Изготовление пьезоэлемента излучателя

6.3. Изготовление пьезоэлемента излучателя

 На этой стадии осуществляют механическую обработку полученных из обжига заготовок, серебрение контактных поверхностей и поляризацию.

Механическая обработка пьезокерамических заготовок производится шлифованием на плоско- и кругло шлифовальных станках, применяемых при обработке металлов.

Шлифованием пьезокерамических заготовок можно придать им желаемую форму и получить необходимые размеры изделий. Шлифование производится «мокрым» способом, преимущественно алмазными кругами. В качестве охлаждающей жидкости используется проточная вода.

При обработке малогабаритных плоских деталей их приклеивают к шлифованным стальным плитам смесью 40% канифоли и 60% воска, смесью канифоли и парафина (1:1) или чистой канифолью. Для приклейки деталей плиту нагревают до температуры 60 - 70°С, наносят на нее тонкий слой клеящего вещества, а затем раскладывают заготовки. Плиту с наклеенными заготовками устанавливают на магнитном столе станка.

Для снятия заготовок после шлифования плиту вновь нагревают.

Цилиндрические поверхности пьезокерамики обрабатывают на круглошлифовальных станках, закрепляя детали с помощью специальных оправок.

Получить детали фасонного профиля, выполнить прошивку сквозных и глухих отверстий в пьезокерамике известными методами шли4ювания часто бывает невозможно. В последнее время успешно применяют методы ультразвуковой обработки для: 1) прошивки сквозных и глухих отверстий диаметром 5 - 40 мм в пьезокерамических пластинах толщиной 2 - 10 мм; 2) закругления острых кромок и граней радиусом 1,5 - 3 мм; 3) прошивки глухих пазов со скругленными углами; 4) нанесения рисок и различных сложных профилей на пьезокерамику.

Перечисленные операции выполняют на ультразвуковом станке с мощностью на выходе генератора 1,5 кВт и частотой колебаний вибратора 20 - 25 кГц. Для прошивки отверстий применяются ступенчатые концентраторы, изготовленные из стали 40Х.

При нанесении на деталь профилей различного вида рабочий профиль торца инструмента подбирают соответствующим заданной фигуре.

При обработке керамических заготовок с помощью ультразвука в качестве абразива используется карбид бора, а абразивная суспензия подается в зону обработки поливом.

Металлические электроды, нанесенные на поверхности пьезо-керамического элемента, должны обладать высокой электропроводностью и обеспечивать достаточный контакт и прочность сцепления с керамикой. С этой целью на поверхности пьезокерамических элементов наносят металлическое покрытие, создавая контактные поверхности. Наиболее распространенным покрытием является в настоящее время серебрение, а применяемым методом нанесения покрытия - вжигание серебра в керамику.

Возжженное в керамику серебро образует химически и механически стойкое покрытие и обеспечивает возможность припайки проводников к электродам обычными припоями с введением в них 2 - 3% серебра.

Прочность сцепления серебряного покрытия с керамикой в большой степени зависит от качества подготовки покрываемых поверхностей. Наиболее прогрессивным методом очистки поверхности керамики является ультразвуковая обработка. При этом методе очистки пьезокерамические элементы помещают в моющий раствор, нагретый до температуры 60 - 80°С и подвергают воздействию ультразвука в течение 5 - 7 мин. После этого элементы промывают в горячен воде н сушат в термостате при температуре 100 - 110°С в течение 1 - 2 ч.

При отсутствии ультразвуковых установок элементы перед серебрением можно очищать промывкой в горячей мыльной воде при температуре 50—70°С с последующей промывкой в проточной воде и прокаливанием при температуре 600 - 650°С в муфельной печи. После очистки непосредственно перед нанесением серебряной пасты поверхности элемента протирают спиртом.

Порядок приготовления пасты: навески окиси серебра, борнокислого свинца и окиси висмута смешивают и тщательно растирают в шаровой мельнице или фарфоровой ступке в течение 40 - 50 мин; в полученную смесь вводят связку, состоящую из раствора канифоли в скипидаре и касторового масла; снова перемешивают пасту в шаровой мельнице пли ступке.

Приготовленная паста должна храниться в герметично закрываемых сосудах.

Нанесение серебряной пасты на поверхности элементов из пьезокерамики можно производить пульверизацией, кистью вручную или на приспособлениях и другими способами. Процесс нанесения пасты пульверизацией легко поддается механизации, однако недостатком его являются большие потери серебра.

Независимо от метода покрытия паста должна быть нанесена равномерным слоем. После нанесения пасты элементы просушиваются на воздухе в течение 1 - 2 ч.

Вжигание серебра в керамику - заключительная операция нанесения электродов. Для проведения ее детали должны быть свободно уложены для загрузки в электрическую туннельную печь. Процесс вжигания производится при температуре 830 - 850°С. При постепенном повышении температуры до 200 - 300°С происходит выгорание органических пластификаторов, входящих в состав пасты (канифоль, касторовое масло и др.), а затем, при температуре 450 - 510°С, окись серебра восстанавливается до металлического серебра (2АgO®4Ag+O₂).

Наличие плавней в пасте значительно снижает температуру плавления серебра и обеспечивает высокую прочность сцепления кристаллов серебра между собой и с керамикой.

Один цикл вжигания серебра дает слой серебра на керамике, равный 4 – 6 мкм. Для получения достаточного для припайки вы­водов слоя серебра нанесение пасты и вжигание серебра производится трижды.

Поляризацией завершается изготовление пьезокерамических элементов. Как уже указывалось, в неполяризованной керамике отдельные хаотически расположенные кристаллики имеют области (домены) с различным направлением электрических моментов. Под влиянием сильного внешнего электрического поля происходит переориентация электрических моментов отдельных доменов кристалликов и появляется результирующая поляризация образца. После снятия внешнего поля наведенная поляризация сохраняется.

Поляризация пьезокерамики производится на высоковольтных установках постоянного тока с применением специальных электродов, обеспечивающих создание равномерного электрического поля. Поляризация может осуществляться как на воздухе, так и в различных электроизоляционных жидкостях - касторовом масле, трансформаторном масле, силиконовой жидкости и др.

Пьезокерамика из титаната бария поляризуется при температуре 110 - 115°С и напряженности электрического поля 6 кВ/см.

После поляризации производится замер электрофизических параметров пьезокерамики.

Список литературы

1. Ханке Х.-И., Фабиан Х. Технология производства РЭА: Пер. с нем./Под ред. В.Н. Черняева. - М.: Энергия. 1980.-464с.,ил.

1.    Головня В.Г. Технология деталей радиоаппаратуры. - М.: Радио и связь,1983. - 296с., ил.

2.    Глозман И.А. Пьезокерамика.М.: Энергия. 1967.-272с,ил.

4.Справочник Пьезокерамические преобразователи под ред. Пугачова С. И., Л.:Судостроение, 1984.

5. Дианов В.Ф., Дюдин Б.В. Физические методы и технология неразрушающего контроля материалов, сварных соединений и изделий ч.1.Ученое пособие. Таганрог. ТРТУ. 1995.

6. Методические указания № 2358. Под ред. Дианова В.Ф. Таганрог ТРТУ. 1996