RU2551666C2 - High-voltage generator and method of its manufacture - Google Patents
High-voltage generator and method of its manufacture Download PDFInfo
- Publication number
- RU2551666C2 RU2551666C2 RU2013138484/28A RU2013138484A RU2551666C2 RU 2551666 C2 RU2551666 C2 RU 2551666C2 RU 2013138484/28 A RU2013138484/28 A RU 2013138484/28A RU 2013138484 A RU2013138484 A RU 2013138484A RU 2551666 C2 RU2551666 C2 RU 2551666C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plate
- plates
- inertial mass
- values
- compressive strength
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно: к пьезоэлектронике, преобразователям механической энергии в электрическую энергию, к источникам электрического заряда высокого напряжения на основе пьезокерамики.The invention relates to electronic equipment, and more specifically: to piezoelectronics, converters of mechanical energy into electrical energy, to sources of high voltage electric charge based on piezoceramics.
Известны пьезоэлектрические приборы - преобразователи механической энергии в электрическую энергию. Преобразование энергии за счет деформации пьезокерамического элемента, состоящего из поляризованной сегнетоэлектрической керамики, происходит в пьезоэлектрических датчиках (В.В. Янчич. Пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи. Ростов-на-Дону, Издательство «ЮФУ», 2010), а в бытовых приборах - пьезозажигалках - образуется высоковольтный разряд. При продольной, относительно вектора остаточной поляризованности, деформации сжатия-растяжения пьезокерамического элемента под действием силы, приложенной нормально к плоскостям электродов, согласно определению пьезоэффекта, на электродах возникает заряд.Piezoelectric devices are known - converters of mechanical energy into electrical energy. Energy conversion due to deformation of a piezoelectric ceramic element consisting of polarized ferroelectric ceramics occurs in piezoelectric sensors (VV Yanchich. Piezoelectric vibration transducers. Rostov-on-Don, Publishing House "SFU", 2010), and in household appliances - piezo lighters a high voltage discharge is formed. With a longitudinal, relative to the residual polarization vector, compression-tension strain of the piezoelectric ceramic element under the action of a force applied normally to the planes of the electrodes, according to the definition of the piezoelectric effect, a charge arises on the electrodes.
Известны взрывные генераторы для метеорологического применения, преобразующие механическую энергию ударной волны, распространяющейся в рабочем теле, в высоковольтную электрическую энергию (Прищепенко А.Б., Третьяков Д.В., Щелкачев М.В. Баланс энергии взрывного пьезоэлектрического генератора частоты. Труды конференции «Мегагаусная и мегаамперная технология применения», г. Саров, ВНИИЭФ, 1997, с. 954÷958). Основным элементом таких генераторов является рабочее тело, выполненное как пакет из n пластин поляризованного сегнетоэлектрического материала с нанесенными на них токопроводящими поверхностями. Ударная волна в рабочем теле формируется специальным зарядом взрывчатого вещества. Достоинствами рассматриваемых устройств являются компактность и полная автономность от внешних источников энергии.Explosive generators for meteorological applications are known that convert the mechanical energy of a shock wave propagating in a working medium into high-voltage electric energy (Prishchepenko AB, Tretyakov DV, Shchelkachev MV Energy balance of an explosive piezoelectric frequency generator. Conference proceedings “ Mega-house and mega-ampere technology of application ”, Sarov, VNIIEF, 1997, pp. 954 ÷ 958). The main element of such generators is a working fluid made as a package of n plates of polarized ferroelectric material with conductive surfaces deposited on them. The shock wave in the working fluid is formed by a special explosive charge. The advantages of the considered devices are compactness and complete autonomy from external energy sources.
Взрывная ударная волна имеет большую интенсивность, и доминирующим процессом при конверсии механической энергии ударной волны в электрическую энергию является процесс перехода сегнетоэлектрического состояния в параэлектрическое.An explosive shock wave has a high intensity, and the dominant process in the conversion of the mechanical energy of the shock wave to electrical energy is the transition of the ferroelectric state to the paraelectric state.
Ток источника iЭ и возникающий заряд Q, в предположении о линейности свойств материала рабочего тела, могут быть оценены по формулам:The source current i E and the resulting charge Q, assuming the linearity of the properties of the material of the working fluid, can be estimated by the formulas:
где: n - число пластин сегнетоэлектрического материала с нанесенными на них токопроводящими поверхностями;where: n is the number of plates of a ferroelectric material coated with conductive surfaces;
ΔР - скачок поляризации на фронте ударной волны;ΔР is the polarization jump at the front of the shock wave;
uЭ - скорость движения фронта ударной волны, uЭ приравнивают к скорости звука в рабочем теле;u e - the velocity of the front of the shock wave, u e equate to the speed of sound in the working fluid;
SЭ - площадь контактных поверхностей сегнетоэлектрического рабочего тела;S E - the area of the contact surfaces of the ferroelectric working fluid;
δ=nh - путь ударной волны по сегнетоэлектрическому рабочему телу;δ = nh is the path of the shock wave along the ferroelectric working fluid;
h - расстояние между контактными поверхностями сегнетоэлектрических пластин;h is the distance between the contact surfaces of the ferroelectric plates;
t=δ/uЭ - время протекания тока.t = δ / u e is the current flow time.
Известный взрывной пьезогенератор (патент РФ №2154888, прототип) содержит генератор ударной волны, пьезоэлектрический преобразователь энергии ударной волны в электрическую энергию, выполненный в виде одной пьезопластины с электродами на двух противоположных гранях, параллельных направлению распространения ударной волны.Known explosive piezoelectric generator (RF patent No. 2154888, prototype) contains a shock wave generator, a piezoelectric transducer of shock wave energy into electrical energy, made in the form of a single piezoelectric plate with electrodes on two opposite sides parallel to the direction of propagation of the shock wave.
К недостаткам данных конструкций высоковольтного генератора относятся:The disadvantages of these designs of a high-voltage generator include:
- наличие во взрывных генераторах взрывчатого вещества и сопутствующей ему системы инициализации для создания ударной волны;- the presence in explosive generators of explosive and the accompanying initialization system to create a shock wave;
- наличие источника электрической энергии (аккумулятора, батарейки) и электронной начинки для образования высокого напряжения;- the presence of a source of electrical energy (battery, battery) and electronic filling for the formation of high voltage;
- относительно малые значения возникающего заряда в единице объема рабочего тела при необходимости создания высоких значений разности потенциалов между нанесенными на пластины токопроводящими поверхностями.- relatively small values of the emerging charge in a unit volume of the working fluid when it is necessary to create high values of the potential difference between the conductive surfaces deposited on the plates.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является, при сохранении достоинств (компактности и полной автономности), достижение технического результата, заключающегося:The problem to which this invention is directed, is, while maintaining the advantages (compactness and complete autonomy), achieving a technical result, which consists in:
- в создании высоковольтного генератора, исключающего наличие взрывчатого вещества, преобразующего работу механического удара в высоковольтную электрическую энергию с помощью рабочего тела пьезоэлектрического высоковольтного генератора под воздействием ударной волны, например, в объеме выстрела типа ВОГ-25 подствольного гранатомета типа ГП-25;- in the creation of a high-voltage generator, eliminating the presence of explosives, converting the work of mechanical shock into high-voltage electric energy using the working fluid of a piezoelectric high-voltage generator under the influence of a shock wave, for example, in the volume of a shot such as VOG-25 grenade launcher type GP-25;
- в уменьшении времени образования и увеличении значения возникающего электрического заряда в единице объема рабочего тела при высоких значениях разности потенциалов между нанесенными на пластины токопроводящими поверхностями.- to reduce the formation time and increase the value of the emerging electric charge per unit volume of the working fluid at high potential differences between the conductive surfaces deposited on the plates.
