DE2349449A1

DE2349449A1 - Zuender

Info

Publication number: DE2349449A1
Application number: DE19732349449
Authority: DE
Inventors: Kenneth Raymond Brown; Rodney Lane; Douglas Reginald Luff
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1972-10-02
Filing date: 1973-10-02
Publication date: 1975-12-18
Also published as: SE404253B; GB1410786A; FR2327510B1; AU6091273A; FR2327510A1; IT994346B; US3977328A; CA1015216A; BE805587A

Description

Die Erfindung betrifft einen Zünder, insbesondere einen Zünder, der durch elektrische Signale von einem piezoelektrischen Wandler bei dessen Beaufschlagung mit mechanischem Drück betätigbar ist.

Üblicherweise hat ein derartiger Zünder im allgemeinen einen indifferenten Becher, z. B. aus Aluminiumoxid oder Kunststoff, in den eine elektrisch leitende Scheibe aus einem Metall wie Messing eingesetzt ist. Benachbart zur leitenden Scheibe ist ein isolierendes Punkenstrecken-

293-(J4OO5/O8)-HdHp

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Distanzstück: mit einer mittigen Bohrung vorgesehen, die eine Funkenstrecke zwischen einer Fläche eines piezoelektrischen Wandlers an einer Seite des isolierenden Distanzstücks und der leitenden Scheibe auf der anderen Seite ausbildet. An der entgegengesetzten Wand des piezoelektrischen Wandlers befindet sich ein Amboß, der von einer Messingplatte durch einen Luftspalt getrennt ist, der Amboßspalt genannt wird. Wenn der.Zünder betätigt wird, z. B. durch Aufschlagen auf den Boden,'wird der Amboß gegen die Messingplatte mit einer ausreichenden Kraft bewegt, um eine Spannung am piezoelektrischen Wandler zu erzeugen, so daß in der Funkenstrecke eine Entladung.stattfindet, um einen Auslöser zu betätigen. Normalerweise ist ein Schärfschalter vorhanden, damit die erzeugte Spannung den Auslöser nur erreichen kann, wenn der Zünder benutzt · werden soll. Ein hochohmiger Nebenschlußwiderstand läßt dann die vom piezoelektrischen Wandler erzeugte Spannung abfallen, wenn die Einrichtung nicht geschärft ist.

Häufig ist ein Zeitgeber vorhanden, um den Scharfschalter nur nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit nach Beginn eines Vorgangs, z. B. nach einem Luftabwurf der Einrichtung, zu schließen. .Es hat sich jedoch herausgestellt, daß ein derartiger Zünder bei Luftabwürfen verschiedentlich vorzeitig zündet. Dies bewirkt günstigster..falls einen Materialverlusti ist jedoch ungünstigstenfalls sehr gefährlich, wenn z. B. die Einrichtung bei Abwurf aus einem Flugzeug zu schärfen ist, insbesondere aus niedriger Höhe.

•Diese Gefahr des vorzeitigen Zündens wird erfindungsgemäß weitgehend dadurch überwunden, daß der piezoelektrische Wandler einen spezifischen Widerstand von weniger als ca. 5 · 10¹¹ A- cm hat.

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Es ist nämlich erkannt worden, daß ein Zünder mit einem piezoelektrischen Wandler gernäß der Erfindung die innere Ableitung von Ladungen gestattet, die sich auf dem piezoelektrischen Wandler infolge Prellens des Ambosses gegen die Grundplatte nach dem Schärfen ausbilden. Bislang wurde diese angesammelte Ladung über den Auslöser abgeleitet, was das vorzeitige Zünden hervorrief.

Die Erfindung wird dadurch weitergebildet, daß der spezifische Widerstand kleiner als 10 /lern ist.

Dieser Wert des spezifischen Widerstands stellt eine geeignete Sicherheitsgrenze gegen vorzeitiges Zünden, dar.

Falls das Zünden durch' einen weichen Aufschlag, z.B. auf weichen Boden, ausgelöst wird, ist es zweckmäßig, daß der

Q 11

spezifische Widerstand IG⁷ bis 10 Jl.-cm beträgt, damit die langsame Ladungserzeugung durch den Aufschlag nicht vor Erreichen ihres Spitzenwerts unterbrochen wird.

Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht ferner darin, daß der piezoelektrische Wandler einen oxid-ferroelektrisehen Keramikwerkstoff aufweist, der mit.einem Dotierstoff dotiert ist, um den erforderlichen spezifischen Widerstand zu ergeben. . · ·

Es ist überraschenderweise festgestellt worden, daß oxidferroelektrische piezoelektrische Wandler, die mit Uran dotiert sind, einen spezifischen Widerstand aufweisen, der zwei oder drei Größenordnungen kleiner als der von undotiertem Werkstoff ist.

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Daher, ist es vorteilhaft, daß der oxid-ferroelektrische V/andler Uran als Dotierstoff hat.

Es ist ferner zweckmäßig, daß der oxid-ferroelektrische Keramikwerkstoff ein polykristalliner Keramikwerkstoff ist, der im wesentlichen aus Blei, Zirkon, Titan und Sauerstoff in im wesentlichen stöchiometrischen Verhältnissen entsprechend Bleizirkonat und Bleititanat in einem Mol-Verhältnis im Bereich von 6o : 4o bis 35 : 55 besteht.

Ein derartiger Keramikwerkstoff hat gute reproduzierbare piezoelektrische Eigenschaften und kann leicht sowie billig gefertigt v/erden.

Optimale Eigenschaften des piezoelektrischen Keramikwerkstoffs werden dadurch erreicht, daß der Mol-Anteil von Bleititanat 47,0 bis 48,2 % beträgt.

Es ist ferner zweckmäßig, daß der piezoelektrische Wandler mit Uran in einer Menge entsprechend bis zu 1,5 Gew.-$ von U-,0o-0xid dotiert ist.

Jenseits dieser Grenze verschlechtert sich das Betriebsverhalten von Zündern mit einem derartigen piezoelektrischen Wandler für langsame Aufschläge, da die entwickelte Ladung vor Erreichen ihres Maximums abfließt.

Für die untere Grenze gilt vorzugsweise, daß der piezoelektrische V/andler mit Uran in einer Menge entsprechend mehr als 0,4 Gew.-% von U-^Og-Oxide dotiert ist.

Unterhalb dieser Grenze ist der spezifische Widerstand des piezoelektrischen Wandlers merklich erhöht, was den Sieher-

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heitsspielraum in Zündern mit urandotierten piezoelektrischen Wandlern vermindert.

Das Urandotieren von Bleizirkonat und Bleititanat wie oben beschrieben beeinträchtigt andere Eigenschaften des Keramikwerkstoffs in einem bestimmten Maß, insbesondere die Dielektrizitätskonstante und den planaren Koppelkoeffizienten.

Diese Eigenschaften können geändert und auf ihren ursprünglichen Wert gebracht werden, indem das Blei teilweise durch ein Erdalkalimetall substituiert ist.

Am geeignetsten und einfachsten kann Strontium als Erdalkalimetall verwendet werden.

Dabei ist es zweckmäßig, daß das Blei teilweise durch Strontium in einer Menge entsprechend bis zu 5 Mol-$ von SrO-Oxid substituiert ist.

Eine derartige Teilsubstitution reicht aus, um die durch die Uransubstitution hervorgerufene Änderung von Eigenschaften, die vom spezifischen Widerstand verschieden sind, zu kompensieren, ohne den spezifischen Widerstand stärker zu beeinflussen.

Die Erfindung wird arhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Zünders; und

Fig. 2 schematisch ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel. ·

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Gemäß Pig. 1 hat ein Zünder einen zylindrischen Becher 1 aus Aluminiumoxid oder Kunststoff, in dem eine Messingscheibe 2 und ein Funkenstrecken-Distanzstück j5 mit einer mittigen Öffnung 4 angeordnet sind. Eine piezoelektrische Scheibe 5 liegt am Distanzstück 3 an, so daß die Öffnung 4 eine Funkenstrecke zwischen der einen Wand des piezoelektrischen Wandlers und der Messingscheibe 2 ausbildet. An der anderen Wand des piezoelektrischen Kristalls liegt ein Amboß 6 an, der von einer Grundplatte 7 durch einen Amboßspalt 3 getrennt ist. Die Messingscheibe 2 ist elektrisch mit der Grundplatte 7 über einen niederohmigen .Auslöser verbunden, der als ein Widerstand R2 (normalerweise 80-1000 _Ω.) in Reihe mit einem Schärf schalter SW (in unbetätigter Stellung gezeigt) dargestellt ist. Der Zünder ist durch einen hochohmigen Widerstand Rl (>1ÖOOj1.) überbrückt.

