Акустический контроль нелинейных и нестационарных параметров пьезокерамических систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, доктор технических наук Цаплев, Валерий Михайлович

• Цаплев, Валерий Михайлович
• доктор технических наук
• 2003

Оглавление диссертации доктор технических наук Цаплев, Валерий Михайлович

Введение.

Глава I. Исследование последействия в пьезокерамике (обзор).

1.1. Явление последействия и физические механизмы последействия.

1.2. Возможности управления концентрацией доменных границ.

1.2.1. Влияние механических напряжений на последействие.

1.2.2. Влияние электрического поля на последействие.

Глава II. Частотная дисперсия упругих свойств.

Ч 2.1. Экспериментальные данные.

2.2. Модель колебательного движения и дисперсионные соотношения.

Глава III. Нелинейные свойства пьезокерамики.

3.1. Текстурные нелинейные свойства.

3.2. Воздействие внешних факторов на анизотропию пьезокерамики.

3.3. Динамические нелинейные свойства.

3.4. Оценка энергии взаимодействия доменных стенок с дефектами.

3.5 Применимость закона Рэлея.

3.6. Нелинейность пьезомодуля вне области Рэлея.

• 3.7. Частотная зависимость пьезомодуля.

3.8. Фазовый угол пьезоэлектрических потерь и петля гистерезиса.

Глава IV. Факторы, не связанные с движением доменных границ.

41. Оценка вклада движения доменных границ.

4.1. Влияние точечных дефектов.

4.3. Влияние межзеренных и межфазных границ.

4.4. Влияние микропор и микротрещин.

4.5. Влияние одноосного сжатия.

Глава V. Методы исследования упругих и неупругих свойств пьезокерамических материалов под нагрузкой.

5.1. Статические методы.

5.2. Динамические методы.

5.3. Методы исследования в килогерцовом диапазоне частот.'.

5.4. Метод составного вибратора.

5.5. Применение метода составного вибратора под нагрузкой.

5.6. Основные соотношения метода составного вибратора.

5.7. Измерительная аппаратура с составным вибратором.

5.7.1. Аппаратура с четырехкомпонентным составным вибратором.

5.7.2. Непосредственное измерение длины упругой волны в образце.

5.8. Способы возбуждения вибратора и регистрация колебаний.

5.8.1. Метод двух преобразователей.

5.8.2. Метод одного преобразователя.

5.9. Методы измерений амплитудно-зависимых упругих параметров пьезокерамических материалов.

5.9.1. Метод замещения.

5.9.2. Метод спада свободных колебаний.

5.9.3. Калибровка аппаратуры и оценка точности измерений.

5.9.4. Измерение амплитудно-зависимых параметров при одновременном воздействии статического сжатия.

Глава VI. Исследование упругой ползучести в пьезокерамике.

6.1. Основные теоретические соотношения.

6.2. Неустановившаяся ползучесть.

6.3. Экспериментальные результаты.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Акустический контроль нелинейных и нестационарных параметров пьезокерамических систем»

Физические процессы, происходящие в пьезокерамических материалах, определяют работу многочисленных классов электромеханических преобразователей. Эти преобразователи могут применяться в акустике, гидроакустике, средствах наблюдения за окружающей средой, приборах неразру-шающего контроля, дефектоскопии, автоматики, и т.д. Поэтому исследования физических свойств различных пьезокерамических материалов, начавшиеся более полувека назад с открытием сегнетоэлектричества в титанате бария, за прошедшее с этого время нарастали лавинообразно, и к настоящему времени число публикаций, посвященных свойствам этих материалов, исчисляется десятками тысяч.