Поставленная задача решается в пьезоэлектрическом высоковольтном генераторе, состоящем из инерционной массы и пакета из пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с высокими значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения и заданной для каждой пластины прочностью на сжатие, механически соединенных последовательно так, что возникающие в пластинах при ударе механические напряжения суммируются, а электрически соединенных параллельно так, что суммируются возникающие в пластинах электрические заряды с одинаковой разностью потенциалов, для чего расстояния между нанесенными на пластины токопроводящими поверхностями устанавливают такими, чтобы их значения, умноженные на значения механического напряжения и пьезоэлектрического коэффициента напряжения, были одинаковы для каждой пластины в пакете, причем рабочее тело подвергается воздействию ударной волны; и размещаемом, например, в объеме выстрела типа ВОГ-25 подствольного гранатомета типа ГП-25.The problem is solved in a piezoelectric high-voltage generator, consisting of an inertial mass and a package of plates of polarized composite ferroelectric materials with high values of the piezoelectric stress coefficient and the compressive strength specified for each plate, mechanically connected in series so that the mechanical stresses arising in the plates upon impact are summed, and electrically connected in parallel so that the electrical charges arising in the plates are summed pounds with the same potential difference, for which the distances between the conductive surfaces deposited on the plates are set such that their values multiplied by the values of the mechanical stress and the piezoelectric voltage coefficient are the same for each plate in the stack, and the working fluid is exposed to the shock wave; and placed, for example, in the volume of a shot such as VOG-25 grenade launcher type GP-25.
Заявляемый высоковольтный генератор и свойства составляющих его элементов иллюстрируются Фиг. 1 и 2, Табл. 1.The inventive high voltage generator and the properties of its constituent elements are illustrated in FIG. 1 and 2, tab. one.
Фиг. 1а - Механическая схема пьезоэлектрического высоковольтного генератора.FIG. 1a - Mechanical diagram of a piezoelectric high voltage generator.
Фиг. 16 - Электрическая схема пьезоэлектрического высоковольтного генератора.FIG. 16 - Electrical diagram of a piezoelectric high voltage generator.
Фиг. 1в - Габаритные размеры выстрела ВОГ-25.FIG. 1c - Overall dimensions of the VOG-25 shot.
M0 - инерционная масса.M 0 - inertial mass.
1÷6 - пластины плотностью ρk поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с повышенными значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения и заданной для каждой - k-й пластины прочностью на сжатие 1 ÷ 6 - plates with a density ρ k of polarized composite ferroelectric materials with increased values of the piezoelectric voltage coefficient and specified for each - k-th plate compressive strength
7 - электроды,7 - electrodes,
8 - монтажная лента из серебра,8 - mounting tape made of silver,
9 - закладные детали - электроды токосъемников,9 - embedded parts - electrodes of current collectors,
10 - корпус из пористого полимерного материала,10 - the body of a porous polymeric material,
11 - направление поляризации каждой пластины,11 is the direction of polarization of each plate,
- направление движения генератора при уларе, - the direction of movement of the generator with ular,
- направление сил сжатия (инерции) при ударе. - direction of compression forces (inertia) upon impact.
Фиг. 2 Зависимости свойств пьезокерамики с закрытой пористостью (связности 3-0) от пористости.FIG. 2 Dependences of the properties of piezoceramics with closed porosity (3-0 connectivity) on porosity.
Фиг. 2а. Зависимость пьезомодулей d от пористости Р пьезокерамики с закрытой пористостью.FIG. 2a. Dependence of piezoelectric modules d on porosity P of piezoelectric ceramics with closed porosity.
d33 - продольный пьезомодуль;d 33 is a longitudinal piezoelectric module;
dv - объемный пьезомодуль;d v - volumetric piezoelectric module;
d31 - поперечный пьезомодуль.d 31 - transverse piezoelectric module.
Фиг. 2б. Зависимость диэлектрической проницаемости
Фиг. 2в. Зависимость прочности на сжатие ТСЖ от пористости Р пьезокерамики с закрытой пористостью.FIG. 2c. Dependence of compressive strength T SJ on porosity P of piezoelectric ceramics with closed porosity.
Таблица 1. Характеристики свойств пьезопластин рабочего тела высоковольтного генератора.Table 1. Characteristics of the properties of the piezoelectric plates of the working fluid of a high-voltage generator.
Таблица 2. Характеристики свойств пластин рабочего тела, изготовленных из поляризованного сегнетоэлектрического материала.Table 2. Characteristics of the properties of the plates of the working fluid made of polarized ferroelectric material.
k - порядковый номер пластины;k is the serial number of the plate;
Pk - пористость k-й пластины, %;P k is the porosity of the k-th plate,%;
ρk - плотность k-й пластины, кг/м3;ρ k is the density of the k-th plate, kg / m 3 ;
hk - расстояние между токопроводящими поверхностями k-й пластины, м;h k is the distance between the conductive surfaces of the k-th plate, m;
Qk - заряд, возникающий в k-й пластине, Кл;Q k is the charge arising in the k-th plate, C;
Uk - разность потенциалов зарядов на токопроводящих поверхностях k-й пластины;U k is the potential difference of the charges on the conductive surfaces of the k-th plate;
Хk - концентрация вводимого порообразователя для k-й пластины с заданной прочностью на сжатие, мас. %. В поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалах связности 3-0, которым соответствует керамика с закрытой пористостью, при повышении ее пористости Р от ≈0 до ≈50% пьезомодуль d33 практически не изменяется, а диэлектрическая проницаемость
где
Характеристики «беспористой» керамики, соответствующей спеченным без порообразователя образцам, приведены в строке 1 Таблицы 1 и отражены на Фиг. 2.The characteristics of the “non-porous” ceramic corresponding to the samples sintered without a blowing agent are shown in row 1 of Table 1 and are shown in FIG. 2.
В предлагаемой конструкции высоковольтного генератора (Фиг. 1а), размещаемого, например, в объеме выстрела типа ВОГ-25 (Фиг. 1в), рабочее тело представляет собой инерционную массу М0 и пакет из n пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов (Фиг. 1б) плотностью ρk с высокими значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения и заданной для каждой - k-й пластины прочностью на сжатие
Характеристики k-й пластины высоковольтного генератора согласно выявленным и ранее представленным экспериментальным закономерностям и константам описываются следующими формуламиThe characteristics of the k-th plate of the high-voltage generator according to the identified and previously presented experimental laws and constants are described by the following formulas
Пластины в пакете соединяют механически последовательно так, что механические напряжения
- для «верхней», n-й пластины (k=n)- for the “upper”, nth plate (k = n)
- для k-й пластины- for the k-th plate
где а - ускорение высоковольтного генератора при ударе;where a is the acceleration of the high-voltage generator upon impact;
Sn - площадь контактной поверхности «верхней», n-й пластины.S n is the contact surface area of the “upper”, nth plate.
Приравняв для k-й пластины значение
Электрически пластины соединены параллельно так, что суммируются возникающие электрические заряды с одинаковой разностью потенциалов для чего величины расстояния hk определяют из условия постоянства произведения для каждой пластины.The plates are electrically connected in parallel so that the resulting electric charges with the same potential difference are summed why the distance h k is determined from the condition of constancy of the product for each plate.
Максимальное время возникновения зарядов с одинаковой разностью потенциалов Uk может быть оценено как время прохождения ударной волны (волны сжатия) по пластине с максимальным значением hk, что существенно меньше времени прохождения волны сжатия последовательно по всем пластинам.The maximum time of occurrence of charges with the same potential difference U k can be estimated as the time of passage of a shock wave (compression wave) through a plate with a maximum value of h k , which is significantly less than the time of passage of a compression wave in series across all plates.
