RU2493636C2 - Устройство для создания градиента температур в образце - Google Patents
Устройство для создания градиента температур в образце Download PDFInfo
- Publication number
- RU2493636C2 RU2493636C2 RU2011134338/28A RU2011134338A RU2493636C2 RU 2493636 C2 RU2493636 C2 RU 2493636C2 RU 2011134338/28 A RU2011134338/28 A RU 2011134338/28A RU 2011134338 A RU2011134338 A RU 2011134338A RU 2493636 C2 RU2493636 C2 RU 2493636C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sample
- gradient
- temperature
- polarization
- piezoelectric
- Prior art date
Links
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 22
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 19
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 13
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 11
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 description 13
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 229910002113 barium titanate Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 2
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 2
- 229940071182 stannate Drugs 0.000 description 2
- 101100327917 Caenorhabditis elegans chup-1 gene Proteins 0.000 description 1
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- JRPBQTZRNDNNOP-UHFFFAOYSA-N barium titanate Chemical compound [Ba+2].[Ba+2].[O-][Ti]([O-])([O-])[O-] JRPBQTZRNDNNOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000007775 ferroic material Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000008204 material by function Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Landscapes
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
- Re-Forming, After-Treatment, Cutting And Transporting Of Glass Products (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к пьезоэлектронике и может быть использовано для получения градиента поляризации в однородных по химическому составу образцах пьезоэлектрической керамики. Сущность: устройство содержит нагреваемый и охлаждаемый стаканы с плоским днищем, оснащенные термопарами, и теплоизоляционный кожух. Охлаждаемый стакан помещен коаксиально внутрь нагреваемого стакана с зазором между стенками стаканов, равным 0,25÷0,30 диаметра внутреннего стакана. Технический результат: расширение рабочего интервала температур от -50 до +150°С. 1 ил.
Description
Изобретение относится к электронной технике, а именно к пьезоэлектронике, к устройствам для поляризации пьезоэлектрической керамики.
Существующие в настоящее время промышленные методы поляризации керамических пьезоэлектрических элементов используемых в пьезоакустических преобразователях создают однородную поляризацию по толщине образца. Такая поляризация образцов позволяет получать в переменных электрических полях только продольные или поперечные колебания. В то же время значительный практический интерес представляют пьезокерамические преобразователи, в которых создаются изгибные колебания.
Практическое применение пьезопреобразователей с изгибными колебаниями:
Пьезопреобразователи на основе изгибных колебаний пьезокерамических элементов являются элементами пассивных интеллектуальных конструкций, которые регистрируют информацию о состоянии объекта. Как активные интеллектуальные конструкции они содержат триаду: датчик (сенсор), процессор (анализ и принятие решения), актюатор (исполнительный механизм). Законченный прибор, составной частью которого является такой пьезопреобразователь, может обеспечивать тепловые измерения, измерения механической нагрузки, измерения отклонения и растяжения и получение другой информации, которая может храниться в базе данных и считываться немедленно в случае, например, организации эвакуации из высотного здания. Это позволит решить задачу мониторинга высоких зданий, мостов, дамб, туннелей, трубопроводов и других инфраструктур. Пьезопреобразователи позволяют создать миниатюрные радиодатчики с практически неограниченным сроком службы, без сменных элементов питания, пассивную интеллектуальную конструкцию можно сделать абсолютно герметичной. С помощью устройств на основе пьезоэффекта возможно осуществление устройств и систем гашения вибраций, что чрезвычайно актуально, например, для прецизионного машиностроения, электротехнической промышленности (мощные трансформаторы), судостроения, летательных и ракетных аппаратов и др. Устройства и системы гашения вибрации могут быть диверсифицированы и использованы для подавления акустических волн в воздухе и воде.
Создание изгибных колебаний возможно в пьезоэлектрических материалах с градиентом поляризации по толщине образца.