Wenn das Zündergehäuse (nicht gezeigt) als erstes sich öffnet, wird der Amboß 6 gegen die Grundplatte 7 mit einer so großen Kraft gestoßen, daß eine Spannung am piezoelektrischen Kristall 5 erzeugt wird. Da jedoch in diesem Zeitpunkt der Amboßspalt 8 geschlossen ist, kann die Spannung über den hochohmigen Widerstand Rl abfallen, vorausgesetzt, daß die erzeugte Spannung einen Überschlag in der Funkenstrecke auslösen kann. Am Ende des Öffnens hört der Druck auf, so daß der Amboßspalt 8 sich wieder öffnet und eine entgegengesetzt gerichtete Spannung an der piezoelektrischen Scheibe auftritt, die durch Prellen des Amboßspalts vernichtet werden kann. Ein Zeitgeber schließt den Schärjfschalter, und falls weitere Ladungen entstehen und über die Funkenstrecke abfließen, werden sie im Auslöser-Widerstand R2 vernichtet, der die Zündung auslöst.

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Die Verwendung eines niederohmigen piezoelektrischen •Wandlers, wie durch die Erfindung vorgesehen, gestattet diesen weiteren Spannungsaufbau intern im piezoelektrischen Wandler abzubauen.

Bei Aufschlag auf ein Ziel schlägt der Amboß 6 auf die Grundplatte 7 hart auf, so daß ein Spannungsimpuls am piezoelektrischen Wandler 5 erzeugt wird, der nicht Zeit genug hat, um in der Scheibe selbst vernichtet zu werden, so daß das Überschlagen der Funkenstrecke das Zünden bewirkt.

Die Eigenschaften von Keramikwerkstoffen, die erfindungsgemäß vorgesehen werden können, sind in den folgenden beispielsweisen Tabellen angegeben.

Tabelle 1 von Beispielen 1-20 zeigt die Dielektrizitätskonstante und den spezifischen Widerstand einer Anzahl piezoelektrischer Keramikverbindungen, wobei die Beispiele 1-19 Keramikwerkstoffe betreffen, die zur Verwendung in erfindungsgernäßen Zündern geeignet sind, während das Beispiel 20 ein üblicher kommerzieller Blei-Zirkonat-Titanat-Keramikwerkstoff ist, der unter dem .Handelsnamen "VERNITRON 4a" bekannt ist und dessen Eigenschaften zum Vergleich hier aufgeführt sind. - ·

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Tabelle 1

Zusammensetzung	Bei spiele	MoI-*	I	SrO	öew.~ Ό	(1)£	(2)kp	jIO
			U,0fl
	'Bleititanat	0	3 8			130
1	53,0/47,0	0	0,8			160
2	52.6/47,4	0	0,8	470	O.46	140
3	52.4/47,6	0	0,8	500	0.47	140
4	52.0/48.0	0 .	0,8	530	0.47	29
5	53.0/47,0	0	1,2	680	0,48	24
6	52.6A7.4	0	1.2	460	0,47	26
7	52,4/47,6	0	1,2	L90	0,46	24
8	52.O/48.O	3	1.2	520	0,47	72
9	53,0/47,0	3	0.8	590	0,49	72
10	52,6/47,4	3	0.8	I52O"	0,53	46
11	52,2/47.8	3	0,8	1680-	0,52	71
12	51,8/48,2	3	0.8	1610	0,50	29
13	53.0/47,0	• 3	1.2	1550	0,48	17
14	52.6/47.4	3	1,2	1230	0.51	23
15	52.2/47,8	3		1320	0,52	23
16	51.3/48.2	0		1520	0,51	72
17	52.6/47,4	0	0,4	1530	0,51	71
18	M	0	0.6	610	0,48	I6O
CM.	η	O	0,8	550	0,47	56
19	η	0	1,0	500	0,47	24
6	H	0	1.2	480	0,47	»20000
20	53,0/47.0	0	490	0,46
!200	0,50

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Die spezifischen Widerstände wurden bei einer Feldstärke von 100 V/mm gemessen; diese Meßwerte sollten als Mindestwerte angesehen werden, da sie unmittelbar nach Anlegen des Felds aufgenommen wurden.

Dabei bedeuten:

Fc = ein pyroelektrischer Güteparameter, nämlich Ladungsempfindlichkeit (C mm/j);

Fv = ein pyroelektrischer Güteparameter, nämlich Spannungs empfindlichkeit (Cmm/j);

£ = Dielektrizitätskonstante;

Kp = planarer elektromechanischer Koppelkoeffizient für eine Scheibe; und

= spezifischer Widerstand.