При значениях ускорения, обусловливающего превышение прочности на сжатие, процесс конверсии механической энергии сжатия в электрическую энергию происходит одновременно во всех пластинах рабочего тела и сопровождается скачком поляризации на фронте волны сжатия при переходе сегнетоэлектрического состояния в параэлектрическое.With the values of the acceleration causing the excess of compressive strength, the process of converting the mechanical compression energy into electrical energy occurs simultaneously in all plates of the working fluid and is accompanied by a jump in polarization at the front of the compression wave upon transition of the ferroelectric state to the paraelectric state.
Увеличение значения возникающего электрического заряда в единице объема рабочего тела при высоких значениях разности потенциалов между нанесенными на пластины токопроводящими поверхностями следует из зависимостей на Фиг. 2а) и 2б).An increase in the value of the electric charge arising in a unit volume of the working fluid at high values of the potential difference between the conductive surfaces deposited on the plates follows from the dependences in FIG. 2a) and 2b).
На Фиг. 2а) схематично приведены зависимости пьезомодулей d33, и d31 и dv от пористости Р. Если значения поперечного пьезомодуля d31 с увеличением пористости уменьшаются, объемного пьезомодуля dv растет, то величина продольного пьезомодуля d33, который определяет заряд, практически остается неизменной, а значение коэффициента напряжения, пропорциональное отношению с увеличением пористости увеличивается.In FIG. 2a) schematically shows the dependences of the piezoelectric modules d 33 , and d 31 and d v on the porosity P. If the values of the transverse piezomodule d 31 decrease with increasing porosity, the volume piezomodule d v grows, then the longitudinal piezomodule d 33 , which determines the charge, remains practically unchanged , and the value of the voltage coefficient proportional to the ratio with increasing porosity increases.
Таким образом, отличительным признаком высоковольтного генератора, преобразующего энергию ударной волны механического сжатия в электрическую энергию, является рабочее тело, подвергаемое воздействию ударной волны, например, в объеме выстрела типа ВОГ-25 подствольного гранатомета типа ГП-25, представляющее собой инерционную массу и пакет из пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с высокими значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения и заданной для каждой пластины прочностью на сжатие, механически соединенных последовательно так, что возникающие в пластинах при ударе механические напряжения суммируются, а электрически соединенных параллельно так, что суммируются возникающие в пластинах электрические заряды с одинаковой разностью потенциалов, для чего расстояния между нанесенными на пластины токопроводящими поверхностями устанавливают такими, чтобы их значения, умноженные на значения механического напряжения и пьезоэлектрического коэффициента напряжения, были одинаковы для каждой пластины в пакете.Thus, a distinguishing feature of a high-voltage generator that converts the energy of a shock wave of mechanical compression into electrical energy is a working fluid exposed to a shock wave, for example, in the volume of a shot of the VOG-25 type of a grenade launcher of the GP-25 type, which is an inertial mass and a packet of plates of polarized composite ferroelectric materials with high values of the piezoelectric voltage coefficient and the compressive strength specified for each plate, mechan connected in series so that the mechanical stresses arising in the plates upon impact are summed up, and electrically connected in parallel so that the electric charges arising in the plates are combined with the same potential difference, for which the distances between the conductive surfaces deposited on the plates are set so that their values multiplied The values of mechanical stress and piezoelectric stress coefficient were the same for each plate in the package.
Указанная совокупность отличительных признаков изобретения позволяет достичь технического результата, заключающегося в:The specified set of distinctive features of the invention allows to achieve a technical result, consisting in:
- создании пьезоэлектрического высоковольтного генератора заряда, например, в объеме выстрела типа ВОГ-25 подствольного гранатомета типа ГП-25, преобразующего работу механического напряжения сжатия, возникающего при ударе генератора, в электрическую энергию и исключающего наличие взрывчатого вещества;- creating a piezoelectric high-voltage charge generator, for example, in the volume of a VOG-25 type shot of a GP-25 type under-barrel grenade launcher, which converts the work of the mechanical compression stress arising upon impact of the generator into electrical energy and eliminates the presence of explosive;
- уменьшении времени образования и увеличении значения возникающего электрического заряда в единице объема рабочего тела при высоких значениях разности потенциалов между нанесенными на пластины токопроводящими поверхностями.- reducing the time of formation and increasing the value of the arising electric charge per unit volume of the working fluid at high values of the potential difference between the conductive surfaces deposited on the plates.
Образование электрического заряда происходит одновременно во всех пластинах и может быть оценено по времени прохождения волны сжатия по пластине с наибольшим расстоянием между токопроводящими поверхностями. Разности потенциалов зарядов на токопроводящих поверхностями пластин одинаковы и равны The formation of an electric charge occurs simultaneously in all plates and can be estimated from the time the compression wave propagates through the plate with the largest distance between the conductive surfaces. The potential differences of the charges on the conductive surfaces of the plates are the same and equal
Способ изготовления заявляемого высоковольтного генератора. Технологический процесс изготовления высоковольтных генераторов включает изготовление:A method of manufacturing the inventive high voltage generator. The manufacturing process of high-voltage generators includes the manufacture of:
- пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с высокими значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения и заданной для каждой пластины прочностью на сжатие;- plates of polarized composite ferroelectric materials with high values of the piezoelectric voltage coefficient and the compressive strength specified for each plate;
- пакетов из пластин, механически соединенных последовательно (в столбик) так, что возникающие в пластинах при ускорении механические напряжения суммируются, а электрически соединенных параллельно так, что суммируются возникающие в пластинах электрические заряды;- packages of plates mechanically connected in series (in a column) so that the mechanical stresses arising in the plates during acceleration are added up, and electrically connected in parallel so that the electric charges arising in the plates are summed;
- сборку высоковольтного генератора в корпусе из пористого полимерного материала, включая сборку рабочего тела из инерционной массы и пакета пластин, а также токосъемников, в корпусе из пористого полимерного материала.- assembly of a high-voltage generator in a housing made of porous polymeric material, including assembly of a working fluid from an inertial mass and a package of plates, as well as current collectors, in a housing made of porous polymeric material.
Процесс изготовления пластин из пористой пьезокерамики для генераторов начинается с приготовления партий смесей пресс-порошка синтезированного материала и порошка порообразователя, например, кукурузного крахмала или метилцеллюлозы. Пресс-порошок синтезированного материала, например ЦТС-46, изготавливается из порошка синтезированного материала, имеющего суммарную удельную поверхность в пределах (1±0,1) м2/г по прибору ПСХ-4, а размер зерен порошков органического порообразователя, например из метилцеллюлозы, Ø=6±1 мкм. Для каждой пластины партию смеси готовят отдельно в аппаратах смешения вихревого слоя (ABC), где хаотическое движение магнитных рабочих тел, например стальных иголок для патефонов, определяется вращающимся магнитным полем статора трехфазного электродвигателя. Объемное содержание порообразователя в смеси закладывается при загрузке и контролируется по величине насыпного веса смеси.The process of manufacturing plates of porous piezoceramics for generators begins with the preparation of batches of mixtures of press powder of synthesized material and powder of a pore former, for example, corn starch or methyl cellulose. Press powder of the synthesized material, for example, ZTS-46, is made from a powder of synthesized material having a total specific surface area of (1 ± 0.1) m 2 / g according to the PSX-4 instrument, and the grain size of the organic blowing agent powders, for example, from methyl cellulose , Ø = 6 ± 1 μm. For each plate, a batch of the mixture is prepared separately in the vortex layer mixing apparatus (ABC), where the random movement of magnetic working bodies, for example steel needles for gramophones, is determined by the rotating magnetic field of the stator of a three-phase electric motor. The volumetric content of the blowing agent in the mixture is laid during loading and is controlled by the bulk density of the mixture.