Градиент поляризации в образце может создаваться непосредственно или за счет градиента других физических свойств (например, температуры или концентрации составляющих химических компонент) [S. Zhong, Z.-G. Ban, S.P. Alpay, J.V. Mantese. Large piezoelectric strains from polarization graded ferroelectrics. Appl. Phys. Let. 2006. V.89. P.142913; Z.-G. Ban, S.P. Alpay, J.V. Mantese. Fundamentals of graded ferroic materials and devices. Phys. Rev. B.2003. V.67. P.184104].
Использование материалов с постоянным градиентом температуры по толщине образца для широкого практического применения наименее пригодно, поскольку требует привязки к специальному оборудованию (печи, элементы Пельтье, термостаты и т.п.). В последнее время наблюдается тенденция к созданию градиентных функциональных материалов. Градиентные функциональные материалы (functionally graded materials) - это материалы, у которых концентрация химических составляющих (или другая физическая характеристика) изменяется непрерывно или пошагово по толщине.
Получение материалов на основе твердых растворов с градиентом концентрации химического состава - один из способов создания градиента поляризации и пьезоэлектрических свойств в сегнетоэлектрических материалах. Неоднородность системы является результатом воздействия композиционных, температурных градиентов или градиентов напряжения. В то же время практически реализовано два способа получения пьезоэлектрических материалов с градиентом физических свойств -склеивание однородных по химическому составу образцов, поляризованных в противоположном направлении и создание керамики с градиентом концентрации химического состава.
1 способ реализован в ОАО «Элпа» г.Зеленоград, Россия.
2 способ - в институте физики Университета Мартина-Лютера, Германия (Institut fur Physik, FG Physik FerroischerMaterialien, Martin-Luther-Universitat, Halle, Germany) на базе пьезокерамики титаната-станната бария [Steinhausen R. / Pientschke С., Kuvatov A.Z., Langhammer H.T., Beige H., Movchikova A.A., Malyshkina O.V. Modeling and characterization of piezoelectric and polarization gradienrs // J Electroceram. - 2008. - V.20. - P.47-52].
В растворе титаната-станната бария BaTi1-xSnxO3, основным является состав BaTiO3, а BaSnO3 - замещающим.
Рассмотрим технологию получения градиента поляризации в образцах функциональной керамики BaTi1-xSnxO3 (BTS), на примере образцов BTS с градиентом олова 0,075≤х≤0,15, состоящих из двух (составы BTS7.5 и BTS15), трех (BTS7.5; BTS10; BTS15) и четырех (BTS7.5; BTS10; BTS12.5 и BTS 15) слоев с разной концентрацией олова [Steinhausen R. / Pientschke С., Kuvatov A.Z., Langhammer H.T., Beige H., Movchikova A.A., Malyshkina O.V. Modeling and characterization of piezoelectric and polarization gradienrs // J Electroceram. - 2008. - V.20. - P.47-52].
Приготовления образцов с градиентом концентрации олова возможно двумя разными способами:
1. Прессование и спекание слоев порошка с разной концентрацией олова
Функциональная керамика BTS с градиентом олова синтезируется с последовательным прессованием гранулированного порошка с содержанием 7,5; 10; 12,5 и 15% олова и последующим спеканием в течение одного часа при температуре 1400°С под одноосным давлением приблизительно 1 кПа.
Данная технология позволяет получить материал с градиентом химического состава по толщине образца. Двухслойные образцы содержали составы BTS7.5 и BTS15, трехслойные - BTS7.5, BTS10 и BTS15; четырехслойные - BTS7.5, BTS10, BTS12,5 и BTS15. Для практического применения данные материалы интересны тем, что состав BTS15 при комнатной температуре (выше 24°С) находится в параэлектрической фазе, тогда как составы BTS7.5 и BTS10 в сегнетоэлектрической фазе, состав BTS12.5 имеет область Кюри в интервале 24÷31°С.
2. Склеивание образцов с разной концентрацией олова
Четыре образца керамики BTS, содержащие 7,5; 10; 12,5 и 15% олова склеиваются в один.
Градиент пьезоэлектрических свойств по толщине образцов в описанных выше материалах реализуется за счет слоев с разной концентрацией олова. Неоднородное распределение поляризации по толщине имеет место, когда при температуре поляризации компоненты одного слоя находятся в параэлектрической фазе, другого - в сегнетоэлектрической. В то же время примесь олова в керамику титаната бария значительно понижает точку Кюри материала; область Кюри рассмотренных выше керамик BTS с различной концентрацией олова лежит в интервале 15÷75°С.
