DE3587559T2 - Keramischer körper mit geordneten poren. - Google Patents
Keramischer körper mit geordneten poren.Info
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Description
- Diese Erfindung betrifft einen keramischen Transducer mit einer Vielzahl von geordneten Poren und ein Verfahren zum Herstellen solch eines Transducers. Im allgemeineren betrifft die Erfindung einen keramischen Körper mit einer Vielzahl von geordneten Poren und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Körpers.
- Herkömmliche, piezoelektrische, keramische Hydrophone haben relativ inkompressible, dichte Materialien, wie Bleizirkonattitanat (PZT), verwendet. Da die hydrostatische Empfindlichkeit solcher Vorrichtungen nur von einem Bruchteil ihrer uniaxialen Empfindlichkeit ist, sind willkürlich geformte, dimensionierte und verteilte Poren in dem keramischen Material bereitgestellt worden, um die Kompressibilität und damit die hydrostatische Empfindlichkeit desselben zu erhöhen. Jedoch weisen solche Hydrophone eine Anzahl von Nachteilen auf. Die willkürliche Porenanordnung neigt dazu, die Keramikstruktur zu schwächen, und die Vorrichtungen sind anfällig für Bruchbildungen. Zusätzlich besitzen die Hydrophone isotrope Druckcharakteristiken, und es ist schwierig für dieselben, die Richtung der Quelle eines eintreffenden Signals festzustellen. Es wäre für piezokeramische Hydrophone wünschenswerter, anisotrope oder gerichtete Charakteristiken aufzuweisen. Ein zusätzlicher Nachteil tritt deswegen auf, daß willkürlich auf der Oberfläche des keramischen Materials ausgebildete Poren dazu neigen, Wasser zu absorbieren, was sich ferner auf den Wirksamkeitsgrad des Hydrophons negativ auswirkt.
- Andere piezokeramische Einrichtungen würden auch aus anisotropen Eigenschaften Profit ziehen. Beispielsweise könnten piezoelektrische Biegevorrichtungen, die in Gebläsen, Motoren und Generatoren benutzt werden, ein höheres Maß an Elastizität in bestimmten inneren Bereichen oder Richtungen haben, um ihre gewünschte Biegehandlung zu bewerkstelligen. Bestimmte Biegevorrichtungen benutzen einen Metallkern, der mit Löchern ausgerüstet ist. Dies führt jedoch zu Aufbau- und Anpassungsschwierigkeiten, da Keramik und Metall z. B. unterschiedliche Expansionkoeffizienten aufweisen, wodurch die Vorteile dieser Konstruktion erheblich reduziert werden.
- Andere keramische Einrichtungen leiden auch an Nachteilen aufgrund der willkürlichen Porösität. Keramiken sind im allgemeinen weniger zugfest als druckfest, und solche Materialien weisen typischerweise sehr kleine Deformationen bei Belastung auf. Demgemäß bewirkt irgendeine Fehlstelle, wie eine willkürliche Pore, in dem Keramikmaterial eine Druckansammlung und Spannungserhöhung, was häufig zu Brüchen führt.
- Willkürliche, mit Luft gefüllte Poren werden benutzt, um Isolation in feuerfesten Keramiken, wie sie in Brennöfen verwendet werden, zu liefern. Jedoch, da solche Porösität die Keramikstruktur schwächt, ist die Verwendung von mit Luft gefüllten Poren in feuerfesten Strukturen beschränkt.
- Es gibt eine Vorrichtung, U.S. Patentnr. 3,829,356, die sehr große, planare Lücken zwischen Keramikschichten offenbart. Jedoch ist nur eine einzige, derartige Lücke zwischen jeder Keramikschicht vorhanden, und jede Lücke wird sofort mit leitendem Material gefüllt, um innere Elektroden zu bilden, so daß die Vorrichtung als Kondensator verwendet werden kann.
- U.S. Patentnr. 3,963,504 offenbart eine keramische Wabenstruktur mit großen, quadratischen, offenen Poren, die durch ein Gußverfahren hergestellt werden, und mit kleinen, willkürlich angeordneten Innenporen innerhalb der Wände der größeren Poren, die durch willkürliches Mischen eines flüchtigen Materials mit der Keramik gebildet wird, wobei das flüchtige Material nach und nach während des Sinterns herausgetrieben wird.
- Ähnlich offenbart U.S. Patentnr. 4,330,593 einen keramischen Transducer mit einer Vielzahl von willkürlichen Poren, die genauso durch das Austreiben eines flüchtigen Materials gebildet werden. Die Poren werden dann mit einem Silikongummielastomer vakuumimprägniert.
- Keine dieser Patentschriften des Stands der Technik beschreibt das Herstellen von Poren an vorherbestimmten Orten, außer durch mechanische Gußverfahren, welche unter bestimmten Umständen beschwerlich sind.
- Die gegenwärtige Erfindung liefert ein Verfahren zum Herstellen eines keramischen Körpers, gekennzeichnet durch die Schritte des Aufbringens eines flüchtigen Materials in einem Muster mit einer vorherbestimmten Anordnung, Größe, Gestalt, Orientierung und Lage auf eine breite Oberfläche von zumindest einer Schicht aus einem keramischen Material; des Stellens einer zweiten keramischen Schicht in einem Stapel neben besagte erste Schicht mit besagtem flüchten Material zwischen diesen Schichten; des Drückens der besagten nebeneinander gestellten Schichten in innigen Kontakt miteinander; des Aufheizens besagten Stapels auf eine erste Temperatur, um besagtes flüchtige Material zu verdrängen und eine Vielzahl von Poren mit einer vorherbestimmten Anordnung, Größe, Gestalt, Orientierung und Lage dem Muster besagten flüchtigen Materials entsprechend zu schaffen; und des Aufheizens besagten Stapels auf eine zweite Temperatur, um einen monolithischen keramischen Körper zu bilden, der besagte Poren enthält.