Прессование партий смесей порошков производят в пресс-формах, размеры которых учитывают усадку при спекании до 45% и необходимые припуски на механическую обработку.Pressing batches of powder mixtures is carried out in molds, the dimensions of which take into account shrinkage during sintering up to 45% and the necessary allowances for machining.
Спекание заготовок проводят в свинецсодержащей засыпке по специальному температурно-временному режиму, в котором предусматривается подъем температуры со скоростью 25±3°C/ч, выдержка при температуре 450±10°C в течение 2,0±0,1 часа для выжигания связки и порошка порообразователя; спекание проводят при температуре 980±10°C в течение 3 часов.Sintering of the preforms is carried out in a lead-containing backfill according to a special temperature-time regime, which provides for a temperature rise at a rate of 25 ± 3 ° C / h, exposure at a temperature of 450 ± 10 ° C for 2.0 ± 0.1 hours to burn the binder and blowing agent powder; sintering is carried out at a temperature of 980 ± 10 ° C for 3 hours.
Спеченные заготовки шлифуют по диаметру и, как чисто по плоскости, с припуском по высоте до 5 мм.Sintered blanks are ground in diameter and, as clean as in a plane, with an allowance of up to 5 mm in height.
На шлифованных заготовках определяют плотность геометрически как отношение массы к объему (взвешивание на весах с погрешностью не более 0,1%, определение размеров штангенциркулем с ценой деления 0,01 мм. Итоговая погрешность определения плотности оценивается как не превышающая 1,0%. Из шлифованных заготовок выборочно, до 10% от каждой партии, изготавливают пробники, определяют электрофизические параметры и подвергают сдавливанию на гидравлическом прессе, определяя прочность на сжатие.On polished billets, density is determined geometrically as the ratio of mass to volume (weighing on a scale with an error of not more than 0.1%, sizing with a caliper with a division value of 0.01 mm. The final error in determining the density is estimated as not exceeding 1.0%. Of polished samples are sampled, up to 10% of each batch, samplers are made, electrophysical parameters are determined and subjected to compression by a hydraulic press, determining the compressive strength.
Заготовки партий с разной плотностью (пористостью) шлифуют в размер по высоте, определяемый на пробниках, в соответствии с вычисленными значениями.Billets of batches with different densities (porosity) are ground to a height size determined on the probes in accordance with the calculated values.
Металлизацию плоских поверхностей пористых заготовок проводят традиционным способом, с нанесением серебросодержащей пасты через шелкотрафарет с закраинами и с вжиганием серебросодержащей пасты при значении пористости до 25%, когда пористость носит закрытый характер. На заготовках с открытой (сквозной) пористостью (больше 25%) вжиганием серебра металлизируют только контактные площадки, а затем напыляют через маску с закраинами серебро на все плоские поверхности.The metallization of the flat surfaces of porous preforms is carried out in the traditional way, by applying a silver-containing paste through a silk-screen with edges and by burning silver-containing paste with a porosity value of up to 25%, when the porosity is closed. On billets with open (through) porosity (more than 25%), only contact pads are metallized by burning silver, and then silver is sprayed through a mask with edges on all flat surfaces.
Поляризацию заготовок проводят по режимам, подобранным на пробниках, например при температуре 120±3°C и напряженности поля 2,0±0,1 кВ/мм в течение часа.The polarization of the blanks is carried out according to the modes selected on the probes, for example, at a temperature of 120 ± 3 ° C and a field strength of 2.0 ± 0.1 kV / mm for an hour.
Описанный способ использует известные технологии, но не обеспечивает изготовление пластин с требуемым набором параметров.The described method uses well-known technologies, but does not provide the manufacture of plates with the required set of parameters.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является достижение технического результата, заключающегосяThe problem to which this invention is directed, is to achieve a technical result, which consists
в обеспечении технологических возможностей изготовления пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с высокими значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения и заданной для каждой пластины прочностью на сжатие с такими расстояниями между нанесенными на пластины токопроводящими поверхностями, чтобы их значения, умноженные на значения механического напряжения и пьезоэлектрического коэффициента напряжения, были одинаковы для каждой партии пластин.in providing technological capabilities for manufacturing plates of polarized composite ferroelectric materials with high values of the piezoelectric stress coefficient and the compressive strength specified for each plate with such distances between the conductive surfaces deposited on the plates so that their values multiplied by the values of mechanical stress and piezoelectric voltage coefficient are the same for each batch of plates.
Поставленная задача решается при использовании способа изготовления пьезоэлектрических высоковольтных генераторов, состоящих из корпуса из пористого полимерного материала с закладными электродами токосъемников и рабочего тела, включающего инерционную массу и пакет из пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с высокими значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения и заданной для каждой пластины прочностью на сжатие, причем изготовление каждой партии пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с заданной прочностью на сжатие включает операции: - приготовления пресс-порошка синтезированного материала, приготовления смеси пресс-порошка синтезированного материала и порообразователя, прессования из смеси заготовок и их высокотемпературной обработки (спекания), механической обработки, металлизации, поляризации и измерения параметров, отличающегося тем, что:The problem is solved when using the method of manufacturing piezoelectric high-voltage generators, consisting of a body of porous polymeric material with embedded electrodes of current collectors and a working fluid, including an inertial mass and a package of plates of polarized composite ferroelectric materials with high values of the piezoelectric voltage coefficient and the specified strength for each plate compression, and the manufacture of each batch of polarized composite plates ferroelectric materials with a given compressive strength include operations: - preparation of a press powder of synthesized material, preparation of a mixture of press powder of synthesized material and a blowing agent, pressing from a mixture of billets and their high-temperature processing (sintering), machining, metallization, polarization and measurement of parameters, characterized in that:
- партия смеси пресс-порошка с порообразователем для k-й пластины с заданной прочностью на сжатие
где
ρn/об - плотность порообразователя, ρn/об=1,2 г/см3;ρ n / rev - pore former density, ρ n / rev = 1.2 g / cm 3 ;
ρрг - рентгеновская плотность пьезокерамического материала, ρрг=8,02 г/см3;ρ rg is the x-ray density of the piezoceramic material, ρ rg = 8.02 g / cm 3 ;
ρпр - плотность прессовки, ρпр=5,2 г/см3;ρ CR - the density of the compact, ρ CR = 5.2 g / cm 3 ;
a Pk вычисляется из зависимостиa P k is calculated from the dependence
где
а - ускорение при ударе a=(1,3÷1,5)·106 м/с2;a - acceleration upon impact a = (1.3 ÷ 1.5) · 10 6 m / s 2 ;
ρ1 - плотность «беспористой» керамики первой, наиболее удаленной от инерционной массы, пластины, ρ1=7,8·103 кг/м3;ρ 1 — density of the “non-porous” ceramic of the first plate farthest from the inertial mass, ρ 1 = 7.8 · 10 3 kg / m 3 ;
ρk - плотность k-й пластины ρk=ρрг·(1-Pk/100),ρ k - density of the k-th plate ρ k = ρ rg · (1-P k / 100),
hk - расстояние между нанесенными на пластину токопроводящими поверхностями, h k is the distance between the conductive surfaces deposited on the plate,
- UK - разность потенциалов зарядов на токопроводящих поверхностях пластин Uk≈105 В;- U K is the potential difference of the charges on the conductive surfaces of the plates U k ≈10 5 V;
а все данные сводятся в рабочую Таблицу 1, значения параметров в которой проверяют на пробниках;and all the data is summarized in a working Table 1, the values of the parameters in which are checked on probes;
для первой, наиболее удаленной от инерционной массы пластины, значения параметров приведены в первой строчке Таблицы 1, причем параметры инерционной массы определяются из формул:for the first plate farthest from the inertial mass of the plate, the parameter values are given in the first row of Table 1, and the inertial mass parameters are determined from the formulas:
где: ρ0 - плотность инерционной массы,where: ρ 0 is the density of the inertial mass,
h0 - высота инерционной массы,h 0 - the height of the inertial mass,
Sn - площадь контактной поверхности «верхней», n-й пластины.S n is the contact surface area of the “upper”, nth plate.