Die meisten piezoelektrischen Werkstoffe haben eine niedrige Leitfähigkeit, was das Beispiel 20 zeigt, dessen

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spezifischer Widerstand größer als 2 · 10 JtL'cm ist, während die übrigen neunzehn Beispiele Blei-Zirkonat-Titanat-. Prüflinge waren, die mit Uran als Dotierstoff gefertigt worden waren, wobei eine Teilsubstitution von Blei durch Strontium in acht Fällen (Beispiele 9-16) erfolgte. Das Verhältnis von Bleizirkonat zu Bleititanat (LZ/LT) lag im Bereich 51,8/48,2 bis 53,θΛ7,Ο. Die Keramikwerkstoff-Prüflinge wurden unter Anwendung herkömmlicher Technologie hergestellt; die Fertigungsbedingungen betrugen in diesem Fall: Mahlen für 2 h, Umsetzen bei 850 °C, Mahlen für 8 h, Sintern bei 1200 ⁰C für 6 h.

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Die piezoelektrischen und dielektrischen Eigenschaften der Werkstoffe der Beispiele I-I9 sind ziemlich gutj jedoch ist der spezifische Widerstand um einen Faktor 100-1000 niedriger als für das Beispiel 20. Die Gesamtwirkung der Erhöhung des Anteils der Urandotierung besteht in einer Beeinträchtigung aller elektrischen Eigenschaften, die in manchen Fällen allerdings gering ist. Es ist nun gefunden worden, daß eine Teilsubstitution von Blei durch Erdalkalimetalle sowohl .den planaren Kopplungskoeffizienten als auch die Dielektrizitätskonstante erhöht. Die Beispiele 9-16 zeigen die Ergebnisse, die mit strontiumsubstituierten Werkstoffen erhalten wurden. Es ist ersichtlich, daß eine Substitution durch etwa 5 Mol-# Strontiumoxid im Keramikgrundstoff wirksam die Dielektrizitätskonstante und den planaren Kopplungskoeffizienten auf ihre ursprünglichen Werte zurückbringt. Strontium ist der bevorzugte Substituent, da sein Atomradius dem von Blei am nächsten kommt.

Aus diesen Verbindungen kann ein sehr guter piezoelektrischer Zünderwerkstoff ausgewählt v/erden, der nicht nur eine hohe Empfindlichkeit in bezug von elektrischer Energie auf mechanische Belastung hat, sondern auch sehr sicher ist, da der niedrige spezifische Widerstand unerwünschte Ladungen durch interne Ableitung mit einer Zeitkonstanten abfließen läßt, die kleiner als die Schärfzeit ist.

Die in Tabelle 1 angegebenen Parameter reichen jedoch nicht aus, um das Zündverhalten zu bestimmen, weshalb v/eitere Experimente durchgeführt wurden, um den Funken zu untersuchen, der durch langsame und schnelle Belastungen erzeugt wird.

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Die Werte für die- Ladurigsabnahme wurden erhalten durch •Einwirken einer bekannten Kraft auf eine keramische Scheibe mittels einer Hebelpresse und Messen der Restladung nach verschiedenen Zeiten. Eine erste Messung wurde mit einem Elektrometer durchgeführt, das an den keramischen Werkstoff angeschlossen war, während die Belastung ausgeübt wurde. Auf diese Weise ging keine Ladung durch Leiten durch den keramischen Werkstoff hindurch verloren, so daß das Signal maximal war. Bei der zweiten und folgenden Messungen wurde die Belastung ausgeübt, während der keramische Werkstoff sich in einem offenen Stromkreis befand, und nach einem Meßzeitintervall wurde * das Elektrometer angeschlossen und die Ladungsabgabe gemessen.

Erste Untersuchungen wurden durchgeführt, um die Ladungsabnahmezeiten für verschiedene keramische Werkstoffe (Beispiele 21-31) zu bestimmen; die erhaltenen Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 2 angegeben.

