1, что приводит к растяжению пьезокерамических стержней 1 в поперечном направлении. В отсутствие тонких упругих пластин 9, 10 дополнительного давления на торцы пьезокерамических стержней не происходит (фиг. 6).When external pressure P (Fig. 5) is applied to a sensitive element from a piezocomposite of connectivity 1-3 along the direction of polarization of piezoceramic rods, thin elastic plates 9 and 10 bend towards each other, and a force F arises, which leads to additional pressure on the ends of the piezoelectric rods 1, which leads to stretching of the piezoceramic rods 1 in the transverse direction. In the absence of thin elastic plates 9, 10 additional pressure on the ends of the piezoceramic rods does not occur (Fig. 6).

Пример конкретного выполнения способа изготовления чувствительного элемента из пьезокомпозита связности 1-3.An example of a specific implementation of the method of manufacturing a sensitive element of the piezoelectric composite connectivity 1-3.

Пьезокерамический блок из материала ЦТС-19 распиливали на отрезном станке на стержни размерами (4,5×4,5×7,5) мм, на торцы которых методом вжигания серебряной пасты наносили серебряные электроды. Поляризацию образцов проводили в воздушной среде на поляризационной установке ПВС-2, (изготовитель НКТБ «Пьезоприбор» ЮФУ) при напряжении 1 кВ/мм и температуре 360°С. Полимерную матрицу готовили путем добавления в жидкий полиуретан марки Гермокаст 7980285 керамических полых шариков с размером частиц 120 мкм в равном соотношении по объему.The piezoceramic block from the PZT-19 material was sawn on a cutting machine into rods with dimensions (4.5 × 4.5 × 7.5) mm, at the ends of which silver electrodes were applied using silver paste paste. The polarization of the samples was carried out in the air at the PVA-2 polarization unit (manufactured by the Piezopribor NKTB SFU) at a voltage of 1 kV / mm and a temperature of 360 ° C. A polymer matrix was prepared by adding ceramic hollow spheres with a particle size of 120 μm to an equal volume ratio of liquid polyurethane of the brand Germokast 7980285.

Жидкий полиуретан с керамическими полыми шариками заливали в литьевую форму с профилем отверстий 12 прямоугольного сечения (фиг. 4), соответствующим толщине пьезокерамических стержней 1 и выдерживали при комнатной температуре в течение 12 часов до полной полимеризации. Полученную полимерную матрицу 2 равномерно заполняли пьезокерамическими стержнями 1. Затем к положительным электродам пьезокерамических стержней 1 припаивали токопроводящую сетку 6 с токовыводом 8, а к отрицательным электродам пьезокерамических стержней 1 припаивали токопроводящую сетку 5 с токовыводом 7. На поверхность каждой токопроводящей сетки 5, 6 приклеивали клеем БФ-2 по одной тонкой упругой пластине 9, 10 выполненной из материала с модулем Юнга не менее 2,5⋅10⁹ Па. В частном случае выполнения тонкие упругие пластины 9, 10 выполнены из полиметилметакрилата и имеют толщину 0,5 мм. Полученная конструкция помещалась в литьевую форму и заливалась жидким полиуретаном марки Гермокаст 7980285.Liquid polyurethane with ceramic hollow balls was poured into a mold with a hole profile 12 of rectangular cross section (Fig. 4), corresponding to the thickness of piezoceramic rods 1 and kept at room temperature for 12 hours until complete polymerization. The obtained polymer matrix 2 was uniformly filled with piezoceramic rods 1. Then, a conductive grid 6 with current terminal 8 was soldered to the positive electrodes of the piezoelectric rod 1, and a conductive grid 5 was soldered to the negative electrodes of piezoceramic rods 1 with adhesive terminal 7. BF-2 in one thin elastic plate 9, 10 made of a material with a Young's modulus not less than 2.5⋅10 ⁹ Pa. In the particular case of making thin elastic plates 9, 10 are made of polymethyl methacrylate and have a thickness of 0.5 mm. The resulting design was placed in a mold and poured with liquid polyurethane brand Hermokast 7980285.