Примеры расчетов при изготовлении пьезоэлектрических высоковольтных генераторов.Examples of calculations in the manufacture of piezoelectric high-voltage generators.
Ускорение а, возникающее в пластинах при ударе высоковольтного генератора оценивается а=(1,2÷1,5)106 м/с2(~105 g).The acceleration a arising in the plates upon impact of a high-voltage generator is estimated as a = (1.2 ÷ 1.5) 10 6 m / s 2 (~ 10 5 g).
Пример 1. Пьезоэлектрический высоковольтный генератор для преобразования механической энергии удара в электрическую, в котором рабочее тело представляет собой инерционную массу М0 и пакет из пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов, причем каждой пластине соответствуют свои значения плотности, прочности на сжатие и диэлектрической проницаемости.Example 1. A piezoelectric high-voltage generator for converting mechanical impact energy into electrical energy, in which the working fluid is an inertial mass M 0 and a packet of plates of polarized composite ferroelectric materials, each plate having its own values of density, compressive strength, and dielectric constant.
Пьезоэлектрический высоковольтный генератор преобразует работу механического напряжения сжатия, возникающего при ударе генератора с ускорением a=1,282·106 м/с2, в электрическую энергию с разностью потенциалов зарядов на токопроводящих поверхностях пластин Uk=105 В.A piezoelectric high-voltage generator converts the work of the mechanical compression stress arising upon impact of the generator with acceleration a = 1.282 · 10 6 m / s 2 into electrical energy with the potential difference of the charges on the conductive surfaces of the plates U k = 10 5 V.
Ускорению a=1,282·106 м/с2 соответствует изменение скорости генератора с 70 м/с до нуля на расстоянии L=1,9·10-3 м за 5,46·10-5 с. Acceleration a = 1.282 · 10 6 m / s 2 corresponds to a change in the generator speed from 70 m / s to zero at a distance L = 1.9 · 10 -3 m in 5.46 · 10 -5 s.
Габаритные размеры прибора: диаметр D=38 мм, высота h<65 мм.Overall dimensions of the device: diameter D = 38 mm, height h <65 mm.
Эти габаритные размеры удовлетворяют посадочным размерам выстрела типа ВОГ-25 подствольного гранатомета типа ГП-25 (Фиг. 1в).These overall dimensions satisfy the landing dimensions of a shot of the VOG-25 type under-barrel grenade launcher of the GP-25 type (Fig. 1c).
Характеристики поляризованного композиционного «беспористого» сегнетоэлектрического материала при значении пористости Р1≈0-2,7%:Characteristics of a polarized composite “non-porous” ferroelectric material with a porosity value of P 1 ≈0-2.7%:
предел механической прочности при сжатии
Значения прочности на сжатие и диэлектрической проницаемости каждой из пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов при значениях пористости Pk в диапазоне 0≤Pk≤30% определяют по формулам (3), (4) и (5).The values of compressive strength and permittivity of each of the plates of polarized composite ferroelectric materials with porosity values P k in the
Возникающие в пластинах при ускорении a механические напряжения суммируются, и их максимальные значения в пластинах составляют:The mechanical stresses arising in the plates during acceleration a are added up, and their maximum values in the plates are:
- для «верхней», n-й пластины (k=n)- for the “upper”, nth plate (k = n)
- для k-й пластины- for the k-th plate
для первой, нижней, пластиныfor the first bottom plate
В то же время для первой пластины максимальное значение
Для получения разности потенциалов Uk=105 В в первой пластине, при пористости Р1≈0-2,7%, расстояние h1 между токопроводящими поверхностями составит:To obtain the potential difference U k = 10 5 V in the first plate, with a porosity of P 1 ≈0-2.7%, the distance h 1 between the conductive surfaces will be:
Заряд Charge
Для второй пластиныFor the second plate
Это значение предела прочности на сжатие, в соответствии с формулой (5), характеризует композит с пористостью Р2=8,2%, для которого основные параметры, в соответствии с формулой (3), определяются как: This value of the compressive strength, in accordance with formula (5), characterizes a composite with a porosity of P 2 = 8.2%, for which the main parameters, in accordance with formula (3), are defined as:
d33=500·10-12 Кл/Н;d 33 = 500 · 10 -12 C / N;
Для получения разности потенциалов зарядов на токопроводящих поверхностях пластин Uk=105 В расстояние h2 между токопроводящими поверхностями второй пластины поляризованного композиционного материала с пористостью Р2≈8,2% будет равноTo obtain the potential difference of the charges on the conductive surfaces of the plates U k = 10 5 V, the distance h 2 between the conductive surfaces of the second plate of a polarized composite material with a porosity of P 2 ≈ 8.2% will be equal to
Заряд Charge
Для третьей и последующих пластин вычисления проводят аналогично, их результаты приведены в Таблице 1.For the third and subsequent plates, the calculations are carried out similarly, their results are shown in Table 1.
Число пластин в приборе ограничено до 6, так как пористость пластины №7 будет более 30% и выходит за пределы действия формул (3), (4) и (5).The number of plates in the device is limited to 6, since the porosity of plate No. 7 will be more than 30% and goes beyond the action of formulas (3), (4) and (5).
Механическое напряжение, действующее на поверхность 6-й пластины, равное 3,56·108 Па, соответствует инерционной массе М0=0,315 кг, которую может создать слой материала высотой в 35,6 мм при плотности 7800 кг/м3.The mechanical stress acting on the surface of the 6th plate, equal to 3.56 · 10 8 Pa, corresponds to the inertial mass M 0 = 0.315 kg, which can create a layer of material with a height of 35.6 mm at a density of 7800 kg / m 3 .
Общая высота рассматриваемого прибора, без учета толщины электродов, 64,4 мм, что соответствует поставленным условиям.The total height of the device in question, excluding the thickness of the electrodes, is 64.4 mm, which corresponds to the set conditions.
На Фиг. 1 приведена схема прибора по рассматриваемому примеру 1.In FIG. 1 shows a diagram of the device according to example 1.
- направление векторов скорости и механического напряжения. - direction of the vectors of speed and mechanical stress.
Пример 2. Пьезоэлектрический прибор для преобразования механической энергии в электрическую, отличающийся тем, что его рабочее тело представляет собой инерционную массу М0 и пакет из пластин «беспористого» поляризованного сегнетоэлектрического материала.Example 2. A piezoelectric device for converting mechanical energy into electrical energy, characterized in that its working fluid is an inertial mass M 0 and a packet of wafers of a “non-porous” polarized ferroelectric material.
Пьезоэлектрический прибор преобразует работу механического напряжения сжатия, возникающего при ускорении прибора а=1,282·106 м/с2, в электрическую энергию с разностью потенциалов зарядов на токопроводящих поверхностях пластин Uk=105 В.A piezoelectric device converts the work of the mechanical compression stress arising upon acceleration of the device a = 1.282 · 10 6 m / s 2 into electrical energy with a potential difference of charges on the conductive surfaces of the plates U k = 10 5 V.
Характеристики поляризованного сегнетоэлектрического материала одинаковы для всех пластин прибора:The characteristics of the polarized ferroelectric material are the same for all plates of the device:
d33=500·10-12 Кл/Н;d 33 = 500 · 10 -12 C / N;
ρ=7,8·103 кг/м3;ρ = 7.8 · 10 3 kg / m 3 ;
предел механической прочности при сжатии ТСЖ≥6·108 Паultimate compressive strength T SJ ≥6 · 10 8 Pa
Габаритные размеры прибора: диаметр D=38 мм, высота h<65 мм.Overall dimensions of the device: diameter D = 38 mm, height h <65 mm.