Недостаток существующих способов: узкий температурный интервал применения данных материалов от 10 до 70°С.
В связи с этим актуальна задача получения градиента поляризации в однородных по химическому составу пьезоэлектрических керамиках с высокой температурой фазового перехода, что значительно расширит температурный диапазон практического применения.
Теоретически создание градиента поляризации возможно, если в процессе приложения электрического поля в образце существует постоянный градиент температуры. На практике это неосуществимо, поскольку проводимость деполяризованной керамики имеет сильную зависимость от температуры. Степень нагрева поляризуемого образца ограничена вероятностью теплового пробоя. Время поляризации определяется временем релаксации объемных зарядов в образце, обеспечивающих стабилизацию поляризованного состояния. Электрофизические характеристики поляризуемого сегнетоэлектрика ограничивают область допустимых режимов, обусловленных условием теплообмена.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в создании устройства для создания градиента температур в образце пьезоэлектрической керамики для получения в нем градиента поляризации, позволяющем получать поляризованную пьезоэлектрическую керамику с рабочим интервалом температур расширенным более чем в три раза по сравнению с готовыми изделиями, полученными в известных устройствах, и включающим область отрицательных температур, а именно: поляризованная пьезоэлектрическая керамика сохраняет свои свойства при температуре от -50 до +150°С.
Расширение вышеуказанного рабочего интервала температур возможно при соблюдении в устройстве для создания градиента температур в образце пьезоэлектрической керамики для получения в нем градиента поляризации следующих температурных режимов: поляризацию однородного по химическому составу образца пьезоэлектрической керамики с оппозитными плоскими элементами поверхности при температуре 100÷180°С; выдержку образца в течение 3÷5 дней при температуре 20÷25°С; градиентный нагрев образца поляризованной пьезоэлектрической керамики в течение 20÷30 минут, при котором один из плоских элементов поверхности образца нагревается до температуры параэлектрической фазы, а второй плоский элемент поверхности, оппозитный первому, имеет температуру сегнетоэлектрической фазы; охлаждение в электрически свободном состоянии, т.е. с закороченными электродами.
Изобретение поясняется графическими материалами: Фиг.1.
Фиг.1. Устройство для получения градиента поляризации в однородной по химическому составу пьезоэлектрической керамике с оппозитными плоскими элементами поверхности. 1 - нагреваемый стакан; 2 - охлаждаемый стакан; 3, 4 - термопары; 5 - теплоизоляционный кожух; 6 - нагреватель; 7 - образец; 8 - электроды, 9 - подача охлаждающего воздуха от компрессора; 10 - электроизоляция.
Устройство, разработанное для создания и поддержания в образце необходимого градиента температуры и получения градиента поляризации (Фиг.1), состоит из нагреваемого стакана 1, охлаждаемого стакана 2, имеющих плоское днище, причем охлаждаемый стакан помещен коаксиально внутрь нагреваемого стакана с зазором между стенками стаканов, равным 0,25÷0,30 диаметра охлаждаемого стакана. Между плоскими днищами обоих стаканов расположен образец 7 однородной по химическому составу пьезоэлектрической керамики. Образец имеет плоские оппозитные поверхности. Верхняя поверхность (грань) образца примыкает к плоскому днищу охлаждаемого подачей воздуха 9 от компрессора (не показан) стакана 2, нижняя, оппозитная верхней, поверхность образца примыкает к внутренней поверхности плоского днища стакана 1. Охлаждаемый стакан зафиксирован внутри нагреваемого стакана посредством электроизоляции 10. В качестве нагревателя 6 используется низковольтная печь (не показана). Устройство имеет теплоизоляционный кожух 5. Устройство оснащено термопарами 3 и 4.
Контроль температуры и скорости нагрева осуществляется по специализированной программе. Для создания и поддержания градиента температуры по толщине образца проведена разработка и изготовлено устройство для контролируемого охлаждения верхней поверхности образца. Нижняя грань образца нагревается до необходимой для поляризации температуры с использованием низковольтной печи.
