RU101271U1

RU101271U1 - PIEZO ELECTRIC LAYERED ACTUATOR

Info

Publication number: RU101271U1
Application number: RU2010131417/28U
Authority: RU
Inventors: Евгений Николаевич Каблов; Дмитрий Васильевич Сиваков; Юрий Владиславович Столянков; Иван Николаевич Гуляев; Галина Федоровна Железина; Александр Евгеньевич Раскутин
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2011-01-10

Abstract

1. Пьезоэлектрический слоистый актюатор, включающий керамические слои с внутренними металлическими электродами, соединенными с наружной стороны с соответствующими электродами следующего слоя, и расположенный между ними промежуточный слой, отличающийся тем, что керамические слои выполнены из сегнетоэлектрической керамики, металлические электроды выполнены из тонкопленочного аморфного металлического материала, а промежуточный слой представляет собой полимерную электропроводящую композицию с наноструктурным металлическим наполнителем. ! 2. Пьезоэлектрический слоистый актюатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве полимерной электропроводящей композиции используют эпоксикаучуковое или фенолокаучуковое связующее. ! 3. Пьезоэлектрический слоистый актюатор по п.1, отличающийся тем, что металлические электроды представляют собой аморфные ленты, выполненные из сплава на основе никеля. ! 4. Пьезоэлектрический слоистый актюатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве наноструктурного металлического наполнителя используют частицы нанокристаллического материала размером от 10 до 25 мкм, изготовленного из того же сплава, что и введенные в состав пьезоэлектрического актюатора электроды. ! 5. Пьезоэлектрический слоистый актюатор по п.1, отличающийся тем, что введенные металлические электроды являются одновременно армирующими элементами актюатора. ! 6. Пьезоэлектрический слоистый актюатор по п.1, отличающийся тем, что внутренние электроды соединены между собой и с внешними электродами способом точечной сварки. 1. A piezoelectric layered actuator comprising ceramic layers with internal metal electrodes connected from the outside to the corresponding electrodes of the next layer, and an intermediate layer located between them, characterized in that the ceramic layers are made of ferroelectric ceramics, the metal electrodes are made of thin-film amorphous metal material and the intermediate layer is a polymer conductive composition with a nanostructured metal filling elem. ! 2. The piezoelectric layered actuator according to claim 1, characterized in that an epoxy rubber or phenol rubber rubber binder is used as the polymer electrically conductive composition. ! 3. The piezoelectric layered actuator according to claim 1, characterized in that the metal electrodes are amorphous tapes made of an alloy based on Nickel. ! 4. The piezoelectric layered actuator according to claim 1, characterized in that as the nanostructured metal filler using particles of nanocrystalline material ranging in size from 10 to 25 μm, made of the same alloy as the electrodes introduced into the composition of the piezoelectric actuator. ! 5. The piezoelectric layered actuator according to claim 1, characterized in that the introduced metal electrodes are simultaneously reinforcing elements of the actuator. ! 6. The piezoelectric layered actuator according to claim 1, characterized in that the internal electrodes are connected to each other and to the external electrodes by the method of spot welding.

Description

Полезная модель относится к области электрических устройств с электрическим входом и механическим выходом, выполненных на основе полупроводниковых элементов наборной пьезоэлектрической многослойной конструкции, предназначенных для использования в качестве исполнительного элемента для управления элементами конструкции и/или изменения упруго-деформационных характеристик материалов интеллектуального типа. Такие элементы должны иметь высокую прочность, технологическую пластичность и структурно-химическую однородность, исключающую возможность возникновения коррозионных процессов и разогрева пьезоэлектрического аткюатора в процессе эксплуатации.The invention relates to the field of electrical devices with an electrical input and a mechanical output, based on semiconductor elements of a stacked piezoelectric multilayer structure, intended for use as an actuating element for controlling structural elements and / or changing the elastic-deformation characteristics of intelligent materials. Such elements must have high strength, technological plasticity and structural and chemical homogeneity, eliminating the possibility of corrosion processes and heating of the piezoelectric attuator during operation.