- Dieses Verfahren kann das Bilden von Poren in einem keramischen Körper mit einer vorherbestimmten Anordnung, Größe, Gestalt, Orientierung und Lage erheblich erleichtern. Der resultierende keramische Körper kann verbesserte Elastizität, Wirkung und Bruchfestigkeit im Vergleich zu bekannten keramischen Körpern aufweisen. Außerdem kann der Körper mit bestimmten anisotropen Charakteristiken hergestellt werden.
- Das beschriebene Verfahren der Erfindung kann verwendet werden, um einen verbesserten keramischen Körper mit physikalischen Eigenschaften, wie Elastizität, Poissonverhältnis, elektrische und thermische Leitfähigkeit, Dielektrizitätskonstante und piezoelektrische Koeffizienten, herstellen, welche genau vorherbestimmt und kontrolliert sind.
- Das Verfahren kann einen keramischen Körper liefern, welcher eine dichte, wasserundurchlässige Oberfläche aufweist und Spannungsanhäufungen vermeidet.
- Das Verfahren kann ferner einen keramischen Körper liefern, der effizient in feuerfesten Strukturen, lastentragenden Strukturen, Pumpen und Biegeeinrichtungen verwendet wird.
- Insbesondere kann das Verfahren einen verbesserten, elektromechanischen, keramischen Transducer mit den obigen Vorteilen liefern, der ferner erhöhte Druckbeständigkeit, Empfindlichkeit und Richtungsabhängigkeit aufweist.
- Ein bevorzugtes Beispiel liefert einen keramischen Körper, der innere Poren aufweist.
- Demgemäß liefert die Erfindung einen keramischen Körper mit einer Vielzahl von Poren in vorherbestimmter Anordnung, Größe, Gestalt, Orientierung und Lage in zumindest einer Ebene besagten Körpers, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Poren komplett in besagtem Körper angeordnet sind. Der keramische Körper kann ein Hydrophon sein.
- Das resultierende Hydrophon kann verbesserte hydrostatische Empfindlichkeit aufweisen.
- In einem Ausführungsbeispiel enthält der keramische Körper einen ersten keramischen Bereich und einen zweiten keramischen Bereich, der integral mit dem ersten Bereich verbunden ist. Beide Bereiche können eine Vielzahl von Poren in vorherbestimmter Anordnung, Größe, Gestalt, Orientierung und Lage in zumindest einer Ebene aufweisen. Elektrodenmittel können an zwei voneinander getrennten Stellen an besagten Körper angebracht werden, um einen monolithischen, elektromechanischen, keramischen Transducer zu liefern.
- In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind besagte Poren so angeordnet, bemessen, gestaltet, orientiert und plaziert, daß sie einen anisotropen, keramischen Körper schaffen. Zumindest einige der Poren können zumindest teilweise gerundet und teilweise abgeplattet sein. Die Poren können innerhalb des keramischen Körpers angeordnet sein. Jede Lage kann einen Umfangsbereich enthalten, der keine Poren enthält. Die Poren können periodisch in dem Körper und voneinander getrennt angeordnet sein. Alternativerweise können Mittel zum Verbinden der Poren vorhanden sein. Der keramische Körper kann ein piezokeramisches Material enthalten. Der keramische Transducer kann in einem monolithischen, keramischen Hydrophon oder einer Keramikpumpe verwendet werden.
- Das flüchtige Material kann eine Keramik, wie PZT enthalten.
- Bei dem Verfahren der Erfindung kann die erste Temperatur zumindest 380ºC und die zweite Temperatur zumindest 1180ºC sein. Elektrodenmittel können an zwei voneinander getrennten Positionen an dem Keramikkörper angebracht sein. Ein monolithischer, elektromechanischer, keramischer Transducer kann durch Anbringen von Elektrodenmittel an zwei getrennten Stellen auf dem Keramikkörper hergestellt werden.