Так же, как в первом примере, возникающие в пластинах при ускорении а механические напряжения суммируются, и их максимальные значения в пластинах составляют:Just as in the first example, mechanical stresses arising in the plates during acceleration a are added up, and their maximum values in the plates are:
- для «верхней», n-й пластины- for the “upper”, nth plate
- для k-й пластины- for the k-th plate
для первой, нижней, пластиныfor the first bottom plate
Для первой пластины
Заряд Charge
Для второй пластиныFor the second plate
Так как другие параметры второй пластины идентичны параметрам первой пластины, то расстояние h2, необходимое для разности потенциалов U2=105 B, определится какSince the other parameters of the second plate are identical to the parameters of the first plate, the distance h 2 required for the potential difference U 2 = 10 5 B is defined as
Заряд для второй пластины Charge for the second plate
Аналогично определяются
(h7=0,157 м) превышают габаритные размеры прибора.(h 7 = 0.157 m) exceed the overall dimensions of the device.
Механическое напряжение, действующее на поверхность 6-й пластины, равное 0,23·108 Па, соответствует инерционной массе М0=0,02 кг, которую может создать слой материала высотой в 2,3 мм при плотности 7800 кг/м3.The mechanical stress acting on the surface of the 6th plate, equal to 0.23 · 10 8 Pa, corresponds to the inertial mass M 0 = 0.02 kg, which can create a layer of material 2.3 mm high at a density of 7800 kg / m 3 .
Общая высота рассматриваемого прибора, без учета толщины электродов,<60,1 мм, что соответствует поставленным условиям.The total height of the device in question, excluding the thickness of the electrodes, <60.1 mm, which corresponds to the set conditions.
В устройстве, рассмотренном в примере 1 (с композиционным материалом), значения возникающего электрического заряда в единице всего объема рабочего тела в 1,13 больше, чем в устройстве, рассмотренном в примере 2 (без композиционного материала). Если сравнивать объемы сегнетоэлектрических материалов, то преимущество прибора в первом примере составит 2,28 раза.In the device described in Example 1 (with composite material), the values of the electric charge arising in a unit of the total volume of the working fluid are 1.13 greater than in the device described in Example 2 (without composite material). If we compare the volumes of ferroelectric materials, then the advantage of the device in the first example will be 2.28 times.
Способ изготовленияPreparation method
Технологический процесс изготовления высоковольтного генератора включает три стадии.The manufacturing process of a high-voltage generator includes three stages.
1.) 1) Первая стадия - изготовление пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с повышенными значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения и заданной для каждой пластины прочностью на сжатие,1.) 1) The first stage is the manufacture of plates of polarized composite ferroelectric materials with increased values of the piezoelectric voltage coefficient and the compressive strength specified for each plate,
2) Вторая стадия - изготовление пакета из пластин, механически соединенных последовательно так, что возникающие в пластинах при ускорении механические напряжения суммируются, а электрически соединенных параллельно так, что суммируются возникающие в пластинах электрические заряды2) The second stage is the manufacture of a package of plates mechanically connected in series so that the mechanical stresses arising in the plates during acceleration are added up, and electrically connected in parallel so that the electric charges arising in the plates are summed
3) Третья стадия - изготовление генератора в корпусе из пористого полимерного материала, включая сборку рабочего тела из инерционной массы и пакета пластин, а также токосъемников в корпусе.3) The third stage is the manufacture of the generator in the housing from a porous polymeric material, including the assembly of the working fluid from the inertial mass and the package of plates, as well as current collectors in the housing.
1) Первая стадия - изготовление пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов1) The first stage is the manufacture of plates of polarized composite ferroelectric materials
Процесс изготовления пластин из пористой пьезокерамики включаетThe process of manufacturing plates of porous piezoceramics includes
1.1. приготовление порошка синтезированного материала, например ЦТС-46, имеющего суммарную удельную поверхность в пределах 1,0±0,1 м2/г по прибору ПСХ-4;1.1. preparation of a powder of synthesized material, for example, TsTS-46, having a total specific surface area in the range of 1.0 ± 0.1 m 2 / g according to the PSX-4 device;
1.2. приготовление пресс-порошка из порошка синтезированного материала;1.2. preparation of a press powder from a powder of synthesized material;
1.3. расчет концентрации порообразователя по формуле:1.3. calculation of the concentration of the blowing agent according to the formula:
где
Pn/об - плотность порообразователя, Pn/об=1,2 г/см3;P n / rev is the density of the blowing agent, P n / rev = 1.2 g / cm 3 ;
Pрг - рентгеновская плотность пьезокерамического материала, Ррг=8,02 г/см3;P rg is the x-ray density of the piezoceramic material, P rg = 8.02 g / cm 3 ;
Рnp - плотность прессовки, Рnp=5,2 г/см3;P np is the density of the compact, P np = 5.2 g / cm 3 ;
а Рk - пористость задается для каждой партии по значениям столбца 2 Таблицы 1 для обеспечения необходимых параметров партии пьезоэлементов.and P k - porosity is set for each batch according to the values of column 2 of Table 1 to provide the necessary parameters of the batch of piezoelectric elements.
1.4. Приготовление партий смеси порошка синтезированного материала и порообразователя в аппаратах вихревого слоя (ABC), где хаотическое движение магнитных рабочих тел, например стальных иголок для патефонов, определяется вращающимся магнитным полем статора трехфазного электродвигателя.1.4. Preparation of batches of a mixture of the powder of the synthesized material and the blowing agent in the devices of the vortex layer (ABC), where the chaotic movement of magnetic working bodies, such as steel needles for gramophones, is determined by the rotating magnetic field of the stator of a three-phase electric motor.
1.5. Прессование партий смесей порошков проводят в пресс-формах, размеры которых учитывают усадку при спекании до 20-45% и необходимые припуски на механическую обработку.1.5. Pressing batches of powder mixtures is carried out in molds, the dimensions of which take into account shrinkage during sintering up to 20-45% and the necessary allowances for machining.
1.6. Спекание заготовок проводят в свинецсодержащей засыпке по специальному температурно-временному режиму, в котором предусматриваются подъем температуры со скоростью 25±3°C/ч, выдержка при температуре 450±10°C в течение 2,0±0,1 часа для выжигания связки и порошка порообразователя; спекание при температуре 980±10°C в течение 3 часов.1.6. Sintering of the preforms is carried out in a lead-containing backfill according to a special temperature-time regime, which provides for a temperature rise at a rate of 25 ± 3 ° C / h, exposure at a temperature of 450 ± 10 ° C for 2.0 ± 0.1 hours to burn the binder and blowing agent powder; sintering at a temperature of 980 ± 10 ° C for 3 hours.
1.7. Шлифовка спеченных заготовок по диаметру в размер 38-0,1 мм и, как чисто по плоскости, с припуском по высоте до 5 мм.1.7. Grinding the sintered billets in diameter to a size of 38-0.1 mm and, as cleanly in the plane, with an allowance in height of up to 5 mm.
1.8. Определение плотности каждой партии заготовок геометрически, как отношение массы к объему, (взвешивание на весах с погрещностью не более 0,1%, определение размеров штангенциркулем с ценой деления 0,01 мм.)1.8. Determination of the density of each batch of workpieces geometrically as the ratio of mass to volume (weighing on a scale with an accuracy of not more than 0.1%, determining the size with a caliper with a division price of 0.01 mm.)
1.9. Изготовление для каждой партии пробников, определение электрофизических параметров, сдавливание на гидравлическом прессе и определение прочности на сжатие.1.9. Production of probes for each batch, determination of electrophysical parameters, compression on a hydraulic press and determination of compressive strength.