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Tabelle 2

Bei spiel	Zusamiuense t zung	SrO	3-ew. - t ^Ü3°8	Zeit	-Ladung ;.,Ε⁸]
	Μο1-9έ
21	leizlikiBt/ 3LeJIa η at- - _;	0	0,3	0 15	4.4
22		H	0,6	0 15	5.5 3,0-^4,0
23	66/34	ti	ι,ο ·	0 15	5,5 0,2^,0,5
24	Il	Π	1,5	0 15	^t 5
25	»1	η	0,6	0 15	7,0 -^> 8,0 2,0-^2.5
26	Il	η	1,0	0 15	6,5 0,2—>1,0
27	62/38	η	0,6	0 15	ϊ',Ο-} 5^0
28	M	η	1,0	0 15	11,0 1,0
29	54/46	Μ	1,5	0 15.	12.5 0,5—* 1*0
30	Il	Il	0,6	0 15	10,0-^11,0
31		M	1,0	0 15	8,0 0,2-} 2_;0
58/42
η

Ausgeübte Kraft; 4θΟ N

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-43-

Tabelle

Bei-, spiel	Kraft [N - 1O⁺⁴J	Zeit M	Rest spannung CvJ	"" 1*700	0 20 40	I.7OO 35Ο 260	0	l;7OO	0	1,700	1,700	Dicke [mm]	Durch messer [mmj
PO	0,78 H ti	0 Λ0 140	1,700 1 ,260 700	kein Durchschlag bei Be- lastu&gaausübung oder -wegnähme bis 2,1θ4 Ν	kein Durchschlag bei Bs-	INJ VJl O	1,700 350	0 20	1,700 25Ο	kein Durchschlag bei Be lastungsausübung oder -wegnähme bis 2,104 N .	5,08	25,47
21	ο,5Ί Il	0 15	1.700 500	0,62 Il Il	lastungsausubung	kein Durchschlag bei Be-		kein Durchschlag bei Be-	3; 95	19,47
I 72	0,78 Il	0 IS	1-700 550	1,16	1 a s tuTLKS a usu bung	Ia s tunßsausübunß:	3,50	19.35
23	kein Durchschlug bei i:e-	0,62 Il	1,16 0,62 Il	1.16 [ 0	3,69	19*34
24	Ip s tungsausübung	3.82	19,31
25	J , 5 I ■ U	3,68	19,48
26	3,73	19,35
27	3,50	19,36
28 29	3,36	19,39
	3,70	19,43
30	3,32 ·	19,35
31	3.44	19., 54

Der Druck wurde in einer hydraulischen Presse ausgeübt; die Belastungsausübungszeit betrug 2 s, die Belastungswegnahmezeit 0,5.s.

Wenn kein Durchschlag bei Belastungsausübung auftrat, sind die Vierte für Belastungswegnahme angegeben.

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Die in Tabelle 3 angegebenen Werte wurden von einem Experiment erhalten, das ähnlich dem zur Ermittlung von Tabelle 2 verwendeten Restladungsverfahren war, wobei jedoch in diesem Fall die Spannung zu verschiedenen Zeiten nach Ausüben oder Wegnehmen einer bekannten Belastung gemessen wurde.

Eine Kalibrierkurve für die Funkenstrecke"wurde gezeichnet, indem ein Hochspannungsgenerator an die funkenstrecke angeschlossen und an einem elektrostatischen Voltmeter die zur Erzielung eines Durchschlags notwendige Spannung gemessen wurde. Die Spannungsabnähme wurde dann gewonnen durch Ausüben einer bekannten Belastung auf den keramischen Werkstoff mit großer Funkenstreckenlänge und Verringerung der Funkenstreckenlänge bis zum Auftreten eines Durchschlags. Die Funkenstreckenlänge und die Zeit nach Belastungsausübung wurden dann gemessen. Die in jedem Fall verwendete Belastung war diejenige, die zur Erzeugung eines Durchschlags einer 0,25-mrn-Funkenstrecke unmittelbar nach Belastungsausübung erforderlich war (d. h. um eine Spannung von 1.700 V zu erzeugen).

Die in Tabelle j5 angegebenen Werte zeigen, daß der herkömmliche Werkstoff nach dem Beispiel 20 die Spannung nur langsam abfallen läßt, während die urandotierten Werkstoffe einen relativ schnellen Spannungsabfall aufweisen. In Übereinstimmung mit den Ladungsabnahmemessungen ist festzuhalten, daß eine Erhöhung der Urandotierung eine höhere Abnahmegeschwindigkeit erzeugt. Bei bestimmten Zusammensetzungen konnte keine Entladung bei Ausüben einer Kraft von 20.000 N erzielt werden, vermutlich, weil die Zeit zur'Erreichung maximaler Belastung bzw. Spannung zu lang war, obwohl eine Entladung bei Wegnahme der Be-