- Es folgt eine Beschreibung von Beispielen und bevorzugten Ausführungsformen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen, wobei:
- Fig. 1 eine vergrößerte, axonometrische Ansicht einer Vielzahl von aneinander angrenzenden, keramischen Lagen ist, wobei alle, außer der obersten Lage, mit einem geordneten Muster aus flüchtigem Material ausgerüstet sind;
- Fig. 2 eine axonometrische, teilweise schematische Ansicht der Keramiklagen ist, die in innigen Kontakt miteinander gedrückt und aufgeheizt werden;
- Fig. 3 eine axonometrische, teilweise weggeschnittene Ansicht der Elektroden ist, die an einen monolithischen Körper angebracht sind, der, wie in den Fig. en 1 und 2 gezeigt, hergestellt ist, um einen elektromechanischen, keramischen Transducer gemäß dieser Erfindung zu liefern;
- Fig. 4 eine vereinfachte, teilweise weggeschnittene, axonometrische Ansicht eines piezokeramischen Hydrophons mit einem geordneten Muster an Poren gemäß dieser Erfindung ist;
- Fig. 5 eine vereinfachte Querschnittsdarstellung entlang der Line 5-5 von Fig. 4;
- Fig. 6 eine teilweise weggeschnittene, axonometrische Ansicht eines alternativen, piezokeramischen Hydrophons mit länglichen Poren ist;
- Fig. 7 eine schematische Ansicht einer piezokeramischen Pumpe ist, die geordnete Poren verwendet;
- Fig. 8 eine Querschnittsdarstellung in Draufsicht eines keramischen Körpers mit geordneten Poren ist, die eine Seitenflächen kreuzen;
- Fig. 9 eine Querschnittsdarstellung in Draufsicht eines keramischen Körpers mit geordneten Poren ist, die zwei Seitenflächen kreuzen;
- Fig. 10 eine Querschnittsdarstellung entlang der Linie 10-10 von Fig. 9 ist;
- Fig. 11A eine Querschnittsdarstellung in Seitenansicht eines monolithischen keramischen Körpers mit geordneten Poren ist, die in der Nähe der oberen und unteren Fläche konzentriert sind;
- Fig. 11B eine Querschnittsansicht entlang der Linie 11B-11B von Fig. 11A ist;
- Fig. 12A eine Querschnittsdarstellung in Seitenansicht eines monolithischen, keramischen Körpers mit geordneten Poren ist, die in der Nähe der Mittellinie konzentriert sind;
- Fig. 12B eine Querschnittsdarstellung entlang der Linie 12B-12B von Fig. 12A ist;
- Fig. 13 eine axonometrische, teilweise weggeschnittene Ansicht eines monolithischen, keramischen Körpers ist, der zwischen einer Vielzahl von Ebenen miteinander verbundene Poren aufweist; und
- Fig. 14 eine Draufsicht auf einen monolithischen, keramischen Körper ist, der miteinander verbundene Innenporen in einer Ebene aufweist.
- Ein keramischer Körper wird durch Aufbringen eines flüchtigen Materials in einem Muster mit einer vorherbestimmten Anordnung, Größe, Gestalt, Orientierung und Lage auf eine breite Oberfläche von zumindest einer Schicht aus keramischen Material aufgebracht. Typischerweise enthält das keramische Material eine Piezokeramik wie PZT gebunden mit 34% eines Bindemittels, wie Cerbind (T.M.) Nr. 73210. Die Keramik wird in sehr dünnen Streifen oder Platten ausgeformt. Solche Streifen können durch irgendeines der vielen bekannten Verfahren, wie Gleitgießen oder Pressen, hergestellt werden. Das flüchtige Material wird dann auf das keramische Material aufgebracht. Das flüchtige Material enthält vorzugsweise eine organische Substanz, welche verdampft oder anders unter hoher Wärmeeinwirkung verdrängt werden kann und eine Keramik wie PZT enthalten kann. Das geordnete Muster aus flüchtigem Material kann auf die keramischen Schichten durch eine Vielzahl von bekannten Verfahren aufgebracht werden, z. B. Drucken, Siebdrucken, Abziehaufbringen, Offsetdrucken, Klotzdrucken, Photolithographie.
- Die keramischen Schichten werden in einem Stapel, mit dem flüchtigen Material zwischen benachbarten Schichten, nebeneinander angeordnet, und die Schichten werden geplättet, z. B. in innigen Kontakt miteinander gedrückt. Der Stapel kann während dieses Plättens aufgeheizt werden auf über, beispielsweise, 45ºC. Nach dem Plätten wird der Stapel auf eine Temperatur von typischerweise zumindest 380ºC aufgeheizt, um das Bindemittel und das flüchtige Material zu verdampfen und Poren mit einem geordneten Muster zu schaffen, welches dem Muster des flüchtigen Materials entspricht. Der Stapel wird dann auf eine Temperatur von vorzugsweise zwischen 1180ºC und 1300ºC aufgeheizt, um einen monolithischen, keramischen Körper mit geordneten Poren zu liefern, an welchen Elektrodenmittel angebracht werden können, um einen Transducer zu bilden.
- Typischerweise wird das flüchtige Material in einem Muster mit einer Anordnung, Größe, Gestalt, Orientierung und Lage aufgebracht, was Poren erzeugt, die einen anisotropen, keramischen Körper liefern. Das Muster kann periodisch sein. Es kann aufgebracht werden, um miteinander verbundene oder voneinander getrennt angeordnete Poren zu liefern, und einige der Poren können etwas abgerundet oder abgeplättet sein. Es ist oft bevorzugt, daß die Poren komplett innerhalb des keramischen Körpers angeordnet sind.
- Bei einem anderen Beispiel wird ein flüchtiges Material, das 22% Harz, 27% feinen Kohlenstoff und 10% PZT-Puder in einer organischen Lösung enthält, in einem Muster auf eine breite Oberfläche einer Schicht eines Keramikstreifens, die zwei Mil dick ist, aufgebracht werden. Ein Umfangsstreifen, der 3-20 Mil breit ist und keine Poren enthält, wird entlang der Kante jeder Keramikschicht bereitgestellt. Dem flüchtigen Material wird dann erlaubt, zu trocknen, und sechzig dieser 50 um (2-Mil) Schichten werden dann in einem Stapel nebeneinander angeordnet, wobei das flüchtige Material zwischen einem Paar von benachbarten Schichten vorhanden ist. Der Stapel wird für drei Minuten erhitzt und dann bei 10 MPa (1500 psi) und 50ºC für fünf Minuten geplättet. Der Stapel wird dann wieder auf 60ºC aufgeheizt und mit einer scharfen Klinge zerschnitten, um keramische Körper einer gewünschten Größe zu erhalten. Die Temperatur der zerschnittenen Teile wird mit einer Rate von 10ºC pro Stunde auf 700ºC erhöht. Dies verdrängt das flüchtige Material und liefert eine Vielzahl von Poren mit einer vorherbestimmten Anordnung, Größe, Gestalt, Orientierung und Lage, was dem Muster des flüchtigen Materials entspricht. Der Stapel wird dann bei 1200ºC für ungefähr dreißig Minuten gesintert, um einen monolithischen Keramikkörper zu bilden, der die Poren enthält. Da ein porenfreier Umfangsstreifen entlang der Kante jeder Schicht bereitgestellt wird, wird um die geordneten Poren eine dichte Versiegelung gebildet.