Тем не менее, полной ясности относительно физических механизмов, определяющих поведение упругих свойств пьезокерамических материалов, нет. Исследования зависимости упругих и пьезоэлектрических параметров и внутреннего трения от механических напряжений очень немногочисленны, что объясняется методическими и экспериментальными трудностями. В то же самое время этот вопрос представляет значительный интерес, так как условия эксплуатации пьезопреобразователей часто связаны с действием больших механических нагрузок. Из имеющейся литературы, а также из более ранних работ автора известно, что все параметры пьезокерамики - упругие, неупругие, пьезоэлектрические и диэлектрические - проявляют сильную нелинейность. Природа этой нелинейности в принципе ясна, однако детальные исследования проводились, в основном, в отношении диэлектрических и пьезоэлектрических свойств. Упругие динамические нелинейные свойства и нелинейность внутреннего трения мало изучены, что также объясняется экс-щ периментальными трудностями.

Между тем, именно данные о нелинейности упругих параметров необходимы для реализации всех возможностей пьезокерамических материалов при разработке пьезопреобразователей, работающих в условиях больших статических, динамических и ударных нагрузок. Нелинейные свойства дают также возможность построения целого нового класса пьезопреобразователей — параметрических преобразователей, работающих на нелинейном эффекте.

Создание пьезоэлектрических текстур, управляемых механическими напряжениями, кажется весьма привлекательным также и с научной точки зре-t ния, поскольку представляет собой удобный способ изучения особенностей пьезоупругих взаимодействий. Иначе говоря, изучение поведения динамических модулей упругости и внутреннего трения под действием одноосного сжатия является перспективным методом в физике твердого тела.

Все сказанное выше в полной мере относится также и к исследованию ползучести в пьезокерамике. Несмотря на огромное число публикаций, этот вопрос остается малоисследованным. Известно, что пьезокерамика обладает ярко выраженным эффектом последействия. Этот эффект многократно описан в литературе, однако, последействие в большинстве случаев понимается различными авторами лишь как старение, т.е. изменение параметров после изготовления, или поляризации, или после термического воздействия, в некоторых публикациях - после электростатического воздействия. Между тем, последействие наблюдается после любого возмущения — механического статического, ударного воздействия, скачкообразного электростатического, и т.д. В общем виде такое последействие может быть названо ползучестью. В таком виде явление ползучести применительно к пьезокерамике практически не исследовано, за исключением ранних работ автора.

Таким образом, перед автором стояла задача создания новых акустических методов исследования нелинейных упругих и неупругих динамических свойств пьезокерамических материалов с целью возможности управления системами, содержащими элементы из этих материалов, и более широко -создание новых методов неразрушающего контроля, пригодных для изучения нелинейных свойств и ползучести широкого класса материалов.

Были выполнены измерения модулей упругости, внутреннего трёния, коэффициентов электромеханической связи в зависимости от величины приложенных статических механических напряжений сжатия, от амплитуды переменных механических напряжений и от времени, т.е. исследованы эффекты последействия, или ползучести.

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Цаплев, Валерий Михайлович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая работе посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям возможности управления нелинейными упругими и неупругими характеристиками различных пьезокерамических материалов, применяемых в промышленности и в области исследования и мониторинга окружающей среды. Приведены результаты исследований нестационарных явлений, ползучести, свойственных этим материалам. Описаны оригинальные методы измерений указанных параметров, не имеющие аналогов в практике физических исследований. Получены данные по зависимостям модулей упругости, механических потерь (внутреннего трения), пьезоэлектрических и диэлектрических констант и коэффициентов электромеханической связи от приложенных напряжений одноосного сжатия, температуры, амплитуды колебаний. Описаны физические механизмы, ответственные за эти процессы. Установлена связь между нелинейными эффектами и ползучестью пьезокерамических систем. Полученные данные могут быть использованы для разработки и конструирования электромеханических систем, содержащих элементы из пьезоактивных материалов, отличающихся более стабильными характеристиками, для создания новых параметрических электромеханических и акустических устройств и приборов, использующих эффект нелинейности активного материала, а также для создания пье-зопреобразователей с управляемыми параметрами.

Данные о нелинейности упругих параметров необходимы для реализации всех возможностей пьезокерамических материалов при разработке пьезорреоб-разователей, работающих в условиях больших статических, динамических и ударных нагрузок. Нелинейные свойства дают также возможность построения целого нового класса пьезопреобразователей - параметрических преобразователей, работающих на нелинейном эффекте.

