Инстаграм

superarch.ru

Недостатки поризованных керамических блоков, все плюсы и минусы

Рекламируя свою продукцию, изготовители часто слишком идеализируют изделия собственного производства. Но идеальных по всем параметрам строительных материалов не существует. Имея хорошие показатели по одним качествам, они могут значительно уступать старым материалам по другим. В отличие от производителей, вездесущие «знатоки» наоборот подчеркивают только плохие технические характеристики. Рассмотрим поближе те недостатки поризованных керамических блоков, которые им приписывают необоснованно и те преимущества, которые у них есть на самом деле. У этого стенового материала большинство «недостатков» надуманы и при ближайшем рассмотрении доводы скептиков рассыпаются без следа.

Керамические блоки плюсы и минусы

• Главным недостатком поризованных материалов называют водонасыщаемость, утверждая, что стены дома, построенного на сыром участке, всегда будут влажными, так же как и воздух в помещении. Но при строительстве на сырых участках первым условием для того, чтобы здание было долговечным, является осушение и хороший дренаж. Избыточная влажность вредна для любого материала: дерево загнивает, кирпич и бетон покрываются участками плесени. Через поры в блоках избыточная влага наоборот быстрее переходит в окружающую среду, происходит естественный воздухообмен и риск образования плесени исключен.
• Вторым недостатком называют большую теплопроводность, которая на самом деле меньше, чем у кирпича и дерева. Для керамики она равна 0,15 Вт/м*С°, у красного кирпича 0,65 Вт/м*С°, и силикатного 0,74 Вт/м*С°. То есть мы видим, что на самом деле через керамический блок из помещения может уйти в четыре раза меньше тепла, чем через кирпичную кладку. Если учесть еще и тот факт, что толщина раствора в горизонтальных швах при кладке из поризованных блоков минимальна, то и через мостики холода потери тепла также минимальны.
• Третьим минусом называют малую прочность. Опять проведем сравнение. По прочности поризованный керамический блок для внешних стен соответствует марке бетона М100, а у некоторых изделий М150. У обычного кирпича до М100 у газосиликата М30.
• Следующий минус, блоки трудны для обработки. Для резки блоков действительно потребуется пила типа «аллигатор», но и кирпич обычной ножовкой тоже не разрезать.

Как видим, почти все недостатки поризованных керамических блоков оказываются вымышленными. Из плюсов, которые неоспоримы дополнительно можно выделить:

• Экологичность и огнестойкость
• Хорошая воздухо и паро проницаемость
• Отличные звукоизоляционные свойства
• Уменьшение общих затрат на строительство за счет быстрой укладки, меньшего количества кладочного раствора, возможности устройства легкого фундамента.

www.dom-gbi.ru

Керамический блок: отзывы. Крупноформатные керамические блоки. Керамические блоки

В современном строительстве используется большое количество материалов, причем с каждым годом они становятся более совершенными и инновационными. Например, все чаще стал применяться керамический блок. Отзывы говорят, что это легкий материал, с которым удобно обращаться. Какими бывают блоки и из чего они состоят? Попробуем разобраться.

Глина – основа основ

В строительной сфере под керамикой понимают материалы, изделия, которые получают посредством формования и обжига глин. Благодаря такой обработке материал получается прочным, долговечным, при этом декоративные особенности керамики нельзя не заметить. Керамический блок, отзывы о котором привлекают многих покупателей, может быть плотным и пористым. Для первой разновидности характерно водопоглощение в 6%, а для второго – до 20%.

Как выбрать?

Выбирать керамические блоки следует в зависимости от производителя, размера, а также конструкции стены будущего дома. Например, сегодня все чаще для строительства используются крупноформатные керамические блоки. Правда, решив строить из такого материала, нужно тщательно изучить размерную сетку и учесть все эти детали в проекте. Кроме того, перед проектированием важно рассчитать достаточную толщину наружных и несущих стен. Например, если конструкция будет многослойной или планируется обустройство вентилируемого фасада, толщина керамических блоков должна выбираться в зависимости от того, какой прочности будет конструкция.

Представленные сегодня на рынке блоки имеют предел прочности на сжатие 100 кг/см². То есть при возведении коттеджа или малоэтажном строительстве вполне достаточно и блоков минимальной толщины. Если стена будет в один слой с учетом последующей облицовки (например, штукатуркой или кирпичом), следует выбирать блоки соответственно теплотехническому расчету.

Цена: так ли важна?

Строительство из керамических блоков – решение выгодное, но не всегда следует ориентироваться только на экономичность. Ведь от цены товара зависит его качество, а в случае возведения жилых объектов оно играет огромную роль. Как правило, самые дешевые керамические блоки предлагают новые компании, которые хотят как можно быстрее стать популярными. Соответственно, продукция выпускается ими быстро, технологический процесс упрощен, а значит, и должного контроля над процессом производства не будет.

В среднем ценовом сегменте в основном представлены розничные и оптовые торговцы, которые хотят получить торговую надбавку. Они продают материалы по более высоким ценам, надеясь попасть на неосведомленного покупателя. В идеале покупать следует материалы известных марок, которые относятся к элитному классу.

Комплектность: второй секрет успеха

Сегодня многие производители предлагают купить комплексные решения для тех, кто покупает керамические блоки. То есть кроме основного материала им предлагается приобрести и специальные элементы и дополнительные составляющие, например, блоки для кладки углов, доборные блоки и так далее. Для создания перегородок и внутренних стен в доме можно выбирать блоки, отличающиеся стойкостью к акустическим изменениям.