- Nach dem Sintern kann der keramische Körper mit silberenthaltender Farbe kontaktiert, bei 100ºC getrocknet und in einer Silikonflüssigkeit bei 130ºC in einem elektrischen Feld von 3 Kilovolt pro Millimeter in zwanzig Minuten polarisiert werden.
- In Fig. 1 wird eine Vielzahl von keramischen Schichten 10, 12, 14 und 16 gezeigt. Zusätzliche Schichten, nicht gezeigt, können unterhalb der Schicht 16 angeordnet sein. Platte Scheiben 18 aus flüchtigem Material werden in einem Muster mit einer vorherbestimmten Anordnung, Größe, Gestalt, Orientierung und Lage auf die breite obere Fläche jeder Schicht 12, 14 und 16 aufgebracht. Kein Muster aus flüchtigem Material wird auf die oberste Schicht 10 aufgebracht. Jedes Muster enthält eine periodische Vier-Mal-Drei-Anordnung von zwölf platten Scheiben. Obwohl jedes der in Fig. 1 gezeigten Muster solch eine Anordnung enthält, gibt es diesbezüglich keine Beschränkung. Bei alternativen Ausführungsformen können mehr als zwölf Scheiben auf jeder Schicht bereitgestellt werden. Diese Zahl wird hier der Klarheit zuliebe benutzt. Das flüchtige Material kann auch in verschiedenen anderen Formen und Größen aufgebracht werden; eine große Vielfalt an Mustern kann bereitgestellt werden, und das Muster kann von Schicht zu Schicht abgewandelt werden, z. B. in der Form von Quadraten, Balken, Spiralen, Kreuzen vorhanden sein. Eine längs des Umfangs angeordnete Kante 19, die kein flüchtiges Material enthält, kann für jede Lage 12, 14 und 16 bereitgestellt werden.
- Wie in Fig. 2 gezeigt, werden die keramischen Lagen mit Hilfe eines Stempels 20 zusammengedrückt, und Wärme wird über ein Heizmittel 22 angelegt. Während des Zusammendrückens wird der Stapel typischerweise auf ungefähr 500 bis 60ºC aufgewärmt. Der zusammengedrückte Stapel 24 wird dann auf eine Temperatur von über 360ºC aufgeheizt, was bewirkt, daß die Scheiben 18 aus flüchtigem Material verdampfen oder anders zwischen den Keramikschichten 10, 12, 14 und 16 verdrängt werden. Der Stapel 24 wird dann bei über 1180ºC gesintert, um einen monolithischen Keramikkörper 26 zu bilden, siehe Fig. 3. Dies vernichtet die ausgeprägten Schichten 10, 12, 14 und 16 und läßt sie in einen einzigen Körper verschmelzen.
- Der monolithische Körper 26 enthält eine Vielzahl von Poren 28 mit einer vorherbestimmten Anordnung, Größe, Gestalt, Orientierung und Lage, was dem Muster des verdampften, flüchtigen Materials entspricht, beispielsweise, gibt es drei Ebenen 30, 32 und 34, die jeweils eine Vier-Mal-Drei-Anordnung von Poren in einem Muster mit einer Anordnung, Größe, Gestalt, Orientierung und Lage enthalten, das dem Muster des flüchtigen Materials 18 von Fig. 1 entspricht. Da kein flüchtiges Material auf der obersten Keramikschicht 10 von Fig. 1 vorhanden ist und eine keine Poren aufweisende, längs des Umfangs laufende Kante 19 um jede Schicht 12, 14 und 16 vorhanden ist, sind die resultierenden Poren 28 komplett innerhalb des keramischen Körpers 26 enthalten, und keine Poren treten auf der Außenfläche (z. B. Oberfläche 40, Unterfläche 42, Seitenfläche 44 und Seitenfläche 46) des Körpers 26 auf.
- Nach dem Bilden des Körpers 26 wird eine obere Elektrode 50 und eine untere Elektrode 52 auf die Oberfläche 40 bzw. Unterfläche 42 der Keramik aufgebracht, und Leitungsdrähte 54 und 56 werden angebracht, um einen keramischen Transducer 55 zu bilden.
- In Fig. 4 ist ein piezokeramisches Hydrophon 55a gezeigt, welches einen monolithischen, piezokeramischen Körper 26a enthält.
- Der Körper 26a ist aus einhundertundzwanzig 25 um (1-Mil) dicken piezokeramischen Schichten 80a oder, alternativerweise, sechzig 50 um (2-Mil) dicken piezokeramischen Schichten 82a gebildet. Diese ursprünglichen Schichten sind im Phantom lediglich der Klarheit zuliebe und zu Illustrationszwecken dargestellt; tatsächlich sind die unterschiedlichen Schichten gesintert, und die individuellen Schichtidentitäten sind ausgelöscht, wenn der Stapel gesintert ist und einen monolithischen Körper 26a, wie oben beschrieben, bildet. Die obere Elektrode 50a wird auf die obere Fläche des Körpers 26a und die untere Elektrode 52a auf die untere Fläche des piezokeramischen Körpers 26a aufgebracht. Entsprechende Drahtleitungen 54a und 56a verbinden die Elektroden mit einem geeigneten Schaltkreis. Das Hydrophon 55a ist längs der Achsen 1, 2 und 3, die in der unteren rechten Ecke der Abbildung dargestellt sind, ausgerichtet und in Richtung des Pfeils P von der Elektrode 52a zu der Elektrode 50a, z. B. entlang der Achse 3, gepolt. In der Hydrophontechnik erstreckt sich die Achse 3 stets parallel zu der Polrichtung, und die Achsen 1 und 2 sind senkrecht zu der Polrichtung.