В качестве актюаторов могут быть использованы различные типы устройств, такие, как сервоприводы, гидроприводы и т.д., и материалы-сплавы с памятью формы, магнитострикционные сплавы, электрореологические и магнитные жидкости, пьезоэлектрики, бифункциональные сополимеры и др., позволяющие изменять их свойства в режиме реального времени с помощью электрических, электромагнитных и других сигналов и воздействий.Various types of devices can be used as actuators, such as servo drives, hydraulic drives, etc., and shape memory alloy materials, magnetostrictive alloys, electro-rheological and magnetic fluids, piezoelectrics, bifunctional copolymers, etc. that allow changing their properties in real time using electrical, electromagnetic and other signals and influences.

Наибольшее распространение в качестве электромеханических актюаторов получили элементы, работающие на основе пьезоэффекта (трансформации механической энергии в электрическую и обратно). Наличие прямого и обратного пьезоэффектов дает возможность использовать подобные элементы в качестве сенсоров и/или актюаторов для контроля и управления параметрами материалов или конструкций, выполненных из них.The most widely used as electromechanical actuators are elements operating on the basis of the piezoelectric effect (the transformation of mechanical energy into electrical energy and vice versa). The presence of direct and inverse piezoelectric effects makes it possible to use such elements as sensors and / or actuators for monitoring and controlling the parameters of materials or structures made from them.

Пьезоэлектрические материалы практически мгновенно реагируют на изменение геометрических размеров конструкции и их применение позволяет решить проблемы снижения вибраций, шума, улучшения эксплуатационных характеристик. Актюаторы, будучи внедренными в состав и структуру композиционного материала, способны изменять свойства этих композитов, их конструктивную жесткость или геометрию при определенных условиях, например, при воздействии электрического тока или поля.Piezoelectric materials almost instantly respond to changes in the geometric dimensions of the structure and their application can solve the problems of reducing vibration, noise, improving performance. Actuators, being introduced into the composition and structure of the composite material, are able to change the properties of these composites, their structural rigidity or geometry under certain conditions, for example, when exposed to electric current or field.

Актюаторы изготавливают в виде различных форм - жесткие и гибкие монолитные пьезопластины, MFC актюаторы (Micro-Fiber Composite), в т.ч. многослойные композиционные (пакетного типа), пьезоэлектрические фрикционные демпферы и т.д.. При этом применение актюаторов может быть внешним, например, в виде накладок, присоединяемых к поверхности высоконагруженных участков конструкции с минимальной модификацией первоначальной конструкции, или внутренним, т.е. актюаторы могут быть введены в структуру материала, из которого изготовлена конструкция.Actuators are made in the form of various forms - rigid and flexible monolithic piezoelectric plates, MFC actuators (Micro-Fiber Composite), including multilayer composite (batch type), piezoelectric friction dampers, etc. In this case, the use of actuators can be external, for example, in the form of overlays attached to the surface of highly loaded sections of the structure with minimal modification of the original structure, or internal, i.e. actuators can be introduced into the structure of the material of which the structure is made.

Известен многослойный актюатор, включающий в качестве активного элемента слои, состоящие из тонких пьезокерамических пленок с напыленными на них металлическими электродами, параллельно соединенными с помощью внешнего электрода и образующие единую электрическую цепь (заявка №WO 2007/104784).A multi-layer actuator is known that includes layers as an active element consisting of thin piezoceramic films with metal electrodes sprayed on them, connected in parallel with an external electrode and forming a single electric circuit (application No. WO 2007/104784).

Недостатком данного технического решения является использование пленочной пьезоекрамики с нанесенным металлическим электродом, что не дает актюатору развивать требуемые усилия для изменения свойств материалов, и сложность обеспечения надежного электрического контакта в пакете.The disadvantage of this technical solution is the use of a film piezoceramic coated with a metal electrode, which prevents the actuator from developing the required efforts to change the properties of the materials, and the difficulty of ensuring reliable electrical contact in the bag.

Известен слоистый пьезоэлектрический элемент с внешними контактами, образованными методом осаждения из газовой фазы, введенными в состав пьезоэлектрического слоя и выходящими за пределы актюатора на его боковую поверхность. На боковой поверхности производится соединение вышеназванных электропроводящих слоев по электропроводящей поверхности соединительного электрода, образованной электро-химическим методом. Внешний электрод, созданный также осаждением из газовой фазы, используется для образования надежного электрического контакта между несколькими пьезоэлекрическими элементами (заявка №WO 2009/071426).Known layered piezoelectric element with external contacts formed by the method of deposition from the gas phase, introduced into the composition of the piezoelectric layer and extending beyond the actuator to its side surface. On the side surface, the abovementioned electrically conductive layers are connected along the electrically conductive surface of the connecting electrode formed by the electrochemical method. An external electrode, also created by vapor deposition, is used to form a reliable electrical contact between several piezoelectric elements (application No. WO 2009/071426).