Дата изготовления

Покупателям нужно быть внимательными, покупая керамические блоки. Характеристика их как отличного стенового материала зависит от того, насколько правильно они создавались и хранились. В идеале в заводских условиях блоки должны укладываться на деревянные поддоны, упаковываться в пленку и в таком виде доставляться на объект. Если длительно хранить материал под открытым небом, внутрь него может попасть влага, которая заполнит стенки соседних пустот. Обязательно нужно следить и за внешним видом блоков: на них не должно быть намокания, повреждений, сколов и трещин.

Особенности наружной отделки стен из керамического блока

Поризованный керамический блок часто используется как стеновой материал, при этом фасадная отделка на нем может выполняться любая. Например, традиционным решением будет отделка лицевым кирпичом, при этом в таких случаях будут использованы и закладные элементы, связывающие стену и фасадную кладку. Самым бюджетным решением может стать использование штукатурки, правда, в этом случае важно правильно рассчитать толщину стены, чтобы достичь хороших показателей теплотехники. Альтернативой обычной штукатурке может стать утепляющая штукатурка, чтобы улучшить теплотехнические параметры стены. В качестве утеплителя могут выступать такие материалы, как минеральная вата или пенополистирол.

Поризованный керамический блок, выбранный для возведения стены, позволяет монтировать и вентилируемый фасад. При этом будут решены сразу два вопроса: с одной стороны, дом будет иметь привлекательный внешний вид, а с другой — будут соблюдаться нормативные показатели теплоизоляции. Если использовать легкие утеплители, то можно выбирать не крупногабаритные блоки, а разновидности с меньшей толщиной. Это позволит не только сэкономить на тратах, но и снять лишнюю нагрузку с фундамента.

С другой стороны, стоит помнить, что пустоты в керамических блоках, а также небольшая толщина стенок, например, 10 мм, требуют минимальной механической обработки. Соответственно, при монтаже облицовочного материала следует использовать только те инструменты и крепежные элементы, которые не приведут к разрушению стены.

Внутренняя отделка

Как материал, удобный в дополнительной отделке, керамический блок отзывы также получил положительные. Примечательно, что поверхность керамической кладки мало чем отличается от привычной кирпичной поверхности, соответственно, и дополнительная облицовка будет мало чем отличаться. То есть можно смело выбирать те отделочные материалы, которые кажутся вам наиболее подходящими для вашего дома. Однако специалисты все большее предпочтение отдают сухой штукатурке, которая представляет собой быстромонтируемые конструкции, созданные на основе листов гипсокартона. Главная особенность таких систем – отличное качество поверхности, высокая скорость выполнения работ и отсутствие грязной работы. Правда, если стены из керамических боков будут отделываться на профильной системе, придется потрудиться, поскольку перегородки между пустотами в блоках отличаются тонкостью и хрупкостью.

Технические характеристики керамических блоков

Стоит отметить, что окончательные характеристики зависят от того, какой будет конструкция дома и какой толщины будет стена (в два-три слоя с утеплителем или один слой из блоков). Вариантов на самом деле существует множество, поскольку керамический блок размеры имеет различные. Мы пройдемся по особенностям однослойной стены, которая минимально отделана. Итак, с технической стороны керамические блоки обладают следующими особенностями:

1. Теплопроводностью: она достигается за счет рациональных пустот и пор в камне. Поры отличаются оплавленной поверхностью и замкнутым объемом.
2. Тепловой инертностью, благодаря чему возможно возведение однослойной стены без применения утеплителя, при этом стены будут отвечать требованиям нормативов. Примечательно, что однослойные стены отличаются простотой возведения, стойкостью к повреждениям, долговечностью и экономичностью.
3. Благодаря тепловой инертности блока и возможностям керамики как строительного материала стены аккумулируют тепло, обеспечивая тепловой и воздушный баланс в помещении.
4. Керамические блоки отличаются прочностью на сжатие.
5. Крупноформатность блоков позволяет существенно упростить строительный процесс: один керамический блок может заменить сразу 15 кирпичей обычного формата. При этом стены не получаются тяжелыми, возводятся быстро, а нагрузка на фундамент не увеличивается.
6. Экономичностью строительства: раствор для керамических блоков крупного габарита готовится привычным образом, при этом требуется его намного меньше. Такие показатели достигаются и за счет пазогребневого стыка, который не заполняется раствором вообще.
7. На шероховатую поверхность керамического блока легко и быстро наносится штукатурка, которая также расходуется экономно.
8. Естественным кондиционированием. Стеновые конструкции отличаются определенным влажностным режимом, благодаря чему в помещении создается благоприятный климат.
9. Экологичностью. Керамика – экологически чистый продукт, а его капиллярная структура позволяет достичь оптимального влагообмена в помещении, за счет чего стены дышат.
10. Звукоизоляцией: ячейки в керамических блоках образуют ряд камер, благодаря которым улучшаются звукоизоляционные характеристики.

Продукция от Porotherm: в чем особенности?

