Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Технология приборостроения

Диссертационная работа:

Чернов Владимир Александрович. Совершенствование конструктивно-технологических параметров многослойных пьезоэлектрических пьезоактюаторов : диссертация ... кандидата технических наук : 05.11.14 / Чернов Владимир Александрович; [Место защиты: Моск. акад. рынка труда и информац. технологий].- Москва, 2009.- 213 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/1232

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение. Общая характеристика работы 3

1. Аналитический обзор 11

2. Физические основы проектирования многослойных пьезоэлектрических актюаторов 62

3. Разработка конструкций и технологий изготовления многослойных пьезоэлектрических актюаторов 104

3.1. Выбор пьезокерамического материала 104

3.2. Конструкция и технология изготовления дисковых пьезоэлементов для пьезоактюаторов типа I и II 109

3.3. Исследование параметров пьезоэлементов 112

3.4. Конструкция и технология изготовления многослойных пьезоэлементов для пьезоактюаторов типа III. Предельные параметры 113

3.5. Технология изготовления многослойного пьезоэлемента 120

3.6. Конструкции пьезоактюаторов 124

3.7. Герметизация пьезоактюаторов 128

3.8. Технология изготовления многослойного пьезоактюатора типа 1 131

3.9. Технология изготовления многослойных пьезоактюаторов типа II 133

3.10. Технология изготовления многослойных пьезоактюаторов типа III.. 136

4. Электрофизические и эксплуатационные параметры многослойных пьезоэлектрических актюаторов 139

4.1. Разработка методик измерений и испытаний многослойных пьезоэлектрических актюаторов 139

4.2. Исследование электрофизических и эксплутационных параметров многослойных пьезоэлектрических актюаторов 158

4.3. Твердотельные многослойные пьезоэлектрические генераторы — перспективные пьезоактюаторы 184

Заключение 191

Литература 194

Приложение 1.

Список основных публикаций автора по теме диссертации 212 

Введение к работе:

Актуальность темы. В настоящее, время осуществляется широкое внедрение пьезоактюаторов в различные области науки и техники, диапазон применения которых варьируется от создания микромеханических устройств и систем адаптивной оптики до устройств снижения уровня шума и вибраций различных технических конструкций.

В России исследования в данной области проводятся с 1980 года.

Особенно интенсивно велись работы в период создания мощных лазеров, когда были разработаны и внедрены в производство ряд пьезоактюаторов для адаптивной оптики. Сегодня выдвигаются новые требования к пьезоактюаторам: снижение массогабаритных показателей, повышение быстродействия и надежности, ужесточение требований к механико климатическим воздействиям. Все это требует развития новых направлений в пьезоэлектрическом приборостроении, таких как разработка высокоэффективных пьезокерамических материалов, совершенствование конструкций пьезопреобразователей, создание принципиально новых технологий изготовления пьезоэлектрических актюаторов. Наиболее широко анализ различных типов пьезоактюаторов освещен в работе под редакцией А.Е. Панича «Пьезокерамические актюаторы», где дано определение пьезоактюатора как пьезомеханического устройства, предназначенного для приведения в действие механизмов, систем или управления ими на основе пьезоэлектрического эффекта.

Рядом зарубежных фирм: Morgan Е. С, Ceram Tec. AG, Piesomechanik GmbH, Physik Inst. GmbH, Pieso Kinetic TRS Cer., Noliac, APC Inter fctd, Pieso System, NEK TOKIN, Noliac и т.д., ведутся исследования и разработки, направленные на создание нового поколения пьезоактюаторов многослойной конструкции с применением последних достижений науки и техники, обеспечивающие их широкое применение. Наиболее востребованы многослойные пьезоактюаторы для изготовления быстродействующих клапанов и устройств впрыска топлива в современных двигателях, узлов точного позиционирования технологического оборудования и адаптивной оптики, систем автоюстировки, подстройки лазерных зеркал и оптиковолоконных линий связи, интеллектуальных устройств компенсации вибраций летательных аппаратов, станков, оборудования и транспортных средств, пьезоприводов зеркал, фар и регулировки сидений современных автомобилей.

Созданы и реализуются в различных устройствах науки и техники пьезоактюаторы общего назначения: в туннельной микроскопии, нано- и микросистемной технике и нанотехнологиях. Применение же пьезоактюаторов в специальной технике становится возможным только при детальном исследовании их параметров в жестких условиях эксплуатации с обязательной оптимизацией конструкций и разработкой технологий создания многослойных пьезоактюаторов.

Таким образом, представляется перспективной и актуальной задача создания многослойных пьезоэлектрических актюаторов двойного применения: как для спецтехники, так и для народного хозяйства.

Объектом исследования диссертационной работы является совершенствование конструкции и инновационные технологии создания многослойных пьезоэлектрических актюаторов.