К недостаткам приведенного технического решения следует отнести сложность и высокую трудоемкость процесса его изготовления, а также множество мест соединений, образованных механическим способом, что ухудшает свойства пьезоэлектрического элемента.The disadvantages of the technical solution include the complexity and high complexity of the manufacturing process, as well as the many places of joints formed by a mechanical method, which affects the properties of the piezoelectric element.

Известен пьезокерамический многослойный актюатор, состоящий из слоев пьезокерамики с нанесенными методом шелкографии внутренними электродами, на этапе изготовления пакетов которых допускается их механическая обработка. Последующее спекание многослойного актюатора при температуре 700°С и глазуровка приводят к образованию изоляционного слоя, который в местах подсоединения внешних электродов удаляется шлифованием (патент США №7309397).A known piezoceramic multilayer actuator consisting of layers of piezoceramics with internal electrodes deposited by the silk-screen printing method, at the stage of manufacture of the packages of which their mechanical processing is allowed. Subsequent sintering of the multilayer actuator at a temperature of 700 ° C and glazing lead to the formation of an insulating layer, which is removed by grinding by connecting external electrodes (US Pat. No. 7,309,397).

К недостаткам известного технического решения следует отнести недостаточную величину перемещения рабочей поверхности актюатора, низкую деформативность, а также возможность растрескивания цельнокерамической конструкции в процессе ее изготовления (спекания).The disadvantages of the known technical solutions include the insufficient amount of displacement of the working surface of the actuator, low deformability, as well as the possibility of cracking of the all-ceramic structure during its manufacture (sintering).

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является пьезоэлектрический многослойный актюатор с встроенными металлическими электродами, соединенными с наружной стороны с соответствующими электродами следующего пьезоэлектрического слоя, и содержащий расположенный между пьезоэлектрическими слоями промежуточный слой с пьезомеханическими характеристиками, средними по значению соответствующих характеристик активной и неактивной зоны актюатора, выполненный путем введения в состав актюатора пьезочастиц с серебром, концентрация которых обуславливается их растворимостью в материале матрицы. Внутренние электроды выполнены из серебра (заявка США №2003/0001463).The closest technical solution adopted for the prototype is a piezoelectric multilayer actuator with built-in metal electrodes connected from the outside to the corresponding electrodes of the next piezoelectric layer, and containing an intermediate layer located between the piezoelectric layers with piezomechanical characteristics that are average in value of the corresponding characteristics of the active and inactive zones actuator, made by introducing into the composition of the actuator piezoelectric particles with silver, to the concentration of which is determined by their solubility in the matrix material. The internal electrodes are made of silver (US application No. 2003/0001463).

Недостатками предложенной конструкции, взятой за прототип являются использование серебра в качестве материала электродов и модификатора промежуточного пьезокерамического слоя, который снижает его упругопластические свойства, ограничивая величину рабочего перемещения актюатора, а также высокая трудоемкость изготовления электродов, их соединения между собой и внешними электродами, трудоемкость создания промежуточного слоя.The disadvantages of the proposed design, taken as a prototype are the use of silver as the material of the electrodes and the modifier of the intermediate piezoceramic layer, which reduces its elastic-plastic properties, limiting the magnitude of the working movement of the actuator, as well as the high complexity of the manufacture of electrodes, their connection between themselves and external electrodes, the complexity of creating an intermediate layer.

Технической задачей предлагаемой полезной модели является создание пьезоэлектрического слоистого актюатора, обладающего повышенными эксплуатационными характеристиками, в частности, повышенными упругопластическими свойствами и стойкостью к многократному изгибу в процессе эксплуатации, снижение трудоемкости изготовления его компонентов, обеспечение надежного электрического соединения внутренних электродов с внешними электродами, увеличение стойкости к воздействию агрессивных факторов окружающей среды.The technical task of the proposed utility model is the creation of a piezoelectric layered actuator with improved performance characteristics, in particular, increased elastoplastic properties and resistance to repeated bending during operation, reducing the complexity of manufacturing its components, ensuring reliable electrical connection of the internal electrodes with external electrodes, increasing the resistance to exposure to aggressive environmental factors.