Поддержание постоянной температуры в процессе поляризации и контроль температуры осуществляется микроконтроллерным терморегулятором «Минитерм-300.31», имеющим встроенный программный задатчик температур, встроенный порт RS232 для связи с управляющим компьютером и работающий с термопарой типа L в диапазоне температур от -50 до +400°С. Для контроля температуры используются две независимые термопары: термопара 3 - для нагревательного элемента встроена в терморегулятор «Минитерм-300.31», термопара 4 выносная.
Claims (1)
- Устройство для создания градиента температур в образце пьезоэлектрической керамики для получения в нем градиента поляризации, содержащее нагреваемый и охлаждаемый стаканы с плоским днищем, оснащенные термопарами, причем охлаждаемый стакан помещен коаксиально внутрь нагреваемого стакана с зазором между стенками стаканов, равным 0,25÷0,30 диаметра внутреннего стакана, и теплоизоляционный кожух.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011134338/28A RU2493636C2 (ru) | 2011-08-17 | 2011-08-17 | Устройство для создания градиента температур в образце |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011134338/28A RU2493636C2 (ru) | 2011-08-17 | 2011-08-17 | Устройство для создания градиента температур в образце |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2011134338A RU2011134338A (ru) | 2013-03-10 |
RU2493636C2 true RU2493636C2 (ru) | 2013-09-20 |
Family
ID=49123015
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011134338/28A RU2493636C2 (ru) | 2011-08-17 | 2011-08-17 | Устройство для создания градиента температур в образце |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2493636C2 (ru) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2659829A (en) * | 1948-12-28 | 1953-11-17 | Clevite Corp | Transducer device electromechanically sensitive to flexure |
SU518824A1 (ru) * | 1975-02-06 | 1976-06-25 | Предприятие П/Я Р-6303 | Способ пол ризации пьезоэлементов |
JPH01111385A (ja) * | 1987-09-19 | 1989-04-28 | Am Internatl Inc | モノリシック圧電バイモルフおよびその製造法 |
SU1738798A1 (ru) * | 1990-06-26 | 1992-06-07 | Научно-исследовательский институт физики при Ростовском государственном университете | Пьезоэлектрический керамический материал |
RU2029417C1 (ru) * | 1991-07-03 | 1995-02-20 | Научно-исследовательский институт физики при Ростовском государственном университете | Способ поляризации пьезоэлемента |
RU2338815C2 (ru) * | 2006-04-06 | 2008-11-20 | ООО "Центр теплофизических исследований "ТЕРМО" | Способ выращивания монокристаллов-сцинтилляторов на основе иодида натрия или цезия и устройство для его реализации |
-
2011
- 2011-08-17 RU RU2011134338/28A patent/RU2493636C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2659829A (en) * | 1948-12-28 | 1953-11-17 | Clevite Corp | Transducer device electromechanically sensitive to flexure |
SU518824A1 (ru) * | 1975-02-06 | 1976-06-25 | Предприятие П/Я Р-6303 | Способ пол ризации пьезоэлементов |
JPH01111385A (ja) * | 1987-09-19 | 1989-04-28 | Am Internatl Inc | モノリシック圧電バイモルフおよびその製造法 |
SU1738798A1 (ru) * | 1990-06-26 | 1992-06-07 | Научно-исследовательский институт физики при Ростовском государственном университете | Пьезоэлектрический керамический материал |
RU2029417C1 (ru) * | 1991-07-03 | 1995-02-20 | Научно-исследовательский институт физики при Ростовском государственном университете | Способ поляризации пьезоэлемента |
RU2338815C2 (ru) * | 2006-04-06 | 2008-11-20 | ООО "Центр теплофизических исследований "ТЕРМО" | Способ выращивания монокристаллов-сцинтилляторов на основе иодида натрия или цезия и устройство для его реализации |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