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lastung erreicht wurde. Bei anderen Zusammensetzungen konnte keine Entladung bei Belastungsausübung oder -wegnähme erzielt v/erden. Die g-eschätzte Zeit zum Bewirken einer Maximalbelastung bzw. -spannung betrug 1-2 s, obwohl die Belastungswegnahme schneller innerhalb 0,5 s vorgenommen v/erden konnte. Es scheint daher, daß eine beträchtliche Spannungsäbnahme für bestimmte urandotierte Keramikwerkstoffe innerhalb 0,5 s auftritt. ·

Die Messung "der Werkstoffe mit hohem k der Beispiele 1-19 wurde durch das Funkenstreckenverfahren vorgenommen, das oben erläutert wurde, und die erzielten Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 4 angegeben. In allen Fällen konnte keine erfaßbare Spannung nach einem Zeitintervall von 10-15 s anschließend an die Belastungsausübung festgestellt werden. In manchen: Fällen, nämlich für stark urandotierte Werkstoffe, konnte keine Entladung unmittelbar nach Belasten erreicht werden; ferner ergab sich in manchen Fällen keine Entladung bei Belastungswegnahme. Die Spannungsabnähme war besonders stark für die Beispiele 5-8, wobei die sehr hohen Abnahmegeschwindigkeiten die Spitzenspannungen unterdrücken konnten, die bei dieser Messung erzielt wurden.

Messungen des elektromechanischen Koppelfaktors vor und nach Belasten zeigen, daß keine größere Depolarisierung während der Untersuchungen stattfand, so daß die Ergebnisse v/irklich repräsentativ für die Niedrig-Belastungsr eigenschaften sind.

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Tabelle

Prüfling	2	Jurch- rresser C^mm.1	Dicke jmrn]	Kraft [N ' 10 J	Zeit	Rest- spa nnun£	vor Be lastung	na chBe- lastung
Bei spiel¹	3	25;40	4,53	1,17 Aus 0,93 Weg 1.17 Aus	0 0 15	1700 1700 30	0.47	0,47
1	4	25,46	5,03	0,93 Aus " Weg " Aus	0 0 15	1700 1700 ^o	0,47	O₇47
5	25,44	5,03	0,78 Aus ^M Weg " Aus	0 0 10	1700 1700 #0	0,47	0,47
6	25,49	5,10	0,78 Aus ¹¹ Weg " Aus	0 0 ' 10	1700 1700 3 O	0,48	0,48
7	25,42	4,85	1,56 Aus ¹¹ Weg 1₁17 Aus 1,17 Weg	0 0 0 σ	keine Entl. Il " * 900*	0,45	0,2,5
8	25.42	5.13	1.56 Aus 1,36 Weg	0 0	ΪΙΪΨ.. 1700	0,47	0,47
9	25,41	5.16	1,56 Aus Weg	0 0	keine Entl. 1700	0,47	0,47
25,38	5,06	1,56 Aus 1,36 v/eg	0 0	keine Entl. 1700	O.J..8	0,48
25,56	5,04	0,93 Aus ¹¹ We_F " Aus	0 0 15	1700 1700 rJ 0	0,53	0,53

Streckenlänge O,I^ mm

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- 17 Tabelle 4 (Fortsetzung)

Prüfling	Durch messer [mml	Dicke jmmj	Kraft !N ', 1O⁺⁴]	Zeit Cs]	Rest- spannunf LvJ.."	vor Be 3as,tung ■	jnacn Ba- lasting
Bei spiel	25; 54	5,14	0,93 Aus " Weg " Aus	0 0 10	1700 1700	O₇52	-
10	25,57 25,52	4,86 5,02	1,17 Aus » Weg » Aus	0 0 10	1700 1700	0,50	0,49
11 12	25,37	4,75	1,17 Aus " Weg " Aus	0 0 10	Keine Entl. 1700 2 0	0,48	0,47
13	25,35	4,79	1,56 Aus ⁿ Weg ^M Aus	0 0 10	Entl. 1700 <v 0	0.51	0,49
14	25,47	4,92	1,95 Aus " Weg	0 0	keine Entl. n	0,53	0,49
15	25,38	4,85	1,95· Aus » Weg " Aus	0 0 10	ti 1700 s> °	0,50	0,46
16	25,52	5,11	1,71 Aus " Weg	0 0	keine Entl .· 1700	Q 51	■ 0,48
17	25,41	5,04	0,62 Aus ^H Weg " Aus " Aus	0 0 15 35	1700 1700 1000 500 1700 1700 .0	0,48 0,48	0,49 0,48
18	25,Mf	5,04	0,46 Aus " Weg " Aus	0 0 15	1700 1700	0,47	0,46
19	26,47	5,08	0,93 Aus ⁿ Weg " Aus	0 0 15	1700 1260 700
20	0,78 Aus " Aus " Aus	0 40 140

(1) Druckausübung in einer hydraulischen Presse; Ausübungszeit = 2 s, Zeit für Belastungswegnahme bzw. Entlastung = 0,5 s

(2) keine Entl. = kein Durchschlag

Aus = Belastungsausübung , " .