Для решения поставленной технической задачи предложен пьезоэлектрический слоистый актюатор, включающий керамические слои с внутренними металлическими электродами, соединенными с наружной стороны с соответствующими электродами следующего слоя, и расположенный между ними промежуточный слой, отличающийся тем, что керамические слои выполнены из сегнетоэлектрической керамики, металлические электроды выполнены из тонкопленочного аморфного металлического материала, а промежуточный слой представляет собой полимерную электропроводящую композицию с наноструктурным металлическим наполнителем.To solve the technical problem, a piezoelectric layered actuator is proposed, including ceramic layers with internal metal electrodes connected from the outside to the corresponding electrodes of the next layer, and an intermediate layer located between them, characterized in that the ceramic layers are made of ferroelectric ceramic, metal electrodes are made of thin-film amorphous metal material, and the intermediate layer is a polymer conductive nanostructural composition with metallic filler.

В качестве полимерной электропроводящей композиции используют эпокси-каучуковое или феноло-каучуковое связующее.As the polymer electrically conductive composition, an epoxy-rubber or phenol-rubber binder is used.

Металлические электроды представляют собой аморфные ленты, выполненные из сплава на основе никеля.Metal electrodes are amorphous tapes made of an alloy based on nickel.

В качестве наноструктурного металлического наполнителя используют частицы нанокристаллического материала размером 10-25 мкм, изготовленного из того же сплава, что и введенные в состав пьезоэлектрического актюатора электроды.As a nanostructured metal filler, particles of nanocrystalline material with a size of 10-25 μm made of the same alloy as the electrodes introduced into the composition of the piezoelectric actuator are used.

Введенные металлические электроды являются одновременно армирующими элементами актюатора.The introduced metal electrodes are simultaneously reinforcing elements of the actuator.

Внутренние электроды соединены между собой и с внешними электродами способом точечной сварки.The internal electrodes are connected to each other and to the external electrodes by spot welding.

Благодаря введенным в состав многослойного пьезоэлектрического актюатора частицам, изготовленным из того же сплава, что и электроды, обеспечивается однородность слоев и исключается возможность протекания процессов электрохимической коррозии. Введение в состав актюатора аморфных металлических электродов дает возможность задания электрического заряда необходимой величины с возможностью его регулирования и обеспечивает меньший разогрев пьезоэлектрического аткюатора в процессе его эксплуатации в сравнении с напыленным металлическим слоем по прототипу. Аморфные металлические электроды по предлагаемому изобретению имеют целый ряд преимуществ по сравнению с прототипом: они выполнены из жаропрочного никелевого сплава и обладают высокой стойкостью к коррозионному воздействию агрессивных факторов окружающей среды, имеют высокую структурно-химическую однородность, прочность на уровне нитевидных кристаллов и свойственную им технологическую пластичность (стойкость к многократному изгибу). Кроме того, использование в качестве электродов тонкопленочного аморфного металлического материала позволяет снизить трудоемкость процесса формирования электрода в сравнении с длительным и малопроизводительным процессом нанесения металлического слоя посредством напыления в вакууме, а также обеспечить длительный ресурс эксплуатации актюатора благодаря высокой степени структурно-химической однородности быстро закаленного металла. Внутренние электроды, выходя на боковые поверхности, соединяются в соответствии с требуемой схемой соединения способом точечной сварки, что обеспечивает надежный электрический контакт и значительно упрощает процесс создания актюатора. Использование в промежуточном слое наполнителя в виде «чешуек» размером 10-25 мкм, выполненных из того же материала, что и электроды, препятствует процессам его сегрегации и агломерации в ходе термической обработки.Thanks to the particles made of the same alloy as the electrodes introduced into the composition of the multilayer piezoelectric actuator, the uniformity of the layers is ensured and the occurrence of electrochemical corrosion processes is excluded. The introduction of amorphous metal electrodes into the actuator makes it possible to set the electric charge of the required size with the possibility of its regulation and provides less heating of the piezoelectric attuator during its operation in comparison with the sprayed metal layer of the prototype. Amorphous metal electrodes according to the invention have a number of advantages compared to the prototype: they are made of heat-resistant nickel alloy and are highly resistant to corrosive environmental factors, have high structural and chemical uniformity, strength at the level of whiskers and their characteristic technological plasticity (resistance to repeated bending). In addition, the use of thin-film amorphous metal material as electrodes makes it possible to reduce the laboriousness of the electrode formation process in comparison with the long and inefficient process of applying a metal layer by vacuum deposition, as well as to ensure a long service life of the actuator due to the high degree of structural and chemical uniformity of rapidly quenched metal. The internal electrodes, going to the side surfaces, are connected in accordance with the required connection scheme by the spot welding method, which ensures reliable electrical contact and greatly simplifies the process of creating an actuator. The use in the intermediate layer of filler in the form of "scales" with a size of 10-25 μm, made of the same material as the electrodes, impedes the processes of its segregation and agglomeration during heat treatment.