- Die Empfindlichkeit des Hydrophons 55a wird durch Messen der folgenden Größen bestimmt:
- (1) dh (piezoelektrischer, hydrostatischer Ladungskoeffizient -- das Verhältnis der erzeugten Ladung zu der angelegten hydrostatischen Kraft). Dies kann aus d&sub3;&sub3; - d&sub3;&sub2; - d&sub3;&sub1; bestimmt werden, wobei d&sub3;&sub3; das Verhältnis der an den Elektroden angesammelten, elektrischen Ladung zu einer entlang der Achse 3 angelegten Kraft ist; d&sub3;&sub2; das Verhältnis der an den Elektroden angesammelten, elektrischen Ladungskraft zu einer entlang der Achse 2 angelegten Kraft ist; und d&sub3;&sub1; das Verhältnis der an den Elektroden angesammelten Ladung zu einer entlang der Achse 1 angelegten Kraft ist. dh kann direkt oder indirekt durch Messen von d&sub3;&sub3;, d&sub3;&sub2; und d&sub3;&sub1; gemessen werden.
- (2) K&sub3; (Dielektrizitätskonstante entlang der Achse 3)
- (3) d&sub3;&sub1; + d&sub3;&sub2;/2d&sub3;&sub3; (was dem Poissonverhältnis entspricht)
- (4) gh (piezoelektrischer, hydrostatischer Spannungskoeffizient) = ε&sub0;dh/K&sub3;, wobei ε&sub0; = 8,85 · 10&supmin;¹² Farad/Meter. Der gh-Wert wird aus K&sub3;, dh und ε&sub0; berechnet.
- Erhöhen des Wertes von d&sub3;&sub3; und Erniedrigen der Werte von d&sub3;&sub1; + d&sub3;&sub2;/2d&sub3;&sub3; und K&sub3; führt zu Erhöhung der Werte für gh und zeigt ein Anwachsen der Spannungsempfindlichkeit des Transducers an.
- Der Effekt der Verwendung von geordneten Poren dieser Erfindung in dem Hydrophon 55a wird anhand der folgenden Beispiele illustriert.
- Wenn das Hydrophon 55a nicht mit Poren ausgerüstet ist, wird die Elastizität oder Kompressibilität entlang der Achsen 1, 2 und 3 ungefähr gleich sein, z. B., die Vorrichtung benimmt sich isotrop. Solch ein Hydrophon weist die folgenden Parameter auf:
- d&sub3;&sub1; + d&sub3;&sub2;/2d&sub3;&sub3; = ,44
- K&sub3; = 1132
- dh = 33 · 10&supmin;¹² Meter/Volt
- gh = ε&sub0;dh/K&sub3; = 3,3 · 10&supmin;³ Voltmeter/Newton
- Um die hydrostatische Empfindlichkeit zu erhöhen, wird ein geordnetes Muster 90a von platten Poren 28a, siehe Fig. 4, mit einer vorherbestimmten Größe, Orientierung und Lage bereitgestellt. Dieses Muster wird durch Aufbringen von flüchtigem Material, das kein PZT-Puder enthält, auf jede dritte 50 um (2-Mil) dicke Schicht 82a gebildet. Nach dem Sintern und Verdampfen des flüchtigen Materials ist ein Muster 90 von Poren auf den Ebenen 92a, 94a, 96a und anderen (in der Zeichnung weggelassenen), planaren Porenintervallen bereitgestellt, die um 99 um (,0039 Inch) voneinander getrennt angeordnet sind. Die Poren haben einen horizontalen Durchmesser von 610 um (,024 Inch) und einen Abstand von Mittelpunkt zu Mittelpunkt von 760 um (,03 Inch). Ihre Dicke (in Richtung der Achse 3) beträgt 12 um (,0005 Inch).
- Aufgrund dieses geordneten Porenmusters weist das Hydrophon 55a anisotrope Kompressionseigenschaften auf. Beispielsweise, wie in Fig. 5 gezeigt, ist der Abstand 101a zwischen benachbarten Ebenen, z. B. 92a, 94a, der Poren 28a mehr als sechsmal größer als die Dicke T der platten Poren. Der feste Bereich zwischen den Poren in jeder Horizontalebene, z. B. 92a, entspricht nur zweimal dem Porengebiet der Ebene. Als ein Resultat weisen horizontal verlaufende Reihen des piezokeramischen Materials innerhalb des Abstands 101a dreimal den Teilbereich der vertikal verlaufenden Reihen innerhalb des Abstandes 103a auf. Außerdem sind die Poren 28a mit 90º zu den Ebenen 92a, 94a, etc. wesentlich mehr zusammendrückbar als parallel zu diesen Ebenen. Als ein Resultat ist der Körper 26a mehr zusammendrückbar und daher empfindlicher entlang der Achse 3 als entlang der Achse 1.