Керамические блоки Porotherm уже давно завоевали популярность как качественный современный строительный материал. Примечательно, что производится он в соответствии с древними традициями, в которые грамотно вписаны инновационные решения. Данные блоки имеют класс прочности М100, М150, что позволяет применять их для возведения несущих конструкций в многоэтажном строительстве. К отличительным особенностям керамических блоков данной марки можно отнести:

• высокую энергоэффективность;
• сохранение тепла в помещении;
• уменьшение числа растворных швов;
• наличие пазогребенного соединения;
• быстроту и простоту сборки;
• хорошую паропроницаемость.

Особенность домов из блоков Porotherm

Как строительный материал данный керамический блок отзывы получил самые положительные. Сегодня многие стремятся построить свой дом из новых материалов, применяя современные технологии. И керамический блок открывает для этого широкие возможности. Во-первых, дом, построенный из крупноформатных керамических блоков, будет «дышать», а значит, в помещении будет достигаться оптимальный влажностный и температурный баланс. Во-вторых, материал стоек к гниению и старению, а значит, дом будет долговечным. В-третьих, керамический блок размеры имеет разные, а потому есть возможность сделать стены необходимой толщины. Например, для возведения несущих внешних и внутренних стен можно использовать блоки размером 380х250х219. При монтаже несущих однослойных стен без дополнительного утепления можно применять материал размерами 510х250х219.

Экологичность и экономичность превыше всего

И все же каждый, кто строит частный дом, стремится, чтобы он был дешевым и при этом экологически безопасным. Теплый керамический блок отвечает обоим требованиям, ведь создается он на основе глины, к которой добавляются опилки. Формовка и дальнейший обжиг ведутся при температуре 1000 градусов, поэтому опилки сгорают, а на их месте образуются поры. Особенность теплой поризованной керамики в том, что она показывает высокие теплоизоляционные свойства. При толщине наружной стены примерно 380-510 мм можно не задумываться о дополнительном утеплении дома.

Выбирая инновационные технологии и материалы, обратите внимание на крупноформатные керамические блоки. Они идеально подходят для возведения частных домов и при этом отвечают всем требованиям современного строительного процесса.

fb.ru

Пьезокерамические материалы – Пьезокерамические материалы – Пьезокерамические элементы PI Ceramic – Продукция – Евротек Дженерал

Сегнетожёсткие пьезоматериалы (PIC-181, PIC-184, PIC-300) отличаются устойчивостью к высоким электрическим и механическим воздействиям, низкими диэлектрическими потерями, что позволяет их использовать для создания мощных ультразвуковых устройств, пьезодвигателей.

Бессвинцовые материалы (PIC-700, PIC-050) отличаются высокой температурой Кюри (>500 °С), что позволяет использовать их длительное время на резонансной моде, а также обладают высокой линейностью, что позволяет создавать актуаторы с высокой повторяемостью позиционирования. Основным недостатком данных материалов является низкое значение пьезомодуля, ограничивающее ход актуаторов до нескольких микрон.

Технология производства пьезокерамических элементов

Процесс изготовления пьезокерамики можно разделить на несколько этапов.

Прессование

Основными компонентами исходного сырья являются оксиды титана, циркония и свинца. Выпускаются также пьезокерамические материалы на основе титаната висмута и титаната бария. Перед стадией прессования полученный из исходных веществ порошок подвергают обжигу, измельчению и сушке методом распыления. Сами прессовки изготавливаются методом гидравлического прессования (рис.1).

Рис.1 Процесс прессования

Прессовки могут иметь различные формы: диск, пластина, стержень или цилиндр. Широкий выбор пресс-матриц позволяет изготавливать пьезоэлементы различных размеров: до 80 мм в диаметре и до 50 мм в высоту. До стадии спекания прессовки могут быть подвержены механической обработке.

Спекание

Спекание осуществляется при температурах до 1300 °С, при этом прессовка уменьшается в объёме приблизительно на 30 %. В результате получается твёрдая пьезокерамика с высокой плотностью и поликристаллической структурой (рис.2).

Рис.2 Прессовки после спекания

Механическая обработка

При необходимости возможно осуществлять обработку прессовок после спекания. Пьезодиски и пьезопластины могут иметь толщину от 0.2 мм, существует возможность сверления отверстий с диаметром от 0.3 мм. Почти любые контуры поверхностей пьезоэлементов могут быть изготовлены с точностью до 0.1 мм. Ультразвуковая обработка используется в случаях производства тонкостенных пьезотрубок с толщиной стенок порядка 0.5 мм. На рис.3 показана механическая обработка прессовок после стадии спекания. Вначале их располагают в виде плотной упаковки и склеивают для надёжной фиксации, затем проводят алмазную резку, после чего подвергают шлифованию, что позволяет обеспечить соответствие формы и размеров требуемому диапазону допусков. Геометрические размеры и свойства материала в конечном счёте определяют функциональные параметры, такие как резонансная частота, ёмкость, жёсткость.

Рис. 3 Процесс обработки прессовок

Нанесение электродов на пьезоэлементы

Наибольшее распространение получил способ вжигания серебра или сплава серебра с палладием, который состоит в следующем: на обезжиренную поверхность заготовки наносят слой серебряной пасты (смесь окиси серебра и связки), затем заготовки просушивают и производят вжигание при температуре порядка 800 °С. Типичная толщина получаемой плёнки составляет от 5 мкм до 10 мкм.

Рис.4 Процесс нанесения электродов методом трафаретной печати

Тонкоплёночные электроды наносят методом осаждения из газовой фазы (рис.5), при этом толщина плёнки составляет 1 мкм. Стандартными материалами для напыления являются золото, медь, сплав меди с никелем. Данный метод широко применяется для нанесения электродов на стенки пьезотрубок.