Weg =» Belastungswegnahme

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- yt -

Die Ergebnisse von Tabelle 4 zeigen eine schnelle Abnahme des piezoelektrischen Signals bei Einführung von Gleichstromleitfähigkeit in den keramischen Werkstoff. Dies sollte die Sockelspannung verringern, die bei Öffnen des Gehäuses erzeugt wird, und damit ein vorzeitiges Zünden verhindern. Es muß jedoch festgestellt werden, daß das beim Aufschlag erzeugte Signal nicht wesentlich verringert ist, was von der Zeit für die Aufschlagsbelastung abhängt, um ihr Maximum zu erreichen., Zur Simulation des Aufschlagverhaltens wurde ein Stoßbelastungsexperiment durchgeführt.

Bei Stoßbelastungsexperimenten wird die Höhe aufgezeichnet, aus der ein bekanntes Gewicht herabzufallen hat* um einen Überschlag der Funkenstrecke hervorzurufen. Die Ergebnisse dieser Experimente sind in Tabelle 5 gezeigt. Ein nicht mit Uran dotierter Werkstoff benötigte einen größeren Impuls als ein undotierter Werkstoff, Beispiel 20, um einen Durchschlag der Funkenstrecke trotz ihrer erhöhten Leitfähigkeit hervorzurufen. Tatsächlich zeigten sehr viele der Uranverbindungen einen Durchschlag bei einem viel kleineren Impuls, wahrscheinlich wegen ihrer geringeren Dielektrizitätskonstante und ihres höheren g-Koeffizienten. Ein Vergleich des zur Erzeugung eines Durchschlags notwendigen Impulses mit der Dielektrizitätskonstanten läßt eine sehr enge Übereinstimmung erkennen. Es ist auch ersichtlich, daß die Verwendung von Werkstoffen mit kleinerer Dielektrizitätskonstante vorteilhaft ist, da niedrigere Belastungspegel zum Zünden notwendig sind, obwohl daran erinnert sei, daß bei Abnahme der Dielektrizitätskonstante auch die Funkenenergie verringert ist.

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Tabelle 5

	D-ttv.h-	ic Ice	el	Höhe	Durchschlag	Jc	lasting	Q
Beispiel		ΓπιιϊΓ]	dchiJ	jmnfj .				TachliB-
	jnrri)		gj		Strecke	Spa nn ungl vor Bb-	—	astung
20				250	[ram]		0,46	—·
20	26,45	5,07	215	190	0,13	850	0,47	—
1	-15. 20	3,41	It	140'	H	It	0,47	O_r46
2	25,55	4,55	Il	150	It	It	Oj 49	0,47
3	25,49	5,04	It	220	Il	Il	0,46	0,47
4	25,45	4,54	It	210	I»	Il	0 .46	0,49
VJl	25,37	4,ß5	H	180	I,	It	0)47	0,46
6	25,40	5,19	Il	220	ti	Il	0,50	0,46
7	25,47	5,08	11	190'	U	tt	0)53	0,47
8	25.47	5,00	Il	170	H	tt	O j 53	0,49
9	25,32	5,09	Il	180	14	11	0,50	0)53
10	25,50	5,06	11	280	ti	It	O »48	0,53
11	25»47	5.00	tt	I50	11	1»	O ,52	0,50
12	25,55	4,87	Il	150	M	It	0 .52	0,48
13	25,49	5,02	ti	I20	ti	ti	0 ,52	0,53
14	25,40	4,75	ti	120	If	It	O ,50	0,53
15	25,4	4.71	It	130	ti	Il	O .48	0,52
16	25,4	4,92	ti	140	tt	tt	O .46	0.50
17	25,4	4.90	11	90	rt	Il	O .46	0,49 '
18	25.5	5.11	ti	80	Il	H	0 ,52 ■	0,47
19	25,4	5,04	Il	90	tt	11		0,47
10	25,3	5.Ο6	tt	23Ο	ti	ti	0,52
25,5	5,03	ti	• Ii	(I