На установке для измерения объемной чувствительности пьезоэлектрических элементов «Паскаль-4», изготовитель НКТБ «Пьезоприбор» г. Ростов-на-Дону была измерена чувствительность по напряжению М_u. Значения объемной пьезоконстанты g_v вычисляли по формуле:On the installation for measuring the volumetric sensitivity of the Pascal-4 piezoelectric elements, the manufacturer of the Piezopribor NPTB, Rostov-on-Don, was measured for the voltage sensitivity M _u . The values of the volume piezoelectric constant g _{v were} calculated by the formula:

g_v=M_u/h,g _v = M _u / h,

где М_u - чувствительность по напряжению, мкВ/Па;where M _u is the voltage sensitivity, µV / Pa;

h - расстояние между электродами активной составляющей чувствительного элемента из пьезокомпозита равное 7,5 мм.h is the distance between the electrodes of the active component of the sensitive element of the piezoelectric composite equal to 7.5 mm.

Сравнительные данные для пьезоконстанты g_v мВ⋅м/Н, коэффициента электромеханической связи k_t продольного пьезоэлектрического модуля d₃₃ и значений тангенса угла диэлектрических потерь tgδ активной составляющей чувствительного элемента из пьезокомпозита связности 1-3 в процентах от значений прототипа (строка 1), заявляемого чувствительного элемента из пьезокомпозита связности 1-3 (строка 2) и чувствительного элемента из пьезокомпозита связности 1-3 без диэлектрических пластин на торцах пьезокерамических стержней из пьезокерамики со значением продольного пьезоэлектрического модуля d₃₃=500 пКл/Н. (строка 3) приведены в таблице.Comparative data for the piezoelectric constant g _v mV⋅m / N, the electromechanical coupling coefficient k _t of the longitudinal piezoelectric modulus d ₃₃ values and the dielectric loss tangent of the angle tgδ active component of the sensor element 1-3 piezocomposite connected as a percentage of the values of the prototype (Line 1), the claimed of a sensitive element from a piezoelectric composite of connectivity 1-3 (line 2) and a sensitive element of a piezocomposite of connectivity 1-3 without dielectric plates at the ends of piezoceramic rods made of piezoceramics with iem longitudinal piezoelectric modulus d ₃₃ = 500 pC / N. (line 3) are given in the table.

Как следует из таблицы значение объемной чувствительности заявляемого чувствительного элемента из пьезокомпозита связности 1-3 (строка 2) составляет g_v=20 мВ⋅м/Н, что в 1,5 раза выше, чем у прототипа (строка 1), у которого g_v=g₃₃=13,3 мВ⋅м/Н. Значение g_v=16,8 мВ⋅м/Н получено для чувствительного элемента из пьезокомпозита связности 1-3 без тонких упругих пластин 9, 10 на торцах пьезокерамических стержней (строка 3), что подтверждает их влияние на повышение пьезочувствительности. При более низких значениях продольного пьезоэлектрического модуля d₃₃ активной составляющей (d₃₃=500 пКл/Н) по сравнению с прототипом (d₃₃=600 пКл/Н), получены более высокие значения g_v. Разработан экспериментальный образец заявляемого чувствительного элемента из пьезокомпозита связности 1-3.As follows from the table, the volumetric sensitivity value of the inventive sensitive element from the piezocomposite of connectivity 1-3 (line 2) is g _v = 20 mV мm / H, which is 1.5 times higher than that of the prototype (line 1), which has g _v = g ₃₃ = 13.3 mV⋅m / H. The value g _v = 16.8 mV⋅m / H was obtained for a sensitive element from a piezocomposite of connectivity 1–3 without thin elastic plates 9, 10 at the ends of piezoceramic rods (line 3), which confirms their influence on the increase in piezo-sensitivity. At lower values of the longitudinal piezoelectric modulus d _{33 of the} active component (d ₃₃ = 500 pC / H) compared with the prototype (d ₃₃ = 600 pC / H), higher values of g _v were obtained. An experimental sample of the inventive sensitive element from a piezocomposite of connectivity 1-3 has been developed.

Источники информацииInformation sources

1. R.Е. Newnham, D.P. Skinner, and L.Е. Cross, "Connectivity and piezoelectric-pyroelectric composites," MaterialcRes. Bull., vol. 13, pp. 525-536, 1978.1. R.Е. Newnham, D.P. Skinner, and L.E. Cross, "Connectivity and piezoelectric-pyroelectric composites," MaterialcRes. Bull., Vol. 13, pp. 525-536, 1978.

2. Modeling 1-3 Composite Piezoelectrics: Thickness-Mode Oscillations. W. Smith and B. Auld, IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERROELECTRICS AND FREQUENCY CONTROL. VOL. 38. NO. I. JANUARY 1991.2. Modeling 1-3 Composite Piezoelectrics: Thickness-Mode Oscillations. W. Smith and B. Auld, IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERROELECTRICS AND FREQUENCY CONTROL. Vol. 38. NO. I. JANUARY 1991.