Рис.5 Процесс нанесения электродов методом конденсации из газовой фазы

Поляризация

Направление поляризации каждого домена в поликристаллической структуре распределяется случайным образом. Таким образом, в макроскопическом масштабе пьезоэлектрического эффекта не наблюдается, поэтому проводят процесс поляризации (рис.6) для выравнивания доменов.

Для поляризации к электродам подводится электрическое напряжение. Напряжённость поля составляет величину порядка 3000 В/мм. С целью уменьшения напряженности поля в ходе процесса поляризации пьезоэлемент нагревают до температур, близких к точке Кюри (т. к. при этом домены обладают большей подвижностью), а затем медленно охлаждают в присутствии поля. 

Рис.6 Процесс поляризации пьезоэлементов

  Заключительная проверка пьезокерамических элементов

Перед отгрузкой пьезоэлементов на склад осуществляется перечень процедур контроля по стандарту ISO 2859, включающие:

• Тестирование физических свойств, таких как резонансная частота, сопротивление, ёмкость, коэффициенты электромеханической связи и тангенс угла диэлектрических потерь.
• Визуальное инспектирование пьезоэлементов по стандарту MIL-STD-1376, в частности проверка качества поверхности электродов, пор внутри пьезокерамики, сколов по краям, царапин и т.п

www.eurotek-general.ru

Пьезоэлемент

Пьезоэлемент — электромеханический преобразователь, изготавливаемый из пьезоэлектрических материалов, определенной формы и ориентации относительно кристаллографических осей, с помощью которого механическая энергия преобразуется в электрическую (прямой пьезоэффект), а электрическая в механическую (обратный пьезоэффект).

Конструктивно пьезоэлемент представляет из себя пьезокерамику с нанесенными электродами. Пьезоэлементы могут быть разнообразной формы: в виде дисков, колец, трубок, пластин, сфер и др. Для вибраторов и генераторов пьезоэлементы объединяют в пьезостек, чтобы достичь лучших характеристик.

Сменить цвет

Колебания пьезоэлемента
Диаметр: 10 мм
Толщина: 1 мм
Материал: ЦТС-26
Напряжение: 5В
Частота возбуждения: 1МГц
Масштаб колебаний: 30000:1

Посмотреть колебания

Остановить колебания

Рисунок — Колебание свободного пьезоэлемента под действием напряжения (обратный пьезоэффект)

Пьезоэлектрические вещества (пьезоэлектрики), в частности пьезокерамика, имеет то свойство, что при деформации под действием внешнего механического давления на их поверхности возникают электрические заряды. Этот эффект называется прямым пьезоэлектрическим эффектом и был открыт в 1880 г. братьями Кюри.

Вскоре после этого (в 1881 г.) был подтвержден и обратный пьезоэффект, а именно что такое вещество, расположенное между двумя электродами, реагирует на приложенное к нему электрическое напряжение изменением своей формы. Первый эффект в настоящее время используется для измерений, а второй – для возбуждения механических давлений, деформаций и колебаний.

Более детальные исследования пьезоэффекта показали, что он объясняется свойством элементарной ячейки структуры материала. При этом элементарная ячейка является наименьшей симметричной единицей материала, из которой путем ее многократного повторения можно получить микроскопический кристалл. Было показано, что необходимой предпосылкой для появления пьезоэффекта является отсутствие центра симметрии в элементарной ячейки.

Здесь можно кратко пояснить пьезоэлектрический эффект на примере титаната бария, часто применяемой пьезоэлектрической керамики со сравнительно простой конструкцией элементарной ячейки. Титанат бария ВаТiO₃, как и многие другие пьезокерамические вещества, аналогичен по структуре перовскиту (СаТiО₃), по которому и назван этот класс материалов. Элементарная ячейка при температурах выше, критической, которая называется также точкой Кюри, является кубической. Если температура ниже этой критической, то элементарная ячейка тетрагонально искажается по направлению к одной из кромок. В результате изменяются и расстояния между положительно и отрицательно заряженными ионами (рисунок 1, для ВаТiO₃ вместо Pb — Ba). Смещение ионов из их первоначального положения очень мало: оно составляет несколько процентов параметра элементарной ячейки. Однако такое смещение приводит к разделению центров тяжести зарядов внутри ячейки, так что образуется электрический дипольный момент. По энергетическим условиям диполи соседних элементарных ячеек кристалла упорядочиваются по областям в одинаковом направлении, образуя так называемые домены.

Направления поляризации доменов распределяются в поликристаллической структуре по статическому закону. Таким образом, неупорядоченные скопления отдельных микрокристаллов в структуре вещества, образующиеся только в спеченной керамики, в макроскопическом смысле вообще не могут давать никакого пьезоэлектрического эффекта. Только после так называемого процесса поляризации, в котором при наложении сильного электрического поля на керамику происходит выравнивание возможно большего числа доменов параллельно друг другу, удается использовать пьезоэлектрические свойства элементарных ячеек. Поляризация обычно проводится при температуре немного ниже температуры Кюри, чтобы облегчить ориентацию доменов. После охлаждения это упорядоченное состояние остается стабильным.