И.А. ГЛОЗМАН, ПЬЕЗОКЕРАМИКА, М, ЭНЕРГИЯ, 1972, с 31-32. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2011134338A (ru) | 2013-03-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Guo et al. | High-performance sm-doped Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-PbZrO3-PbTiO3-based piezoceramics | |
Luo et al. | New Pb (Mg1/3Nb2/3) O3–Pb (In1/2Nb1/2) O3–PbZrO3–PbTiO3 quaternary ceramics: morphotropic phase boundary design and electrical properties | |
Zylberberg et al. | Bismuth aluminate: a new high-Tc lead-free piezo-/ferroelectric | |
Tian et al. | Top-Seeded Solution Growth and Properties of K1–x Na x NbO3 Crystals | |
Leist et al. | Temperature dependence of the piezoelectric coefficient in BiMeO3‐PbTiO3 (Me= Fe, Sc,(Mg1/2Ti1/2)) ceramics | |
Zhao et al. | Dielectric Relaxor Evolution and Frequency‐Insensitive Giant Strains in (Bi 0.5 Na 0.5) TiO 3‐Modified Bi (Mg 0.5 Ti 0.5) O 3–PbTiO 3 Ferroelectric Ceramics | |
Sundari et al. | Synthesis, dielectric and relaxation behavior of lead free NBT–BT ceramics | |
Jin et al. | Ultra-slim pinched polarization-electric field hysteresis loops and thermally stable electrostrains in lead-free sodium bismuth titanate-based solid solutions | |
Uršič et al. | Specific heat capacity and thermal conductivity of the electrocaloric (1-x) pb (mg1/3nb2/3) o3–xpbtio3 ceramics between room temperature and 300oc | |
Tong et al. | Enhanced piezoelectricity and high-temperature sensitivity of Zn-modified BF-BT ceramics by in situ and ex situ measuring | |
Cheng et al. | Large piezoelectric effect in Bi1/2Na1/2TiO3-based lead-free piezoceramics | |
Liu et al. | Comparative study of phase structure, dielectric properties and electrocaloric effect in novel high-entropy ceramics | |
Wen et al. | Investigation of phase diagram and electrical properties of x Pb (Mg 1/3 Nb 2/3) O 3–(1− x) Pb (Zr 0.4 Ti 0.6) O 3 ceramics | |
Peng et al. | Dielectric relaxation behavior of Mn-modified Ca0. 9Pr0. 05 [] 0.05 Bi2Nb2O9–based high temperature piezoceramics | |
Li et al. | Enhanced piezoelectric properties and electrocaloric effect in novel lead‐free (Bi0. 5K0. 5) TiO3‐La (Mg0. 5Ti0. 5) O3 ceramics | |
Liu et al. | Effects of sintering temperature and KBT content on microstructure and electrical properties of (Bi. 5Na. 5) TiO3-BaTiO3-(Bi. 5K. 5) TiO3 Pb-free ceramics | |
Bah et al. | Crystal growth and piezoelectric properties of lead-free based K0. 5Na0. 5NbO3 by the floating zone method | |
Wu et al. | Investigation on resonant vibration performances of Fe‐doped BiScO3–PbTiO3 ceramics in high‐temperature environment | |
Lan et al. | Phase evolution and relaxor behavior of BiScO 3–PbTiO 3–0.05 Pb (Yb 1/2 Nb 1/2) O 3 ternary ceramics | |
Li et al. | Textured CaBi4Ti4O15 ceramics with large piezoelectricity, excellent thermal stability and high resistivity | |
Andryushin et al. | Features of the structure and macro responses in hard ferro piezoceramics based on the PZT system | |
Hajjaji et al. | Temperature/electric field scaling in Ferroelectrics | |
Li et al. | Large pyroelectricity via engineered ferroelectric‐relaxor phase boundary | |
Gai et al. | The effect of (Li, Ce) doping in Aurivillius phase material (Na0. 52K0. 42Li0. 06) 0.5 Bi2. 5 (Nb1. 88Sb0. 06Ta0. 06) O9 | |
Yao et al. | Pyroelectric properties of calcium doped strontium barium niobate ceramics Sr 0.65− x Ca x Ba 0.35 Nb 2 O 6 (x= 0.05–0.425) |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170818 |