3. FABRICATION OF PIEZOELECTRIC CERAMIC/POLYMER COMPOSITES BY INJECTION MOLDING, Leslie J. Bowen and Kenneth W. French, Materials Systems Inc. 53 Hillcrest Road, Concord, MA 01742.3. FABRICATION OF PIEZOELECTRIC CERAMIC / POLYMER COMPOSITES BY INJECTION MOLDING, Leslie J. Bowen and Kenneth W. French, Materials Systems Inc. 53 Hillcrest Road, Concord, MA 01742.

4. US 5539965 A, Method for making piezoelectric composites.4. US 5539965 A, Method for making piezoelectric composites.

5. Method for making an acoustic transducer. WO 2007012604 (A2), МПК B06B 1/06, H01L 41/37, опубл. 2007-02-01.5. Method for making an acoustic transducer. WO 2007012604 (A2), IPC B06B 1/06, H01L 41/37, publ. 2007-02-01.

6. В.Ю. Тополов, A.E. Панин. Пьезокомпозиты: получение, свойства, применение (учебное пособие), Ростов-на-Дону, 2009, с. 43.6. V.Yu. Topolov, A.E. Panin. Piezocomposites: obtaining, properties, application (training manual), Rostov-on-Don, 2009, p. 43.

7. RU 2080743 С1, МПК ⁶ H04R 1/44, опубликовано: 27.05.1997.7. RU 2080743 C1, IPC ⁶ H04R 1/44, published: 05/27/1997.

8. WO 2011005535 (А1) 2011-01-13 CERAMIC-POLYMER COMPOSITES A61L 27/40; A61L 31/12; С04В 35/117; С04В 35/185; C08J 5/24; С09K 8/58; С09K 8/80; H01L 41/18.8. WO 2011005535 (A1) 2011-01-13 CERAMIC-POLYMER COMPOSITES A61L 27/40; A61L 31/12; C04B 35/117; C04B 35/185; C08J 5/24; C09K 8/58; C09K 8/80; H01L 41/18.

9. Piezoelectric Composites for Sensor and Actuator Applications. E. Koray Akdogan et al. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency control, vol. 52, no. 5, may 2005, 756) [2], (R.L.

and G. Hayward, "Investigation into the effects of modification of the passive phase of improved manufacture of 1-3 connectivity piezocomposite transducers," IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr., vol. 46, pp. 511-516, 1999.9. Piezoelectric Composites for Sensor and Actuator Applications. E. Koray Akdogan et al. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency control, vol. 52, no. 5, may 2005, 756) [2], (RL

and G. Hayward, "Investigation of the transient transducers," IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr., Vol. 46, pp. 511-516, 1999.

10. Design, fabrication and property investigation of cement/polymer based 1-3 connectivity piezo-damping composites. Xu Dongyu, Cheng Xin, Guo Xiaojing, Huang Shifeng. Conduction and Building Materials 84 (2015) 219-223. Journal homepage: www.elsevier.com/locate/conbuildmat - прототип.10. Design, fabrication and property of the cement / polymer based 1-3 connectivity piezo-damping composites. Xu Dongyu, Cheng Xin, Guo Xiaojing, Huang Shifeng. Conduction and Building Materials 84 (2015) 219-223. Journal homepage: www.elsevier.com/locate/conbuildmat - prototype.

11. US 6806622 (B1) - 2004-10-19, Impact-reinforced piezocomposite transducer array, B06B 1/06; G10K 11/00; H04R 17/00; H04R 1/44; (IPC1-7): H01L 41/04.11. US 6806622 (B1) - 2004-10-19, Impact-reinforced piezocomposite transducer array, B06B 1/06; G10K 11/00; H04R 17/00; H04R 1/44; (IPC1-7): H01L 41/04.