Пример осуществленияImplementation example

На поверхность металлических электродов, выполненных из тонкопленочного аморфного быстро закаленного сплава на основе никеля в виде ленты шириной 1,0-1,5 мм и толщиной 0,015 мм, выкладывали промежуточный слой толщиной 0,1-0,2 мм, состоящий из эпокси-каучукового связующего, в которое вводили наноструктурный наполнитель в виде «чешуек», выполненный из того же самого сплава, что и электроды, и прикатывали обогреваемым валиком. Наноструктурный наполнитель вводили в связующее механическим способом с последующим распределением его путем ультразвукового перемешивания в течение 5-7 мин. Далее поочередно совмещали слои сегнетоэлектрической керамики марки ЦТС-46 толщиной 0,2-0,4 мм и внутренних электродов с нанесенным промежуточным слоем, собирали заготовку актюатора и термообрабатывали при температуре 150°С при удельном давлении 0,3 МПа в течение 3-4 ч с последующим охлаждением. Внутренние электроды путем точечной сварки соединяли с внешними электродами с формированием электрической цепи.An intermediate layer 0.1-0.2 mm thick, consisting of epoxy rubber, was laid on the surface of metal electrodes made of a thin film amorphous rapidly quenched nickel-based alloy in the form of a tape 1.0-1.5 mm wide and 0.015 mm thick. a binder into which a nanostructured filler in the form of “scales” was introduced, made of the same alloy as the electrodes, and rolled with a heated roller. The nanostructured filler was introduced into the binder mechanically, followed by its distribution by ultrasonic mixing for 5-7 minutes. Next, alternating layers of TsTS-46 ferroelectric ceramics with a thickness of 0.2-0.4 mm and internal electrodes with an applied intermediate layer were alternately combined, the actuator blank was assembled and heat treated at a temperature of 150 ° C at a specific pressure of 0.3 MPa for 3-4 hours followed by cooling. The internal electrodes by spot welding were connected to the external electrodes with the formation of an electrical circuit.

Предлагаемая полезная модель позволяет получить пьезоэлектрический актюатор, обладающий следующими преимуществами: увеличенный рабочий ход, повышенная надежность в работе, сниженная трудоемкость его изготовления, уменьшение использования драгоценных металлов, что наряду с использованием ресурсо- и энергосберегающих технологий дает существенный экономический эффект.The proposed utility model allows to obtain a piezoelectric actuator with the following advantages: increased working stroke, increased reliability, reduced labor intensity of its manufacture, reduced use of precious metals, which, along with the use of resource and energy-saving technologies, gives a significant economic effect.

Claims

1. A piezoelectric layered actuator comprising ceramic layers with internal metal electrodes connected from the outside to the corresponding electrodes of the next layer, and an intermediate layer located between them, characterized in that the ceramic layers are made of ferroelectric ceramics, the metal electrodes are made of thin-film amorphous metal material and the intermediate layer is a polymer conductive composition with a nanostructured metal filling elem.

2. The piezoelectric layered actuator according to claim 1, characterized in that an epoxy rubber or phenol rubber rubber binder is used as the polymer electrically conductive composition.

3. The piezoelectric layered actuator according to claim 1, characterized in that the metal electrodes are amorphous tapes made of an alloy based on Nickel.

4. The piezoelectric layered actuator according to claim 1, characterized in that as the nanostructured metal filler using particles of nanocrystalline material ranging in size from 10 to 25 μm, made of the same alloy as the electrodes introduced into the composition of the piezoelectric actuator.

5. The piezoelectric layered actuator according to claim 1, characterized in that the introduced metal electrodes are simultaneously reinforcing elements of the actuator.

6. The piezoelectric layered actuator according to claim 1, characterized in that the internal electrodes are connected to each other and to the external electrodes by the method of spot welding.