Современные средства проектирования позволяют рассчитать / промоделировать отдельно пьезоэлемент или пьезоэлектрический преобразователь целиком. По согласованию с Инженерными решениями Вы можете заказать расчет парметров пьезоэлектрического преобразователя

Механическое сжатие или растяжение, действующее на пьезоэлектрическую пластину параллельно направлению поляризации, приводит к деформации всех элементарных ячеек. При этом центры тяжести зарядов взаимно смещаются внутри элементарных ячеек, которые расположены теперь преимущественно параллельно, и в результате получается заряд на поверхности [2].

Связь между приложенной силой и результирующим ответом пьезоэлемента зависит от: пьезоэлектрических свойств пьезокерамики, размера и форм образца, направления электрического и механического возбуждения.

По своей природе пьезоэлектрические материалы являются анизотропными кристаллами. Рисунок 3 показывает различные направления и оси ориентации пьезоэлектрического материала. Оси 1, 2 и 3 являются соответственными аналогами осей X, Y, Z классической ортогональной системы координат, в то время как оси 4, 5, и 6 определяют оси вращения. Направление оси 3 является направлением поляризации [1]. Это направление устанавливается во время производства посредством высокого постоянного напряжения, которое создается между электродами.

Пьезоэлемент характеризуется следующими свойствами:

а) Относительные диэлектрические постоянные

и , (1)

где = 8,85· 10^-12, Ф/м

Верхний индекс показывает граничные условия действующие на материал в процессе определения значения относительной диэлектрической постоянной. В частности индекс T (в этом случае) говорит о том, что диэлектрическая постоянная измеряется на свободном (не зажатом) образце [3]. А индекс S показывает, что измерения происходят при постоянной деформации пьезокерамики (в зажатом состоянии). Первый нижний индекс показывает направление диэлектрического смещения, а второй – электрического поля [1]. Формула расчета относительной диэлектрической постоянной следующая:

, (2)

• где — диэлектрическая проницаемость (одна из двух или ), Ф/м
• t – расстояние между электродами, м,
• S – площадь электрода, м²,
• C – емкость, Ф

б) Резонансная частота

, (3)

где с – скорость звука в материале, м/с [2]

Нажимайте сюда для просмотра колебаний пьезоэлемента!

Частота возбуждения f=25кГц
Масштаб колебаний 200000:1

Частота возбуждения f=73,6кГц
Масштаб колебаний 10000:1

Частота возбуждения f=280кГц
Масштаб колебаний 10000:1

Рисунок 4 — Амлитудно-частотная характеристика пьезоэлемента. Виды колебаний на разных частотах

в) Коэффициенты электромеханической связи

Этот коэффициент может быть вычислен через резонансную и антирезонансную частоту по формуле.

, (4)

• где – резонансная частота, Гц,
• – антирезонансная частота, Гц [5]

Чтобы измерить эти частоты обычно используется анализатор импеданса, с помощью которого можно получить зависимость сопротивления от частоты пьезокерамики (рисунок 6).

По своей природе, резонансная частота возникает, когда система имеет очень маленькое сопротивление, в то время как антирезонанс происходит, когда система имеет очень большое сопротивление. На рисунке 6 частота которая имеет минимальное сопротивление считается резонансной (), а частота с максимальным сопротивлением – антирезонансной ().

Рисунок 5 – Виды колебаний образцов пьезокерамики разной формы

Рисунок 6 – Зависимость сопротивления от частоты у пьезокерамики [6]

г) Упругие константы

д) Пьезоэлектрические постоянные

, (5)

• где – изменение толщины пластины, м,
• – приложенное напряжение, В

Полезно помнить, что большие значения d_ij приводят к большим механическим смещениям, что обычно добивается при проектировании ультразвуковых преобразователей. d₃₃ применяют, когда сила направлена в направлении оси поляризации (рисунок 5г). d₃₁ используют, когда сила прикладывается под прямым углом к оси поляризации, при этом заряд возникает на электродах, так же как и в предыдущем случае (рисунок 5б). d₁₅ показывает, что заряд накапливается на электродах, которые находятся под прямым углом к изначальным поляризующим электродам и что получаемые механические колебания являются сдвиговыми (рисунок 5д).

Пьезоэлектрическая константа давления g_ij – отношение полученного напряжения к приложенному давлению.

, (6)

• где – приложенное давление, Па,
• – полученное напряжение, В

Индекс “33” показывает, что электрическое поле и механическое напряжение направлены по оси поляризации. Индекс “31” означает, что давление прикладывается под прямым углом к оси поляризации, при этом напряжение снимается с тех же самых электродов, что и в случае “33”. Индекс “15” подразумевает, что приложенное напряжение является сдвиговым и результирующее электрическое поле перпендикулярно к оси поляризации. Высокое значение g_ij ведет к большим выходным напряжениям, что является желательным для сенсоров.

е) Коэффициент Пуассона

, (7)

ж) Температурные коэффициенты

, (8)

, (9)

, (10)

з) Скорость старения

, (11)

• где AR – скорость старения для резонансной частоты или емкости,
• t₁, t₂ – число дней после поляризации,
• , – резонансная частота или емкость через t₁ и t₂ дней после поляризации

и) Механическая добротность

, (12)

• где – механическая добротность,
• – резонансная частота, Гц,
• – антирезонансная частота, Гц,
• – сопротивление при резонансе, Ом,
• С – емкость, Ф

Изделия, основанные на пьезоэлектрическом резонансе, требуют высокой механической добротности.