Claims

1. Чувствительный элемент из пьезокомпозита связности 1-3. содержащий стержни, выполненные из пьезоэлектрического материала на основе цирконата-титаната свинца (ЦТС), имеющие продольную поляризацию, расположенные равномерно в полимерной матрице и снабженные на торцах электродами, отличающийся тем, что полимерная матрица выполнена из смеси в равном по объему соотношению полиуретана и полых керамических шариков, равномерно распределенных по всему объему матрицы, а матрица и пьезокерамические стержни расположены между последовательно установленными токопроводящей сеткой и тонкими упругими пластинами из материала, имеющего значение модуля Юнга не менее 2,5⋅10⁹ Па, причем электроды стержней, сетка и пластина жестко склеены между собой, а токопроводящая сетка и электроды электрически соединены.1. The sensing element from the piezoelectric composite connectivity 1-3. containing rods made of piezoelectric material based on lead zirconate titanate (PZT), having longitudinal polarization, located evenly in the polymer matrix and provided with electrodes at the ends, characterized in that the polymer matrix is made of a mixture in an equal ratio of polyurethane and hollow ceramic balls uniformly distributed throughout the matrix, and the matrix and piezoceramic rods are located between the successively installed conductive grid and thin elastic plates Astinas from a material with a Young's modulus of at least 2.5⋅10 ⁹ Pa, with the rod electrodes, grid and plate rigidly glued to each other, and the conductive grid and electrodes are electrically connected.

2. Чувствительный элемент по п. 1, отличающийся тем, что упругие пластины выполнены из полиметилметакрилата.2. The sensing element according to claim 1, characterized in that the elastic plates are made of polymethyl methacrylate.

3. Чувствительный элемент по п. 1, отличающийся тем, что упругие пластины имеют толщину 0,5-0,7 мм.3. The sensing element according to p. 1, characterized in that the elastic plates have a thickness of 0.5-0.7 mm.

4. Способ получения чувствительного элемента из пьезокомпозита связности 1-3, заключающийся в спекании пьезокерамического блока из пьезоматериала системы ЦТС с последующим распиливанием на тонкие стержни квадратного сечения, нанесением на торцы пьезокерамических стержней электродов и поляризацией, размещением пьезокерамических стержней в полимерной матрице, отличающийся тем, что изготавливают полимерную матрицу из равномерной смеси полиуретана и полых керамических шариков в равном соотношении по объему, для этого в форму для изготовления матрицы, имеющей заданное распределение в объемематрицы отверстий, соответствующих геометрическим размерам пьезокерамических стержней, заливают указанную смесь и выдерживают полученную композицию до окончания полимеризации, вставляют пьезокерамические стержни в отверстия полимерной матрицы, припаивают к электродам пьезокерамических стержней токопроводящие сетки с токовыводами, затем полученную сборку устанавливают между тонкими упругими пластинами, предварительно нанеся на соприкасающиеся поверхности сеток и пластин клеевой слой, после чего полученный пакет выдерживают в условиях, необходимых для окончания процесса формирования требуемых механических параметров клеевого слоя, а полученную заготовку устанавливают в форму для заливки чувствительного элемента, заливают жидким полиуретаном и выдерживают до окончания процесса полимеризации.4. A method of obtaining a sensitive element from a piezocomposite of connectivity 1-3, which consists in sintering a piezoceramic block from a PTS piezo material with subsequent sawing into thin square rods, applying to the ends of piezoceramic rods of electrodes and polarization, placing piezoceramic rods in a polymer matrix, different that the polymer matrix is made of a uniform mixture of polyurethane and hollow ceramic balls in an equal ratio by volume, for this purpose in the mold for izgoto Matrix having a specified distribution in the matrix of holes corresponding to the geometric dimensions of the piezoceramic rods, pour the mixture and maintain the resulting composition until the end of polymerization, insert the piezoceramic rods into the holes of the polymer matrix, solder the grids with current leads to the electrodes of the piezoceramic rods, then assemble the resulting electrodes between the piezoceramic rods thin elastic plates, pre-applied to the contacting surface of the grids and plates of cells Eve layer, after which the resulting package is maintained under conditions suitable for the closure process of forming the desired mechanical properties of the adhesive layer, and the resulting preform is set in a form to fill the sensing element, is filled with liquid polyurethane and is maintained until the end of the polymerization process.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что тонкие стержни имеют сечение, равное (4,5×4,5) мм.5. The method according to p. 4, characterized in that the thin rods have a cross section equal to (4.5 × 4.5) mm.

6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что количество пьезокерамических стержней равно девяти.6. The method according to p. 4, characterized in that the number of piezoceramic rods is nine.

7. Способ по п. 4, отличающийся тем, что пьезокерамические стержни поляризуют в воздушной среде под напряжением 1 кВ/мм.7. The method according to p. 4, characterized in that the piezoceramic rods are polarized in air at a voltage of 1 kV / mm.