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Andere durchgeführte Versuche zeigten, daß Dotierstoffe wie Nickel, Zink, Magnesium, Niob, Tantal und Mangan entweder nur eine kleinere Wirkung haben oder den spezifischen Widerstand von Blei-Zirkonat-Titanat bzw. LZT erhöhen. Dotierstoffe aus Chrom ergeben einen Werkstoff mit variablem spezifischem Widerstand, während Kobalt zwar geringfügig den spezifischen Widerstand verminderte, jedoch auch den planeren. Koppelkoeffizienten k. Bekanntlich haben Blei-Zirkonat-Titanat-Werkstoffe Bleizirkonat und Bleititanat in im wesentlichen stochiometrischen Anteilen entsprechend einem Verhältnis zwischen 60 : 40 und 55 : Die Beispiele 1-19 zeigen deutlich, daß die besten Eigenschaften erhalten werden, wenn. Bleititanat im Bereich von 47,0 bis 48,2 M0I-S6 vorhanden ist. Ferner lassen die besten Ergebnisse ganz deutlich erkennen den fördenden Einfluß der Urandotierung auf das Betriebsverhalten von piezoelektrischen Wandlern für Zünder.

Fig. 2 zeigt eine abgewandelte elektrische Ausführung des Beispiels von Fig. 1. In diesem Fall sind zwei Messingscheiben 9 und 10 an beiden Seiten der piezoelektrischen Scheibe 5 vorhanden. Zwei Leitungen, von denen jeweils eine an eine zugehörige der beiden Messingscheiben 9 und 10 angeschlossen ist und die Seitenwand des zylindrischen Bechers 1 durchsetzt, sind so verbunden, daß der hochohmige V/iderstand Rl einen Nebenschluß für die piezoelektrische Scheibe darstellt sowie der Schärfschalter SW und der Auslösewiderstand R2 in Reihe mit der.Messingscheibe 2 und der Messingscheibe 10 liegen. Irgendwelche piezoelektrische Streu- oder Störsignale, die nicht im Innern der piezoelektrischen Scheibe dissipiert sind, können jetzt über den hochohmigen V/iderstand Rl abgeleitet werden. Bei einem Aufschlag bewirkjfiedoch die Impulsspannung einen Durchschlag der Funkenstrecke und ein Entladen über den niederohmigen V/iderstand R2.

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Claims

Patentansprüche

1.) Zünder, der durch elektrische Signale von einem piezoelektrischen Wandler bei dessen Beaufschlagung mit mechanischem Druck betätigbar ist, dadurch ge-' kennzeichnet, daß der piezoelektrische Wandler einen spezifischen Widerstand von weniger als ca. 5 * 10¹¹ /l'cm hat-.

2. Zünder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand kleiner als 10 j7:cm ist.

3. Zünder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der

Q 11 spezifische Widerstand ICr bis 10 Jl-cm beträgt.

4. Zünder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Wandler einen oxid-ferroelektrischen Keramikwerkstoff aufweist, der mit einem Dotierstoff dotiert ist, um den erforderlichen spezifischen Widerstand zu ergeben.

5. Zünder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Dotierstoff Uran ist. . . -

6. Zünder nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der oxid-ferroelektrische Keramikwerkstoff ein polykristalliner Keramikwerkstoff ist, der im wesentlichen aus Blei, Zirkon, Titan und Sauerstoff in im wesentlichen stochiometrischen Verhältnissen entsprechend Bleizirkonat und Bleititanat in einem Mol-Verhältnis im Bereich von 60 : 40 bis 35 : 55 besteht.

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7· Zünder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mol-Anteil von Bleititanat 47,0 bis 48,2 % beträgt.

8. Zünder nach Anspruch 6 oder ¹J, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Wandler mit Uran in einer Menge entsprechend bis zu 1,5 Gew.-% von ILOn-Oxid dotiert ist.

9. Zünder nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Wandler mit Uran in einer Menge entsprechend mehr als 0,4 Gew.-^ von U-zOq-Oxid dotiert ist.

10. Zünder nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Blei mindestens teilweise durch ein Erdalkalimetall substituiert ist.

11. Zünder nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Blei teilweise durch Strontium in einer Menge entsprechend bis zu 3 MoI-^ von SrO-Oxid substituiert ist.

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