- Erhöhte hydrostatische Empfindlichkeit wird ferner durch die folgenden Messungen angezeigt, die für ein Hydrophon bestimmt werden, das obiges Porenmuster verwendet.
- d&sub3;&sub1; + d&sub3;&sub2;/2d&sub3;&sub3; = 0,26
- K&sub3; = 550
- dh = 89 · 10&supmin;¹² Meter/Volt
- gh = 18,5 · 10&supmin;³ Voltmeter/Newton
- Daher zeigt das Hydrophon, das das Muster 90a auf den Schichten 92a, 94a und 96a verwendet, höhere Werte für dh und gh und niedrigere Werte für K&sub3; und d&sub3;&sub1; + d&sub3;&sub2;/2d&sub3;&sub3; als das Hydrophon, das keine geordneten Poren aufweist, und dies führt zu einer erhöhten hydrostatischen Empfindlichkeit und verbesserter Richtungsempfindlichkeit.
- Der anisotrope Effekt der geordneten Porenkonstruktion wird ferner durch Polen in der Richtung parallel zu den Hauptporenebenen 92a, 94a, etc., z. B., durch Anbringen von Elektroden 47, 147, die im Phantom gezeigt sind, an den Seiten 46a und 146a, siehe Fig. 5, deutlich. Die gemessene Dielektrizitätskonstante in dieser Richtung beträgt 840, was viel näher an dem Wert für Piezokeramiken mit überhaupt gar keinen Poren als an dem obigen Wert für K&sub3; in der Richtung senkrecht zu den Hauptporenebenen ist. Auf ähnliche Weise ist der Wert für
- d&sub3;&sub1; + d&sub3;&sub2;/2d&sub3;&sub3;
- ,37 in der Richtung parallel zu den Porenebenen 92a, 94a, wobei im Vergleich dazu der Wert ,26 in Richtung senkrecht zu den Porenebenen, d. h. von der Elektrode 52a zur Elektrode 50a, beträgt. Dies zeigt eine viel niedrigere Elastizität und Empfindlichkeit in der Richtung parallel zu den Porenebenen 92a, 94a, etc. als in der Richtung senkrecht zu diesen Ebenen an.
- Das geordnete Porenmuster 90a, siehe Fig. 4, ist zwischen 25 um (1-Mil) dicken piezokeramischen Schichten 80a bereitgestellt, wobei, z. B., flüchtiges Material, das PZT- Puder enthält, zwischen jeder 25 um (1-Mil) dicken Schicht angeordnet ist, und daher in den Ebenen 92a, 97a, 98a, 99a, 100a, etc. hergestellte Poren 28a vorhanden sind.
- Wie im Phantom in Fig. 5 gezeigt, ist der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Ebenen 92a, 97a, 98a, 99a, 100a und 94a der geordneten Poren kleiner als bei dem vorigen Beispiel. Dies liefert Schichten von weichen Poren, und deshalb ist die Kompressibilität in der Richtung der Achse 3 selbst größer als bei dem vorangegangenen Beispiel. Die folgenden Messungen werden erhalten:
- d&sub3;&sub1; + d&sub3;&sub2;/2d&sub3;&sub3; = ,13
- K&sub3; = 316
- dh = 139 · 10&supmin;¹² Meter/Volt
- gh = 50 · 10&supmin;³ Voltmeter/Newton
- Die Ladungs- und Spannungskoeffizienten sind größer, und die Empfindlichkeit ist somit auch weiter erhöht.
- Beispiel 4
- Wie in Fig. 6 gezeigt, enthält ein Hydrophon 55b einen keramischen Körper 26b, der aus einhundertundzwanzig 25 um (1-Mil) dicken oder sechzig 50 um (2-Mil) dicken Schichten, wie oben beschrieben, hergestellt ist. Zwischen den keramischen Schichten ist flüchtiges Material in geordneten, länglichen Mustern so angeordnet, daß nach dem Sintern Poren 28b und Poren 28bb, die sich im rechten Winkel zu den Poren 28b erstrecken, abwechselnd in benachbarten Ebenen 110b, 112b bereitgestellt sind. Die länglichen Poren jeder Ebene sind daher mit 90º relativ zu den Poren der darüber und darunter angeordneten Ebenen orientiert. Wieder werden Elektroden 50b und 52b auf die obere und untere Fläche des keramischen Körpers 26b aufgebracht.
- Die für dieses Hydrophon gemessenen Werte sind wie folgt:
- d&sub3;&sub1; + d&sub3;&sub2;/2d&sub3;&sub3; ,08
- gh = 100 · 10&supmin;³ Voltmeter/Newton
- K&sub3; = 120
- dh = 106 · 10&supmin;¹² Meter/Volt
- Zusätzlich weist der Körper 26b anisotrope Kompressionseigenschaften auf. Die entlang der Achse 1 abgeschätzte Elastizität beträgt ungefähr 110% derjenigen, die entlang der Achse 1 eines Blocks ohne geordnete Poren gegeben ist. Jedoch ist die abgeschätzte Elastizität entlang der Achse 3 800% bis 1200% von der Elastizität entlang derselben Achse eines Blocks, der keine geordneten Poren aufweist.
- Ein Körper, der Schichten mit komplett parallelen Poren 28b verwendet, weist anisotrope Kompressionseigenschaften entlang der Achse 3, der Achse 1 und der Achse 2 auf.
- Bei jedem der Ausführungsbeispiele der Fig. en 4, 5 und 6 umschließen längs der Umrisse angeordnete, keine Poren aufweisende Bereiche 19a und 19b die entsprechenden Poren, um wasserdichte Außenflächen der Hydrophone 55a und 55b zu bilden.