1.10. Шлифовка заготовок партий с разной плотностью (пористостью) в размер по высоте, определяемый на пробниках, в соответствии с значениями столбца 7 таблицы 1,1.10. Grinding of batch blanks with different densities (porosity) into a height dimension determined on probes, in accordance with the values of column 7 of table 1,
1.11. Металлизация плоских поверхностей пористых заготовок традиционным способом, с нанесением серебросодержащей пасты через шелко-трафарет с закраинами и с вжиганием серебросодержащей пасты при значении пористости до 25%, когда пористость носит закрытый характер. На заготовках с открытой (сквозной) пористостью (больше 25%) вжиганием серебра металлизируют только контактные площадки, а затем напыляют через маску с закраинами серебро на все плоские поверхности.1.11. Metallization of the flat surfaces of porous preforms in the traditional way, with the application of silver-containing paste through a silk-screen with edges and with the burning of silver-containing paste with a porosity value of up to 25%, when the porosity is closed. On billets with open (through) porosity (more than 25%), only contact pads are metallized by burning silver, and then silver is sprayed through a mask with edges on all flat surfaces.
1.12. Поляризация заготовок по режимам, подобранным на пробниках, например при температуре 120±3°C и напряженности поля 2±0,1 кВ/мм в течение часа.1.12. Polarization of the blanks according to the modes selected on the probes, for example, at a temperature of 120 ± 3 ° C and a field strength of 2 ± 0.1 kV / mm for an hour.
Таким образом, отличительным признаком способа изготовления пьезоэлектрических высоковольтных генераторов, состоящих из корпуса из пористого полимерного материала с закладными электродами токосъемников и рабочего тела, включающего инерционную массу и пакет из пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с высокими значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения и заданной для каждой пластины прочностью на сжатие, причем изготовление каждой партии пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с заданной прочностью на сжатие включает операции: - приготовления пресс-порошка синтезированного материала, приготовления смеси пресс-порошка синтезированного материала и порообразователя, прессования из смеси заготовок и их высокотемпературной обработки (спекания), механической обработки, металлизации, поляризации и измерения параметров, отличающегося тем, что:Thus, the hallmark of the method of manufacturing piezoelectric high-voltage generators, consisting of a body made of a porous polymer material with embedded electrodes of current collectors and a working fluid, including an inertial mass and a package of plates of polarized composite ferroelectric materials with high values of the piezoelectric voltage coefficient and the strength specified for each plate compression, and the manufacture of each batch of plates of polarized composite ferroeoe of electric materials with a given compressive strength includes operations: - preparation of a press powder of synthesized material, preparation of a mixture of press powder of synthesized material and a pore former, pressing from a mixture of billets and their high-temperature processing (sintering), machining, metallization, polarization and measurement of parameters, characterized in that:
- партия смеси пресс-порошка с порообразователем для k-й пластины с заданной прочностью на сжатие
где
Рn/об - плотность порообразователя, Рn/об=1,2 г/см3;P n / rev — pore former density, P n / rev = 1.2 g / cm 3 ;
Ррг - рентгеновская плотность пьезокерамического материала, Ррг=8,02 г/см3;P rg is the x-ray density of the piezoceramic material, R pg = 8.02 g / cm 3 ;
ρnp - плотность прессовки, ρnp=5,2 г/см3;ρ np is the density of the compact, ρ np = 5.2 g / cm 3 ;
a Pk вычисляется из зависимостиa P k is calculated from the dependence
где
а - ускорение при ударе a=(1,3÷1,5)·106 м/с2,a - acceleration upon impact a = (1.3 ÷ 1.5) · 10 6 m / s 2 ,
ρ1 - плотность «беспористой» керамики первой, наиболее удаленной от инерционной массы, пластины, ρ1 - 7,8·103 кг/м3;ρ 1 is the density of the “non-porous” ceramic of the first plate farthest from the inertial mass, ρ 1 is 7.8 · 10 3 kg / m 3 ;
ρk - плотность k-й пластины, ρk=ρрг·(1-PK/100);ρ k is the density of the kth plate, ρ k = ρ rg · (1-P K / 100);
hk - расстояние между нанесенными на k-ю пластину токопроводящими поверхностями, h k is the distance between the conductive surfaces deposited on the k-th plate,
- UК - разность потенциалов между нанесенными на пластины токопроводящими поверхностями UK≈105 В;- U K is the potential difference between the conductive surfaces deposited on the plates U K ≈10 5 V;
а все данные сводятся в рабочую таблицу типа таблицы 1, значения параметров в которой проверяют на пробниках; причем параметры инерционной массы определяются из формул:and all the data is reduced to a worksheet such as table 1, the parameter values in which are checked on probes; and the inertial mass parameters are determined from the formulas:
где ρ0 - плотность инерционной массы;where ρ 0 is the density of the inertial mass;
h0 - высота инерционной массы;h 0 is the height of the inertial mass;
Sn - площадь контактной поверхности «верхней», n-й пластины.S n is the contact surface area of the “upper”, nth plate.
Для первой, наиболее удаленной от инерционной массы пластины значения параметров приведены в первой строчке Таблицы 1.For the first plate farthest from the inertial mass of the plate, the parameter values are given in the first row of Table 1.
Claims (2)
- для «верхней», n-й пластины (k=n)
- для k-й пластины
где
Sn - площадь контактной поверхности «верхней», n-й пластины;
ρ и h - плотность пластины и расстояние между контактными поверхностями пластины соответственно,
механически соединенных последовательно так, что возникающие в пластинах при ударе механические напряжения суммируются, а электрически соединенных параллельно так, что суммируются возникающие в пластинах электрические заряды с одинаковой разностью потенциалов, для чего расстояния между нанесенными на пластины токопроводящими поверхностями устанавливают такими, чтобы их значения, умноженные на значения механического напряжения и пьезоэлектрического коэффициента напряжения, были одинаковы для каждой пластины в пакете.1. A high-voltage generator with a working fluid consisting of polarized ferroelectric material, characterized in that the housing of the generator is made of a porous polymer material with embedded electrodes of current collectors, and the working fluid additionally contains an inertial mass, while the ferroelectric material is a package of plates of polarized composite ferroelectric materials with high values of the piezoelectric voltage coefficient and the strength set for each plate compression, so that
- for the “upper”, nth plate (k = n)
- for the k-th plate
Where
S n is the contact surface area of the “upper”, nth plate;
ρ and h are the density of the plate and the distance between the contact surfaces of the plate, respectively,
mechanically connected in series so that the mechanical stresses arising in the plates upon impact are summed up, and electrically connected in parallel so that the electric charges arising in the plates are summed with the same potential difference, for which the distances between the conductive surfaces deposited on the plates are set so that their values multiplied The values of mechanical stress and piezoelectric stress coefficient were the same for each plate in the package.
