ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПЬЕЗОКЕРАМИКИ

6. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПЬЕЗОКЕРАМИКИ

Технологический процесс изготовления пьезокерамических деталей (пьезоэлементов) можно условно разбить на три основные стадии: подготовка материалов, изготовление заготовок и изготовление собственно пьезоэлементов.

Технологический процесс производства пьезоэлементов рассмотрим на примере изготовления пьезокерамики из титаната бария (ВаТiO₃), так как активный элемент в преобразователе изготовлен из пьезокерамики ЦТС-19.

6.1. Подготовка материалов

 Исходное сырье для пьезокерамичоского материала предварительно дозируют, затем смешивают компоненты и производят высокотемпературный синтез.

Исходным сырьем для изготовления пьезокерамики являются углекислый барий и двуокись титаната. Углекислый барий в состоянии поставки может быть в виде порошка или пасты. Двуокись титана поставляется в виде порошка. Поступающие со склада компоненты содержат большое количество влаги и поэтому подвергаются сушке при температуре 110 - 130° С. Сушка производится в сушильных шкафах с естественной вытяжкой или в специально оборудованных туннельных печах. Сушильные устройства должны быть оборудованы терморегулирующей аппаратурой.

После сушки образовавшиеся комки компонентов протирают через сито на протирочной машине. Протирочная машина состоит из сварной станины, на которой установлен цилиндрический бункер. Под бункером размещается металлическое сито, по которому скользят вращающиеся металлические лопасти, приводимые в движение электродвигателем с редуктором. Загруженные в бункер комкообразные компоненты разбиваются вращающимися лопастями и одновременно протираются через сито.

Вредной примесью в исходном сырье является металлическое железо. Для очистки от примесей железа сырье обрабатывается на магнитном сепараторе. В магнитном сепараторе сырье через загрузочный бункер тонким слоем ссыпается на вращающийся барабан, изготовленный из листовой тонкой (1,5 – 2 мм) латуни. Внутри латунного барабана находятся мощные электромагниты. Сырье, очищенное от железа, ссыпается в лоток, а частицы железа счищаются с поверхности барабана скребком и попадают в лоток.

Контроль качества очистки порошкообразной массы сырья осуществляется при помощи постоянного магнита, погружаемого в порошок. Если на полюсах магнита собираются частички железа, процесс магнитной сепарации повторяется.

Дозировка исходного сырья производится взвешиванием на технических весах 1-го класса. Шихта (набор компонентов) для синтеза титаната бария состоит из углекислого бария (71%) и двуокиси титана (29%). Перед дозировкой взвешиванием необходимо проверять влажность компонентов, которая не должна превышать 0,5%. Содержание влаги в компонентах проверяют следующим образом: берут навеску 50 - 100 г компонента и помещают в хорошо прокаленную фарфоровую чашку или стеклянный стакан. Сосуд с проверяемым сырьем взвешивают, а затем прокаливают при температуре 100 - 110°С. Охлажденную в эксикаторе до комнатной температуры навеску вновь взвешивают вместе с чашкой. Абсолютная влажность определяется по формуле

,

где W - абсолютная влажность сырья, %,

q₀ - масса влажного сырья, г;

q₁  - масса высушенного сырья, г.

Смешивание компонентов шихты производится в шаровых или вибрационных мельницах.

Шаровая мельница представляет собой стальной цилиндрический барабан, внутренние стенки которого выложены (футерованы) радиофарфором или другим высокопрочным керамическим материалом. Барабан приводится во вращение электродвигателем через систему клиноременных передач.

Перемешивание и измельчение материалов в шаровых мельницах осуществляется с помощью фарфоровых шаров диаметром от 20 до 100 мм. Размер шаров зависит от емкости барабана. Загрузка и выгрузка материалов и шаров производится через специальные люки в барабане. При вращении барабана шары поднимаются и падают вниз, перемалывая и перемешивая таким образом материал.

Смешивание в шаровой мельнице может производиться «сухим» или «мокрым» способом. Во втором случае кроме смешиваемых компонентов и шаров в шаровую мельницу наливают воду в весовом соотношении 1:1:1,7. Перемешивание углекислого бария и двуокиси титана должно длиться 6 - 7 ч.

По окончании перемешивания шихте дают отстояться 3 - 4 ч, удаляют верхний слой воды, а отстоявшийся шликер (жидкую массу) просушивают с помощью фильтра - пресса и в сушильном шкафу.

Применение шаровых мельниц имеет ряд серьезных недостатков: очень длительный процесс смешивания или помола, необходимость сушки шликера после смешивания и помола, для чего требуется дополнительное оборудование и время. Кроме того, в шаровых мельницах происходит намол материала футеровки и шаров, который отделить практически невозможно. Поэтому шаровые мельницы в ряде случаев заменяют более производительными вибрационными мельницами.

Вибромельница представляет собой стальной корпус, внутренняя полость которого покрыта резиной. Он установлен на пружинах, которые в свою очередь посажены на направляющие пальцы, укрепленные на несущей раме Вибратор, состоящий из чашек с набором секторов, предназначенных для нарушения баланса, укреплен на валу. Вал через соединительную муфту соединен с электродвигателем, от которого он получает вращение. Вал проходит через корпус, в котором запрессованы подшипники. При вращении вала вследствие дисбаланса, создаваемого вибратором, корпус совершает колебательные движения в вертикальной плоскости.

Для охлаждения корпус снабжен водяной рубашкой, в которую вода подается через специальный штуцер. Размельчаемый и смешиваемый материал загружается через люк, закрываемый крышкой. Вместе с материалом в мельницу загружаются стальные шары диаметром 15 - 25 мм. Выгрузка материала и шаров из вибромельницы производится через люк.

Амплитуда колебаний корпуса вибромельницы может быть изменена за счет изменения количества секторов вибратора.

Смешивание компонентов шихты - углекислого бария и двуокиси титана - на вибромельнице производится в течение 50 - 60 мин. При этом коэффициент заполнения объема вибромельницы составляет 0,8 - 0,9; соотношение веса загруженных материалов и веса шаров 1: 6.

Смешанная на вибромельнице шихта подвергается магнитной сепарации для удаления частиц железа, которые могли появиться от намола стальных шаров.

Очищенный от железных примесей пьезокерамический материал увлажняется водой (5 – 8 %) и брикетируется. На гидравлическом прессе в формах при удельном давлении прессования 4 - 10⁷ Н/м² получают брикеты цилиндрической формы диаметром 70 - 75 мм и высотой 50 - 60 мм.

Ответственной операцией при изготовлении титаната бария является синтез углекислого бария и двуокиси титана.

Высокотемпературный синтез (получение твердого раствора) BaCO₃ и TiO₂ производится в нагревательных печах при температуре 1280 - 1330°С. При высокой температуре происходит реакция образования титаната бария

ВаСО₃ + ТiO₂ = ВаТiO₃ + СО₂.

Наиболее успешно эта реакция происходит в туннельных электрических печах, так как электрическими нагревателями можно легко обеспечить необходимый температурный режим.

Подготовленные к обжигу брикеты устанавливаются на подвижные тележки, которые проталкиваются через туннельную печь с определенной скоростью, зависящей от характеристик печи и партии исходного сырья. После синтеза брикеты ВаТiO₃ имеют удельный вес 57,5 Н/м³ и равномерную желтовато - зеленую окраску.

Приготовленный указанным способом ВаТiO₃ представляет собой полуфабрикат и еще не пригоден для изготовления пьезоэлементов.

Дробление брикетов титаната бария производится на дробильном агрегате.