- Eine Pumpe 210 mit kleinem Volumen, die längliche, rohrförmige, geordnete Poren 28h verwendet, ist in Fig. 7 gezeigt. Der piezokeramische, monolithische Körper 26h ist hergestellt und ausgerüstet mit Streifen aus Elektrodenpaaren 212, 214, 216 und 218 auf seiner oberen und unteren Fläche 40h, 42h (die unteren Elektroden sind nicht gezeigt). Die Elektroden sind senkrecht zu den Poren 28h angeordnet, und jedes Paar der oberen und unteren Elektroden ist durch einen entsprechenden Leiter 220, 222, 224 und 226 mit einer Mikroprozessorsteuerschaltung 230 verbunden. Spannung wird der Reihe nach an jedes der Elektrodenpaare 212 bis 218 angelegt. Dies führt dazu, daß sich das piezokeramische Material zusammenzieht, so daß Verengungen C entlang der Poren 28h in Richtung des Pfeils 234 wandern, um Flüssigkeit durch die Poren zu pumpen.
- Die Verwendung von geordneten Poren erhöht auch die Bruchfestigkeit von keramischen Transducern und von keramischen, lastentragenden und feuerfesten Strukturen. Wie in Fig. 8 gezeigt, wird ein piezokeramischer Körper 26d mit einer Breite 2 mm (,085 Inch) mit sechzig Lagen aus Poren 28d mit einem Durchmesser von 0,25 mm (,01 Inch), die in um 0,33 mm (,013 inch) getrennt voneinander angeordneten Intervallen liegen, bereitgestellt. Die Poren sind von der Form her denjenigen ähnlich, die in Fig. 2 gezeigt sind, außer daß einige von ihnen eine Seitenfläche 44d des Körpers 26d kreuzen. Eine Dreipunkt-Biegeprüfung wird durchgeführt, um die Bruchfestigkeit der entsprechenden Flächen 41d, 44d zu messen. Zuerst wird eine Zugkraft 129 an die Fläche 41d durch Halten der Fläche 41d gegen Elemente 200, 202 und Anlegen einer Druckkraft 130 an die Fläche 44d angelegt. Die für die Fläche 41d gemessene Biegfestigkeit beträgt 70 Megapascal (MPa). Die Biegfestigkeit eines identisch zu dem Körper 26d, aber ohne geordnete Poren, hergestellten Körpers beträgt nur 45 MPa. Biegen des Körpers 26 in die entgegengesetzte Richtung, z. B., Anordnen der Elemente 200, 202, wie im Phantom dargestellt, an der Fläche 44d und Anlegen einer Druckkraft 140 an die Fläche 41d und einer resultierenden Zugkraft 141 an die Fläche 44d, zeigt für die Fläche 44d eine Biegfestigkeit von 117 MPa an, wobei die gleiche Fläche ohne Poren eine Biegfestigkeit von nur 51 MPa aufweist.
- Ein Körper 26e, siehe Fig. 9, mit einer identischen Struktur und Größe ist mit geordneten Poren 28e ausgerüstet, die beiden Längsseitenflächen 41e und 44e des Körpers schneiden. Wieder haben die Poren einen Durchmesser von 250 um (,01 Inch). Die Fläche 41e wird in der Richtung des Pfeils 242 gebogen und weist eine Biegfestigkeit von 221 MPa auf. Die Biegfestigkeit dieser Fläche ohne geordnete Poren ist nur 64 MPa. Wie in Fig. 10 gezeigt, wird die untere Fläche 42e in Richtung des Pfeils 148 gebogen und weist eine Biegfestigkeit von 114 MPa auf. Wieder ist die Bruchfestigkeit dieser Fläche in einem Körper ohne geordnete Poren nur 79 MPa. Das Bereitstellen von geordneten Poren erhöht erheblich die Biegfähigkeit von piezokeramischen Körpern.
- Durch Anordnen der Poren in unterschiedlichen, geordneten Mustern können die gewünschten Festigkeitseigenschaften erhalten werden. Als Beispiel sind, wie in den Fig. en 11A und 11B gezeigt, Poren 28i in oberen und unteren Ebenen 300, 302 eines keramischen Körpers 26i konzentriert und weniger dicht in inneren Schichten 304, 306 vorhanden. Der mittige Bereich 308 enthält überhaupt gar keine Poren. Der Körper 26i ist relativ biegsam in der Nähe der oberen und unteren Flächen 40i, 42i und relativ steif im mittigen Bereich 308.
- Alternativerweise können, wie in den Fig. en 12A und 12B gezeigt, Poren 28k dicht in inneren Ebenen 404, 406 und weniger dicht in Ebenen 400, 402 angeordnet sein. Bereiche 408, 410 nahe den Flächen 40k, 42k enthalten keine Poren. Dies liefert einen Körper 26k, der relativ steif in der Ebene der oberen und unteren Flächen 40k, 42k und relativ biegsam in seinem mittleren Bereich ist.
- Verschiedene andere Porenmuster (welche durch Computer oder auf andere Weise erzeugt werden können) können bereitgestellt sein, um die gewünschte Bruchfestigkeit und Elastizität in Transducern, wie Biegeeinrichtungen, und in keramischen, lastentragenden Strukturen zu erreichen. Die erhöhte Bruchfestigkeit, die durch geordnete Porenanordnungen erhalten wird, ist auch sehr nützlich für feuerfeste Keramikstrukturen, wie für Brennöfen. Geordnete Poren, die mit Luft gefüllt sind, liefern erhöhte thermische Isolation, während sie die Bruchfestigkeit der Keramik aufrechterhalten. Der keramische Körper kann auch auf elektronischen Signalverarbeitungsanlagen, z. B. als Teil der Verarbeitungsschaltung, verwendet werden.