к) Температура Кюри

л) Плотность

• где – плотность, кг/м³,
• m – масса, кг,
• V – объем, м³.

Большинство составов пьезокерамики основано на химических соединениях с формулой АВО₃ (напр., BaTiO₃, РbТiO₃) с кристаллической структурой типа перовскита и различных твёрдых растворов на их основе (например, системы BaTiO₃ — CaTiO₃, BaTiO₃ — CaTiO₃ — CoCO₃, NaNbO₃ — KNbO₃). Особенно широко используются в качестве пьезоэлектрических материалов составы системы РbТiO₃ — PbZrO₃ (т. н. система PZT, или ЦТС). Практический интерес представляет также ряд соединений с формулой АВ₂О₆, напр. PbNb₂O₆, имеющих весьма высокую Кюри точку (~570 °С), что позволяет создавать пьезоэлементы для работы при высоких температурах.

Процесс изготовления пьезокерамики разделяется на несколько этапов. При осуществлении синтеза заданного сегнетоэлектрического соединения исходное сырье (окислы или соли, например, двуокись титана и окись бария) измельчается и смешивается в количествах, соответствующих стехиометрическому составу соединения, а затем подвергается термической обработке при температурах 900 – 1300 °С, в процессе которой происходит химический синтез. Используется также так называемый метод осаждения из водных растворов, при котором температура синтеза благодаря идеальному перемешиванию компонентов снижается до 750 – 1000 °С. Из порошкообразного синтезированного материала прессованием (а также литьём под давлением) получаются заготовки необходимой конфигурации и размеров для будущих пьезоэлементов, которые затем подвергаются обжигу по строго определенному температурному режиму, в большой степени определяющему свойства пьезокерамики. Механическая обработка детали после обжига обеспечивает ей точно заданную форму и размеры. На деталь наносятся электроды из серебра, никеля, платины и др., причем наибольшее распространение получил метод вжигания серебра. Для поляризации керамики к электродам подводится электрическое напряжение (напряжённость поля Е составляет от 0,5 до 3 кВ/мм в зависимости от химического состава и метода поляризации). С целью уменьшения напряженности поля Е при поляризации образец нагревают до температур, близких к точке Кюри (т. к. при этом домены обладают большей подвижностью), а затем медленно охлаждают в присутствии поля. Пьезокерамике свойственно т. н. старение, т. е. изменение её параметров (диэлектрической проницаемости, пьезомодулей) со временем, особенно заметное в первые несколько суток после изготовления и поляризации образцов, которое обусловлено изменением как механических напряжений на границах между зёрнами, так и величины остаточной поляризации [8].

Пьезоэлектрические материалы нашли применение в широком ряде областей, таких как медицинские инструменты, контроль промышленных процессов, системах производства полупроводников, бытовых электрических приборах, системах контроля связи, различных измерительных приборах и в других областях. Коммерческие системы, которые используют пьезоэлектрические материалы – помпы, швейные машины, датчики (давления, обледенения, угловых скоростей и т.д.), оптические инструменты, лазерные принтеры, моторы для автофокусировки камер и многие другие. При этом область применения данных материалов постоянно растет. Применение пьезоэлемента обычно сводится к четырем категориям: сенсоры, генераторы, силовые приводы, и преобразователи.

В генераторах, пьезоэлектрические материалы могут генерировать напряжение, которого достаточно для возникновения искры между электродами, и таким образом могут быть использованы как электроды для воспламенения топлива, для газовых плит и для сварочного оборудования. Альтернативно, электрическая энергия, генерируемая пьезоэлектрическими элементами, может накапливаться. Такие генераторы являются превосходными твердыми аккумуляторными батареями для электронных схем.

В сенсорах, пьезоэлектрические материалы преобразуют физические параметры, такие как ускорение, давление и вибрации в электрический сигнал.

В силовых приводах, пьезоэлектрические материалы преобразуют электрический сигнал в точно контролируемое физическое смещение, четко устанавливая точность механических инструментов, линз и зеркал.

В преобразователях, пьезоэлектрические преобразователи могут, как генерировать ультразвуковой сигнал из электрической энергии, так и конвертировать приходящие механические колебания в электрические. Пьезоэлектрические приборы проектируются для измерения расстояний, скорости потока, и уровня жидкости. Преобразователи так же используются, чтобы генерировать ультразвуковые вибрации для очистки, сверления, сварки, размельчения керамики и для медицинской диагностики [1].

Библиографический список

• Ranier Clement Tjiptoprodjo. On a Finite Element Approach to Modeling of Piezoelectric Element Driven Compliant Mechanisms.- Saskatchewan, Canada.: University of Saskatchewan Saskatoon, April 2005
• Й.Крауткремер, Г.Крауткремер. Справочник. Ультразвуковой контроль материалов.-Москва.: Металлургия, 1991.
• David H. Johnson. Simulation of an ultrasonic piezoelectric transducer for NASA/JPL Mars rover.- PA, USA.: Cybersonic, Inc. of Erie, 2003.
• www.piezo.com
• ОСТ 11 0444-87 «Материалы пьезокерамические»
• Tokin. Multilayer Piezoelectic Actuators. User’s Manual, Tokin Corporate Publisher.: 1996.
• Д.В.Сивухин. Общий курс физики. Т.I. Механика.- Москва.:1979.
• Голямина И.П. Ультразвук.-Москва.: из-во «Советская энциклопедия», 1979
• Jan Tichy, Jiry Erhart, Erwin Kittinger, Jana Privratska. Fundamentals of Piezoelectric Sensorics.- Heidelberg, Dordrecht, London, New York.: Springer, 2010

engineering-solutions.ru

5. Пьезоэлектрики. Характеристика пьезоэлектриков

В твердых телах механическое напряжение Т в соответствии с законом Гука вызывает упругую деформацию S:

T = YS, (5.1)

где Y – модуль упругости.

