Введение к работе
Актуальность проблемы
Металлические электроды, нанесенные на поверхность пье-зокерамики, играют роль основных рабочих узлов, без которых невозможно создание и последующее функционирование пьезо-керамических элементов (ПКЭ).
Промышленный способ металлизации пьезокерамики - вжи-гание серебросодержащих паст в электрических печах сопротивления - имеет ряд недостатков. К основным из них относится большая продолжительность процесса, составляющая несколько суток, и низкая в ряде случаев адгезионная прочность соединений пьезокерамика - металл.
Одним из путей устранения недостатков промышленной технологии является применение для нагрева металлизируемых образцов электрофизических полей, в частности, высокочастотного (ВЧ) электрического поля. Эксперименты показали, что вжигание паст в электрическом поле мегагерцевого диапазона частот по схеме «стартового диэлектрика» позволяет значительно сократить продолжительность металлизации, повышает адгезионную прочность соединений пьезокерамики с металлом, при сохранении требуемых значений электрофизических параметров ПКЭ.
В то же время эксперименты показали, что установки диэлектрического нагрева не рассчитаны на длительную эксплуатацию в режимах ВЧ металлизации пьезокерамики. Недостатком технологии является также использование в качестве «стартового диэлектрика» токсичных асбестосодержащих материалов.
Дальнейшим шагом на пути применения электрофизических полей для нанесения металлических электродов из серебросодержащих паст на пьезокерамику является использование электромагнитного поля сверхвысокой частоты (СВЧ).
Цель работы
Теоретическое и экспериментальное исследование способов металлизации пьезокерамики и применение результатов исследования для совершенствования технологии изготовления акустических ПКЭ различной конфигурации.
Поставленная цель позволила сформулировать основные задачи диссертационной работы следующим образом:
обосновать выбор способа нанесения металлических электродов на пьезокерамику;
разработать физическую модель процесса СВЧ-металлизации пьезокерамических материалов системы циркона-та-титаната свинца (ЦТС);
экспериментально исследовать основные технологические факторы процесса СВЧ-металлизации пьезокерамики; физическими методами исследовать зону контакта пьезокерамика - металл, образующуюся при металлизации пьезокерамики различными способами;
исследовать электрофизические характеристики ПКЭ различной конфигурации, изготовленных с применением различных способов металлизации пьезокерамики..
Научная новизна
-
Разработана физическая модель металлизации пьезокерамики в СВЧ-электромагнитном поле. Обоснован выбор оптимального диапазона частот поля и определен'оптимальный способ передачи энергии электромагнитного поля в металлизируемые пьезокерамические образцы.
-
Методом локального рентгеноспектрального анализа определены глубина и характер проникновения серебра в пьезокерамику при различных способах вжигания серебра: промышленном, в ВЧ- электрическом поле и в СВЧ- электромагнитном поле.
-
Исследовано состояние поляризации в ПКЭ, изготовленных с применением различных способов металлизации: определены коэффициенты тепловой диффузии и профили пироэлектрического коэффициента.
Практическая ценность
-
Разработаны технологические режимы изготовления ПКЭ из материалов системы ЦТС с использованием металлизации в СВЧ-электромагнитном поле.
-
Определены электрофизические характеристики ПКЭ различной, в том числе сложной, конфигурации.
3. Разработана и реализована программа автоматизированного расчета электрофизических (ЭФ) параметров ПКЭ выбранных типоразмеров.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Эффективность повышения частоты электромагнитного по
ля, используемого для нагрева пьезокерамики, обусловлена уве
личением фактора потерь, снижением напряженности электриче
ской составляющей поля, а также поверхностным эффектом.
2. Оптимальным способом СВЧ-нагрева металлизируемой
пьезокерамики является нагрев в поле стоячей волны объемного
резонатора.
-
Воздействие СВЧ-поля приводит к увеличению коэффициента диффузии серебра по границам зерен пьезокерамики.
-
Способ нанесения металлических электродов на поверхность пьезокерамики оказывает влияние на физико-механические и электрофизические характеристики ПКЭ.
Апробация работы
Диссертационная работа заслушана и одобрена 12 апреля 2011 г. на расширенном заседании кафедры физики СПбГМТУ; основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: 11-й ВНК ВНКСФ-11 (г. Екатеринбург) 2005; 6-й МК «МОРИНТЕХ-2005» (г. Санкт-Петербург) 2005; XXIV-ой ОК молодых специалистов «МПО -МС - 2005» (г. Санкт-Петербург) 2005; МК «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании» (г. Одесса) 2009; International conference «Functional materials and nanotechnologies 2010» (Riga) 2010; ХХІХ-ой OHTK молодых ученых и специалистов «МПО - МС - 2010» (г. Санкт-Петербург) 2011. Имеется акт внедрения.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 9 работ. Две работы выполнены без соавторства, семь работ выполнены в соавторстве, доля автора 20% - 50%. В изданиях, определяемых Перечнем
ВАК РФ, опубликовано 2 статьи, выполненные в соавторстве, доля автора 20 - 45%.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, и списка основной использованной литературы (90 наименований). Объем диссертации составляет 92 страницы, включая 30 рисунков и 12 таблиц.