Создание пьезоэлектрических текстур, управляемых механическими напряжениями, весьма привлекательно также и с научной точки зрения, поскольку представляет собой удобный методический прием для изучения особенностей пьезоупругих взаимодействий. Иначе говоря, изучение поведения динамических модулей упругости и внутреннего трения под действием одноосного сжатия является новым и перспективным методом в физике твердого тела.

То же самое относится и к исследованию ползучести в пьезокерамике. Пье-зокерамика обладает ярко выраженным эффектом последействия. Это последействие наблюдается после любого возмущения — механического статического, ударного воздействия, электростатического и т.д. В общем виде такое последействие может быть названо ползучестью и применительно к пьезокерамике до настоящего времени практически не исследовалось.

Таким образом, автором была сформулирована, поставлена и решена актуальная научная проблема:

1) исследование динамических нелинейных упругих и неупругих характеристик пьезокерамических материалов высокоточными акустическими методами;

2) контроль модулей упругости и неупругих потерь в пьезокерамических материалах, работающих в условиях экстремальных воздействий;

3) обоснование возможности управления системами, содержащими элементы из пьезоактивных материалов;

4) исследование ползучести широкого класса материалов и контроль их нестационарных характеристик.

Главной целью настоящей работы было теоретическое и экспериментальное обоснование, разработка и создание акустических методов исследования динамической упругой нелинейности и ползучести различных материалов, как активных - пьезокерамических или магнитострикционных, так и пассивных.

Дополнительной целью был теоретический и экспериментальный анализ взаимосвязи упругих характеристик, внутреннего трения, коэффициентов электромеханической связи с величиной приложенного статического механического напряжения сжатия, с амплитудой переменных механических напряжений и с временем пребывания под действием приложенной статической нагрузки, т.е. исследование эффектов ползучести.

В соответствии с целями главный акцент был поставлен на решении технических проблем и на феноменологическом описании найденных эффектов.

Что касается физических механизмов, происходящих в пьезокерамических материалах, то детальное исследование этих механизмов далеко выходит за рамки настоящей работы. Тем не менее, основные физические механизмы, ответственные за происходящие процессы, были рассмотрены с целью формулирования задач управления упругими свойствами материалов.

В соответствии с поставленной целью в диссертации были сформулированы следующие основные задачи:

1. Теоретически обосновать и выбрать частотный диапазон измерений модулей упругости и неупругих характеристик пьезокерамических материалов.

2. Создать адекватные методы измерений названных параметров в условиях действия весьма значительных сжимающих нагрузок в широком диапазоне частот и температур.

3. Выполнить, пользуясь созданными методами, исследования влияния управляющих параметров - механических сжимающих напряжений и электрических полей на упругие и неупругие свойства пьезоматериалов.

4. Создать достаточно точный метод исследования динамической ползучести пьезоматериалов и выполнить соответствующие измерения упругого и неупругого последействия.

5. Установить степень влияния тех или иных физических механизмов на происходящие процессы с целью прогнозирования возможности управления параметрами.

6. Оценить возможности применения полученных результатов в технике.

В диссертации автором были получены следующие результаты:

1. Предложен, теоретически обоснован и экспериментально исследован физический механизм возникновения нестационарной ползучести упругих характеристик пьезокерамических материалов под действием скачкообразно приложенного и постоянно действующего одноосного напряжения сжатия. Этот вид ползучести возникает в сегнетоэлектрической фазе и характеризуется плотным спектром энергий активации.

2. Предложен, теоретически обоснован и практически отработан комплекс высокоточных акустических методов получения информации о ползучести упругих характеристик пьезокерамических материалов. Разработаны различные варианты схем измерения, позволяющие исследовать нестационарные процессы под действием больших одноосных напряжений сжатия в широком диапазоне частот и температур.

3. Разработанные методы акустических измерений позволяют измерять нелинейные модули упругости и внутреннее трение под действием одноосных нагрузок до 150 МПа. Дефект модуля упругости и относительные изменения коэффициента внутреннего трения в сегнетоэлектрической фазе более, чем на порядок превышают соответствующие изменения в', пара-электрической фазе, выше точки Кюри, что говорит о доменном механизме изменений.