В пьезоэлектриках оно вызывает, кроме того, ропорциональную электрическую поляризацию:

P=dT, (5.2)

где d – коэффициент пропорциональности, называемый пьезомодулем, Кл/Н.

Таким образом, кристаллические вещества, в которых при сжатии или растяжении в определенных направлениях возникает электрическая поляризация даже в отсутствии внешнего электрического поля, называется пьезоэлектриками, а сам эффект — пьезоэффектом или пьезоэлектричеством.

Существует и обратный пьезоэффект, вызывающий появление механической деформации под действием прикладываемого электрического поля:

S=dE. (5.3)

Обратный пьезоэффект необходимо отличать от электрострикции — деформации, возникающей вследствие смещения зарядов в диэлектрике любой природы. В этом случае, в отличии от пьезоэффекта. Наблюдается квадратичная зависимость деформации от поля и знак деформации не зависит от электрической полярности (большинство диэлектриков растягиваются в направлении приложенного поля).

Для электрострикции не существует аналога прямого пьезоэффекта — при действии механических напряжений поляризация не происходит.

Впервые пьезоэффект был обнаружен в 1880г. Ж. и П. Кюри на кристалле кварца. Если на грани пластинки кварца наложить металлические обкладки и продеформировать пластинку, то при разомкнутых обкладках между ними возникнет разность потенциалов. В случае замкнутых обкладок на них при деформации появляются заряды, равные по величине (но противоположные по знаку) поляризационным зарядам, возникающим на поверхности пластинки, и в цепи. Соединяющей обкладки, течет ток. При подключении к обкладкам внешней ЭДС кристалл деформируется.

Необходимое условие пьезоэффекта — отсутствие центра инверсии ионного кристалла. В этом случае при деформационных смещениях составляющих кристалл заряженных частиц возникает электрический момент (поляризация). При наличии центра инверсии смещения положительных и отрицательных зарядов компенсируют друг друга и макроскопическая поляризация не наблюдается. Единственным исключением являются кубические кристаллы с точечной группой симметрии 432, в которых компенсация смещений положительных и отрицательных частиц так же наблюдается. Несмотря на отсутствие центра симметрии. Кроме того, пьезоэлектриками могут быть лишь вещества с высоким удельным сопротивлением (т.е. диэлектрики), поскольку в проводящих средах пьезоэлектрическая поляризация быстро компенсируется свободными носителями заряда. Таким образом, из общего числа 32 кристаллографических классов, или точечных групп, к которым принадлежат все кристаллы, 20 классов (из 21), не имеющих центра симметрии, допускают существование пьезоэлектрического эффекта. Однако лишь малая часть кристаллов этих групп обладает достаточно большим пьезоэффектом: кварц, сегнетова соль, титанат бария — стронция и др.

Количественной характеристикой пьезоэффекта является совокупность пьезоконстант (пьезомодулей) — коэффициентов пропорциональности в отношениях между электрическими (Е и Р) и механическими (Т, U) параметрами. Связь между ними носит линейный характер[1].

Механизм пьезоэффекта можно пояснить на примере кристалла кварца

б-SiO₂. Особенностью пьезоэффекта в кварце является то,что он в соответствии с его симметрией не обладает пьезоэлектрическими свойствами в направлении осиZ(оси с).Поэтому используют пьезоэлектрические срезы кварца (X и Y — срезы), перпендикулярные кристаллографическим осям X и Y.

Пластины X – среза используется для возбуждения продольного, а пластины Y – среза — поперечного пьезоэффектов. При сжатии вдоль оси X₁ (рис. 2.1) ионы Si⁺ и О^— перемещаются в глубь ячейки кристалла (содержащей три молекулы SiО₂), в результате чего на плоскостях А и В появляются заряды. При растяжении в этих плоскостях возникают заряды противоположного знака.

Рис. 5.1 Схема гексагональной структуры кварца в виде проекции ионов Si⁺

(О ) и О^— (0) на плоскость, перпендикулярную оси 3-го порядка

а — недеформированное состояние; б, в — соответственно сжатие и растяжение вдоль оси X₁.

Одно из самых ценных свойств кварца — способность мало изменять и хорошо воспроизводить свои характеристики в широком интервале температур. Стабильность характеристик кварца обеспечивает его широкое применение, и в первую очередь в кварцевых генераторах (для стабилизации их частоты ), в высокочастотных электромеханических преобразователях, пьезоэлектрических фильтрах и др.

Известно более 1 тыс. веществ, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, в том числе все сегнетоэлектрики, у которых величина пьезоэффекта более чем на порядок выше, чем в кварце [1].

Пьезоэлектрики используются для изготовления различных электромеханических преобразователей.Под действием механической нагрузки наблюдается не только электрическая поляризация, но и изменение оптических свойств материалов — пьезооптический эффект (появление двойного лучепреломления в изотропных материалах и его изменение — в анизотропных). На данном эффекте основан поляризационно — оптический метод исследования механических напряжений[2].