первая стадия - изготовление пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с повышенными значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения и заданной для каждой пластины прочностью на сжатие;
вторая стадия - изготовление пакета из пластин, механически соединенных последовательно так, что возникающие в пластинах при ускорении механические напряжения суммируются, а электрически соединенных параллельно так, что суммируются возникающие в пластинах электрические заряды;
третья стадия - изготовление генератора в корпусе из пористого полимерного материала, включая сборку рабочего тела из инерционной массы и пакета пластин, а также токосъемников в корпусе,
при этом партия смеси пресспорошка с порообразователем для k-й пластины с заданной прочностью на сжатие
где
ρn/об - плотность порообразователя, ρn/об=1,2 г/см3;
ρрг - рентгеновская плотность пьезокерамического материала, ρрг=8,02 г/см3;
ρnp - плотность прессовки, ρnp=5,2 г/см3;
a Pk вычисляется из зависимости
где
а - ускорение при ударе а=(1,3÷1,5)·106 м/с2,
ρ1 - плотность «беспористой» керамики первой, наиболее удаленной от инерционной массы, пластины, ρ1=7,8·103 кг/м3;
ρk - плотность k-й пластины,
hk - расстояние между нанесенными на пластину токопроводящими поверхностями,
Uk - разность потенциалов между нанесенными на пластины токопроводящими поверхностями UK≈105 В;
а все данные сводятся в рабочую таблицу, значения параметров в которой проверяют на пробниках,
причем параметры инерционной массы - ее масса М0 и высота h0 определяются
где ρ0 - плотность инерционной массы,
h0 - высота инерционной массы,
Sn - площадь контактной поверхности «верхней», n-й пластины. 2. A method of manufacturing piezoelectric high-voltage generators, consisting of a body of a porous polymeric material with embedded electrodes of current collectors and a working fluid, including an inertial mass and a package of plates of polarized composite ferroelectric materials with increased values of the piezoelectric voltage coefficient and the compressive strength specified for each plate, containing the manufacture of each batch of plates of polarized composite ferroelectric materials with a given compressive strength, including operations: preparation of a synthesized material press powder, preparation of a synthesized material press powder mixture and a pore former, pressing of a mixture of preforms and their high-temperature sintering, machining, metallization, polarization and parameter measurement, characterized in that The manufacturing process of a high-voltage generator includes three stages:
the first stage is the manufacture of plates of polarized composite ferroelectric materials with increased values of the piezoelectric voltage coefficient and the compressive strength specified for each plate;
the second stage is the manufacture of a package of plates mechanically connected in series so that the mechanical stresses arising in the plates during acceleration are added up, and electrically connected in parallel so that the electric charges arising in the plates are summed;
the third stage - the manufacture of the generator in the housing of a porous polymeric material, including the assembly of the working fluid from the inertial mass and the package of plates, as well as current collectors in the housing,
wherein the batch of the mixture of fresh powder with a blowing agent for the k-th plate with a given compressive strength
Where
ρ n / rev - pore former density, ρ n / rev = 1.2 g / cm 3 ;
ρ rg is the x-ray density of the piezoceramic material, ρ rg = 8.02 g / cm 3 ;
ρ np is the density of the compact, ρ np = 5.2 g / cm 3 ;
a P k is calculated from the dependence
Where
a - acceleration upon impact a = (1.3 ÷ 1.5) · 10 6 m / s 2 ,
ρ 1 — density of the “non-porous” ceramic of the first plate farthest from the inertial mass, ρ 1 = 7.8 · 10 3 kg / m 3 ;
ρ k is the density of the kth plate,
h k is the distance between the conductive surfaces deposited on the plate,
U k is the potential difference between the conductive surfaces deposited on the plates U K ≈10 5 V;
and all the data is reduced to a worksheet, the parameter values in which are checked on probes,
moreover, the parameters of the inertial mass - its mass M 0 and height h 0 are determined
where ρ 0 is the density of the inertial mass,
h 0 - the height of the inertial mass,
S n is the contact surface area of the “upper”, nth plate.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013138484/28A RU2551666C2 (en) | 2013-08-19 | 2013-08-19 | High-voltage generator and method of its manufacture |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013138484/28A RU2551666C2 (en) | 2013-08-19 | 2013-08-19 | High-voltage generator and method of its manufacture |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013138484A RU2013138484A (en) | 2015-02-27 |
RU2551666C2 true RU2551666C2 (en) | 2015-05-27 |
Family
ID=53279229
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013138484/28A RU2551666C2 (en) | 2013-08-19 | 2013-08-19 | High-voltage generator and method of its manufacture |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2551666C2 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2154888C2 (en) * | 1997-12-04 | 2000-08-20 | Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики | Explosive piezoelectric-crystal generator |
DE10003680A1 (en) * | 2000-01-28 | 2001-08-09 | Thyssenkrupp Stahl Ag | Method for producing a steel strip provided with a zinc coating and zinc coated steel strip |
SU1777532A1 (en) * | 1989-09-05 | 2002-05-27 | Всесоюзный научно-исследовательский институт экспериментальной физики | PIEZOELECTRIC GENERATOR |
RU2414017C1 (en) * | 2010-03-10 | 2011-03-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ПьезоТех" (ООО "ПьезоТех") | Method of producing composite piezoelectric material |
-
2013
- 2013-08-19 RU RU2013138484/28A patent/RU2551666C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1777532A1 (en) * | 1989-09-05 | 2002-05-27 | Всесоюзный научно-исследовательский институт экспериментальной физики | PIEZOELECTRIC GENERATOR |
RU2154888C2 (en) * | 1997-12-04 | 2000-08-20 | Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики | Explosive piezoelectric-crystal generator |
DE10003680A1 (en) * | 2000-01-28 | 2001-08-09 | Thyssenkrupp Stahl Ag | Method for producing a steel strip provided with a zinc coating and zinc coated steel strip |
RU2414017C1 (en) * | 2010-03-10 | 2011-03-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ПьезоТех" (ООО "ПьезоТех") | Method of producing composite piezoelectric material |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013138484A (en) | 2015-02-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Rianyoi et al. | Dielectric, ferroelectric and piezoelectric properties of 0-3 barium titanate–Portland cement composites | |
Gallone et al. | Dielectric constant enhancement in a silicone elastomer filled with lead magnesium niobate–lead titanate | |
US4422003A (en) | Perforated PZT polymer composites | |
RU2533539C1 (en) | Piezoelectric shock pick-up | |
Egusa et al. | Piezoelectric paints as one approach to smart structural materials with health-monitoring capabilities | |
Domonkos et al. | Submicrosecond pulsed power capacitors based on novel ceramic technologies | |
Zhang et al. | Sintering behavior, properties, and applications of co‐fired piezoelectric/low temperature co‐fired ceramic (PZT‐SKN/LTCC) multilayer ceramics | |
Zhang et al. | Audio and ultrasonic responses of laminated fluoroethylenepropylene and porous polytetrafluoroethylene films with different charge distributions | |
Seo et al. | Fabrication and characterization of low temperature sintered hard piezoelectric ceramics for multilayer piezoelectric energy harvesters | |
RU2551666C2 (en) | High-voltage generator and method of its manufacture | |
KR101681386B1 (en) | Lead-free piezoelectric ceramic composition and Preparation method thereof | |
Shkuratov et al. | Note: Miniature 120-kV autonomous generator based on transverse shock-wave depolarization of Pb (Zr0. 52Ti0. 48) O3 ferroelectrics | |
Sharma et al. | Electromagnetic radiation detection from cubical mortar sample and its theoretical model | |
Praveenkumar et al. | Characterization and microstructure of porous lead zirconate titanate ceramics | |
Tkach et al. | Theoretical treatment of explosive-driven ferroelectric generators | |
JP2884631B2 (en) | Piezoelectric ceramics and manufacturing method thereof | |
KR101263272B1 (en) | Resonant typed acoustic emission sensor | |
Harikrishnan et al. | PZT/PLZT-elastomer composites with improved piezoelectric voltage coefficient | |
Pasierb et al. | Electrochemical gas sensor materials studied by impedance spectroscopy part I: Nasicon as a solid electrolyte | |
Sharma et al. | Piezoelectric Ceramics—Their Indigenous Development and Production | |
Ivashutenko et al. | Double-action magnetic-impulse compaction of oxide nanoceramics | |
Sharma et al. | Corrigendum: A theoretical model for the electromagnetic radiation emission from hydrated cylindrical cement paste under impact loading (2018J. Phys. Commun. 2035047) | |
RU2686492C1 (en) | Sensitive element from connectivity piezocomposite 1-3 and method of its production | |
Huang et al. | Cement-based piezoelectret | |
Khatua et al. | A high performance piezoelectric–triboelectric hybrid energy harvester by synergistic design |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170820 |