4. Теоретически обоснован и практически применен акустический метод оценки границ спектра энергий активации процессов, ответственных за процессы последействия. Показано, что величина нижней границы спектра более, чем на порядок превышает величину верхней границы. Рассмотрены физические механизмы процессов, определяющих последействие.

5. Установлены физические механизмы, приводящие к появлению нелинейности упругих свойств и внутреннего трения в пьезокерамических материалах. Показана связь между нелинейностью и переходными процессами, происходящими в пьезокерамических материалах после скачкообразного приложения внешнего возмущения (электростатического поля или механического статического напряжения сжатия). Эта связь, в основном, обусловлена изменением концентрации и подвижности 90-градусных доменных границ. Предложен, теоретически обоснован и экспериментально проверен способ управления концентрацией 90-градусных границ.

6. Впервые получены данные по частотной зависимости упругих параметров пьезокерамических материалов. Установлены физические механизмы, приводящие к появлению частотной дисперсии модуля Юнга. Показано, что в свободной пьезокерамике упругая дисперсия отсутствует вплоть до частот порядка нескольких мегагерц. Эта дисперсия, однако, появляется в результате воздействия механического статического напряжения сжатия, приложенного скачком. Дисперсия увеличивается по мере увеличения нагрузки. Дефект модуля Юнга уменьшается по мере увеличения частоты, причем характер зависимостей - релаксационный.

7. Установлено значение верхней частотной границы релаксационного уменьшения дефекта модуля Юнга. Это значение для пьезокерамики тита-ната бария при комнатной температуре равно 3 МГц. При более высоких частотах зависимости дефектов различных модулей упругости от сжатия становятся частотно-независимыми.

8. Показано, что нелинейные зависимости упругих свойств пьезокерамических материалов от напряжения сжатия определяются двумя физическими механизмами. Один из них, который можно назвать текстурной нелинейностью, является частотно-независимым. С увеличением сжатия полярные оси сегнетоэлектрических доменов переориентируются квазиперпендику-лярно оси сжатия. В результате, одни модули упругости увеличиваются, а другие - уменьшаются. Второй механизм - частотно-зависимый, который связан с колебательным движением 90-градусных доменных границ. Впервые оценен вклад каждого из этих механизмов в упругость материала.

9. Показано, что упругие характеристики материала и потери в нем существенно зависят от наличия микропор и микротрещин. Выполнено моделирование пористости в поликристаллической керамике путем термообработки. Исследовано поведение пористых поликристаллических материалов под нагрузкой, и установлен физический механизм, определяющий это поведение.

Ю.Предложен и экспериментально отработан метод исследования влияния напряжения сжатия на пики внутреннего трения и упругой податливости пьезокерамических материалов в точке фазового перехода. Показано, что под действием одноосного сжатия температура фазового перехода увеличивается, а внутреннее трение уменьшается.

11.Область применения комплекса разработанной аппаратуры ультразвукового контроля нелинейных параметров и ползучести не ограничивается исследованием пьезокерамических материалов. Предложенные методы являются универсальными, могут использоваться для любых твердых материалов, и имеют самостоятельное значение для техники физического эксперимента.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Цаплев, Валерий Михайлович, 2003 год

1. ТЮз // Journal of Physics. C: Solid State Physics. 1978. Vol.11. P. 33333344.3.37. H. Cao and A. G. Evans. Nonlinear Deformation of Ferroelectric Ceramics //

2. Review. 1953. Vol.91. №3. P.513-517. 3-85. Ормонт Б. Ф. Введение в физическую химию и кристаллохимию полупроводников. М.: Высшая школа, 1982. 528 с. 3-86. L. Е. Cross. Ferroelectric Ceramics, P. 1 / eds. N. Setter and E. Colla.

3. Proceedings of the Physical Society (London). 1950. Vol.63B. № 1. P.2-11. 4-31. F. Gatto. Influence of Small Cavities on Velocity of Sound in Metals //