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИКОВ:

Пьезоэлектрики широко используются в современной технике как датчики давления, пьезоэлектрические детонаторы, источники звука огромной мощности, миниатюрные трансформаторы, кварцевые резонаторы для высокостабильных генераторов частоты, пьезокерамические фильтры, ультразвуковые линии задержки и др. Наиболее широкое применение в этих целях кроме кристаллического кварца получила поляризованная пьезокерамика, изготовленная из поликристаллических сегнетоэлектриков, например, из цирконата-титаната свинца[1].

Чаще всего современный человек встречается с ними в зажигалках, где искра образуется от удара в пьезопластинку, а также при медицинской диагностике с помощью УЗИ, в которой используются пьезоэлектрические источник и датчик ультразвука. Передовой областью использования пьезоэлектриков является сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ). Из них изготавливаются сканирующие элементы зондовых микроскопов, осуществляющие перемещение зонда в плоскости образца с точностью до 0.01 Å. Наибольшее распространение в ней имеют трубчатые пьезоэлементы. Они позволяют получать достаточно большие перемещения объектов при сравнительно небольших управляющих напряжениях. Они представляют собой полые тонкостенные цилиндры, изготовленные из пьезоэлектрических материалов. Соединение трех таких трубок в единый узел позволяет организовать перемещение зонда в трех ортогональных направлениях, такой сканирующий элемент называется триподом

Сравнительно новой областью применения пьезоэлектриков являются пьезоэлектрические двигатели. В таких двигателях отсутствуют какие-либо обмотки и магнитные поля, поэтому они находят применение в радиотехнических устройствах, лентопротяжных и других приводах магнитофонов, в робототехнике. В пьезодвигателях основным элементом являются поляризованные керамические пластинки, колебания которых преобразуются во вращательное движение ротора. В настоящее время уровень разработки пьезокерамических, сверхтвердых и износостойких материалов ограничивает применение пьезодвигателей мощностью до 10 Вт, однако их характеристики указывают на перспективность применения в современных электронных устройствах, системах автоматизации и в бытовой технике[1].

В конце 60-х — начале 70-х годов были открыты высокоэффективные полимерные пьезоэлектрики на основе, в частности, поливинилиденфторида (ПВДФ), конкурентноспособные с пьезокерамикой. Пьезопленка из ПВДФ и композитов на ее основе находит применение в бесконтактных переключателях в клавиатуре калькуляторов, ЭВМ, телефонных номеронабирателях, электрических печатающих машинках. Широко применяются также композиционные полимерные пьезоэлектрики, получаемые смешением полимеров с пьезоактивным наполнителем, обычно пьезокерамикой.

Стабильность пьезосвойств ПВДФ и керамики ЦТС сравнима. Основные параметры композитов с ЦТС снижаются на 1% в год в течение 10 лет, у ПВДФ — на 4% за 10 лет[1].

Пьезоэлектрические свойства проявляются у поляризованных керамических сегнетоэлектриков. После поляризации в постоянном электрическом поле сегнетоэлектрик ведет себя как монокристалл. Первый пьезопреобразователь на основе титаната бария появился в 1947 г. До сих пор пьезокерамика остается незаменимой для ряда преобразователей звукового и ультразвукового диапазонов. Разработка технологии сегнетокерамики и изучение ее свойств относится к специальным разделам материаловедения.

Первое сообщение об использовании пленочных преобразователей ультразвукового диапазона появилось в 1965 г. Благодаря применению пьезоэлектрических пленок при изготовлении линии задержки на объемных волнах, рабочую частоту удалось повысить до 18 ГГц. Другим этапом пленочных устройств стали высокоэффективные акустооптические приборы на объемных акустических волнах (ОАВ), а с 1970 г. стали выпускаться преобразователи на поверхностных акустических волнах (ПАВ) на пьезоэлектрических подложках. Промышленное применение находят пленки ZnS, CdS, ZnSe, CdSe. На основе AlN создают приборы гигагерцевого диапазона с высокой скоростью[2].

Представляют интерес для изучения и пьезоэлектрические свойства пленок с низкой скоростью звука типа Bi₁₂GeO₂₈, Bi₁₂SiO₂₀. Заметной пьезоактивностью обладают пленки LiNbO₃, Li_1-xNa_xNbO₃, BeO, LaN, GaAs, LiO₃ и др. Для массового выпуска телевизионных фильтров применяются монокристаллы ниобата лития, керамика PZT и тонкие пленки оксида цинка.

Промышленность многих стран, включая нашу, в настоящее время выпускает промышленные полимерные пьезоматериалы в основном на основе поливинилиденфторида, в виде металлизированных пленок толщиной от 5 мкм до 1..2 мм. На основе поливинилиденфторида разработаны высокоэффективные пьезоэлектрики конкурентноспособные с пьезокерамикой. Поливинилиденфторид и сополимеры винилиденфторида с другими мономерами обладают сегнетоэлектрическими свойствами – способностью к переполяризации, гистерезисными зависимостями поляризации от напряженности поля и температурой Кюри [1].

Из высокоэффективных пьезоэлектрических стеклообразных полимеров можно назвать сополимер винилиденцианида с винилиденацетатом.

Ø военная техника; транспорт, спортивные товары и товары для отдыха.

studfiles.net