- Die geordneten Poren können miteinander verbunden sein; z. B., wie in Fig. 13 gezeigt, können Poren 28f und 28ff auf komplett verschiedenen Ebenen eines Körpers 26f durch eine transversal verlaufende Pore 28g miteinander verbunden werden. Alternativerweise, wie in Fig. 14 gezeigt, können benachbarte Poren 28h, 28hh und 28hhh in einer einzigen Ebene 190h miteinander verbunden sein.
- Die Dimensionierungen, Größen, Ausgestaltungen, Orientierungen und Lagen, die in den obenbeschriebenen Beispielen gegeben sind, werden nur für illustrative Zwecke geliefert. Die Anordnung der Poren kann so eingestellt werden, daß die gewünschten physikalischen und anisotropen Eigenschaften für keramische Transducer bereitgestellt werden.
- Obwohl bestimmte Eigenschaften der Erfindung in einigen Figuren gezeigt worden sind, und in anderen nicht, ist dies nur der Einfachheit halber gemacht, da jedes Merkmal mit irgendeinem oder allen der anderen Merkmale in Übereinstimmung mit der Erfindung kombiniert werden kann.
Claims (18)
1. Verfahren zum Herstellen eines keramischen Körpers (26),
gekennzeichnet durch die Schritte des Aufbringens eines
flüchtigen Materials (18) in einem Muster mit einer
vorherbestimmten Anordnung, Größe, Gestalt, Orientierung und
Lage auf eine breite Oberfläche von zumindest einer Schicht
(z. B. 12) aus keramischem Material; des Stellens einer
zweiten keramischen Schicht (z. B. 10) in einem Stapel (24)
neben besagte erste Schicht (z. B. 12) mit besagtem flüchtigen
Material (18) zwischen diesen Schichten; des Drückens der
besagten nebeneinandergestellten Schichten (10, 12, 14 und 16)
in innigen Kontakt miteinander; des Aufheizens besagten
Stapels (24) auf eine erste Temperatur, um besagtes flüchtige
Material (18) zu verdrängen und eine Vielzahl von Poren (28)
mit einer vorherbestimmten Anordnung, Größe, Gestalt,
Orientierung und Lage dem Muster besagten flüchtigen Materials
(18) entsprechend zu schaffen; und des Aufheizens besagten
Stapels (24) auf eine zweite Temperatur, um einen
monolithischen keramischen Körper (26) zu bilden, der besagte
Poren (28) beinhaltet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
besagtes flüchtige Material (18) in einem Muster mit einer
Anordnung, Größe, Gestalt, Orientierung und Lage zum Erzeugen
von Poren (28), die einen anisotropen keramischen Körper (26)
schaffen, aufgebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß besagtes flüchtige Material (18) völlig auf die inneren
Oberflächen der besagten keramischen Schichten (10, 12, 14,
und 16) aufgebracht wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das flüchtige Material (18) eine Keramik
beinhaltet.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das
flüchtige Material (18) PZT beinhaltet.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet
durch den Schritt des Aufbringens von Elektrodenmitteln (50,
52) an zwei voneinander getrennten Stellen auf besagten
Körper.
7. Keramischer Körper (26) mit einer Vielzahl von Poren (28)
in vorherbestimmter Anordnung, Größe, Orientierung und Lage in
zumindest einer Ebene in besagtem Körper, dadurch
gekennzeichnet, daß besagte Poren (28) komplett in besagtem
Körper angeordnet sind.
8. Keramischer Körper (26) nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß besagte Poren (28) so angeordnet,
bemessen, gestaltet, orientiert und plaziert sind, daß sie
einen anisotropen keramischen Körper (26) schaffen.
9. Keramischer Körper (26) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch
gekennzeichnet, daß mindestens einige besagter Poren (28)
zumindest teilweise gerundet sind.
10. Keramischer Körper (26) nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige besagter Poren
(28) abgeplattet sind.
11. Keramischer Körper (26) nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede besagte Ebene einen
Umfangsbereich (19) beinhaltet, der keine Poren enthält.
12. Keramischer Körper (26) nach einem der Ansprüche 7 bis 11,
gekennzeichnet durch Mittel (28g) zum Verbinden besagter Poren
(28f, 28ff) miteinander.
13. Keramischer Körper (26) nach einem der Ansprüche 7 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß besagte Poren (28) periodisch in
besagtem Körper (26) angeordnet sind.
14. Keramischer Körper (26) nach einem der Ansprüche 7 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß besagter Körper (26)
piezokeramisches Material enthält.
15. Keramischer Körper (26) nach einem der Ansprüche 7 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß besagter Körper (26) monolithisch
ist.
16. Keramischer Körper (26) nach einem der Ansprüche 7 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß besagter Körper (26) aus zwei
miteinander verbundenen Bereichen gebildet ist.
17. Keramischer Körper (26) nach einem der Ansprüche 7 bis 16,
gekennzeichnet durch Elektrodenmittel (50, 52), die an zwei
voneinander getrennten Stellen auf besagtem Körper aufgebracht
sind, um einen elektromechanischen Keramikwandler (55) zu
bilden.
18. Keramischer Körper (26) nach Anspruch 17, dadurch
gekennzeichnet, daß er einen Geräuschempfänger (55a) bildet.
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