Предмет исследования: решение научной задачи по совершенствованию конструкций и развитию инновационных технологий создания пьезоэлектрических актюаторов многослойных конструкций.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Проведение анализа характеристик пьезокерамических материалов, используемых в России и за рубежом для изготовления многослойных пьезоэлектрических актюаторов и разработка требований к этим материалам, которые должны обладать высокой эффективностью и технологичностью в производстве; 2. Создание математической модели и выполнение математического моделирования для оценки параметров многослойных пьезоэлектрических актюаторов, работающих в статическом и динамическом режимах;

3. Разработка методов испытаний многослойных пьезоэлектрических актюаторов в статическом и динамическом режимах работы, обеспечивающих неразрушающий контроль качества пьезоактюаторов в процессе производства и эксплуатации;

4. Разработка принципов и методов оптимизации технологических процессов в опытном и мелкосерийном производстве многослойных пьезоэлектрических актюаторов для снижения материалоемкости и трудоемкости их изготовления, уменьшения массогабаритных характеристик в пять раз, повышения надежности и увеличения срока эксплуатации в два раза;

5. Проведение экспериментальных исследований по изучению электрофизических параметров многослойных пьезоэлектрических актюаторов с целью дальнейшего использования их для конструирования микромеханических и оптико-электронных систем;

6. Представление на основе результатов моделирования и испытаний перечня эксплутационных параметров и надежностных характеристик пьезоактюаторов, которые рекомендуются использовать разработчикам на стадии проектирования востребованных рынком наукоемких изделий.

Методы исследования. Для решения основных задач по теме диссертационной работы использовались основные положения физики твёрдого тела, теории упругости и методы математического моделирования физических процессов в твердотельных сегнетоэлектрических структурах; экспериментальные исследования базировались на положениях теории измерений, планирования эксперимента и статистической обработки полученных результатов.

Достоверность результатов подтверждается высокой степенью корреляции данных, теоретически рассчитанных методом конечных элементов, с экспериментальными данными, полученными при внедрении результатов диссертационной работы в производство.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

1. Разработаны математические модели и методы расчета многослойных пьезоэлектрических актюаторов, работающих в статическом и динамическом режимах, которые являются развитием ранее существовавших теорий создания актюаторов. Данные модели обеспечили анализ характеристик и оптимизацию конструктивных параметров пьезоактюаторов;

2. Обоснован и создан высокоэффективный пьезокерамический материал, который внедрен в инновационный технологический процесс изготовления многослойных пьезоэлектрических актюаторов, что позволило за счет снижения температуры спекания пьезокерамики на 250°С уменьшить трудоемкость их изготовления в два раза, материалоемкость и массогабаритные характеристики изделий в пять раз. Технические решения по способу получения пьезокерамического материала защищены патентом;

3. Разработаны и обоснованы в работе новые конструкции многослойных пьезоэлектрических актюаторов и технологии их изготовления, позволяющие автоматизировать технологические процессы производства, повысить надежность и срок эксплуатации изделий;

4. Обоснованы и разработаны методики определения характеристик и параметров многослойных пьезоэлектрических актюаторов в различных условиях и режимах эксплуатации: в температурном диапазоне от минус 60°С до +85°С и механическом воздействии: одиночный удар с ускорением до 150 м/с2.

Практическая значимость полученных в диссертации результатов заключается в том, что:

1. Предложенная в работе математическая модель и методы расчета позволяют определить параметры многослойного пьезоэлектрического актюатора, работающего на заданную нагрузку в статическом и динамическом режимах с погрешностью не более ±10—15%, что обеспечивает снижение трудоемкости в три раза, сокращению технологических потерь в два и более раза;

2. На основе разработанного пьезокерамического материала создана инновационная технология изготовления пьезоактюаторов с низкой температурой спекания, что дало возможность применить в качестве электродов сплав серебро-палладий при соответствующем снижении стоимости изделий практически в два раза по сравнению с традиционной высокотемпературной технологией на основе сплава платина-палладий;

3. Разработаны методики измерений параметров пьезоактюаторов в динамических условиях. Это позволило получить рациональные конструктивно-технологические решения для нового поколения многослойных пьезоэлектрических актюаторов, надёжно обеспечивающих определенный сегмент российского рынка.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены:

- в производство ОАО «НИИ «Элпа» при выполнении опытно-конструкторских работ: «Разработка пьезокерамических многослойных преобразователей специального назначения», «Разработка технологии проектирования пьезокерамических устройств для микромеханических изделий»;

- в производстве НКТБ «Пьезоприбор» при создании многослойных конструкций чувствительных элементов датчиков преобразующей аппаратуры ракетно-космической техники (РКТ) освоена технология изготовления преобразователей на базе низкотемпературного пьезоматериала ЦТС-46. При этом использованы математические модели и методы расчета параметров многослойных пьезоэлектрических актюаторов, что позволило повысить надежность и долговечность чувствительных элементов датчиков, работающих в экстремальных условиях эксплуатации.

Выпуск многослойных пьезоэлектрических актюаторов осуществляется в ОАО «НИИ «Элпа», технология изготовления преобразователей на базе низкотемпературного пьезоматериала ЦТС-46 применяется в НКТБ «Пьезоприбор» с 2007 года, что подтверждается актами о внедрении и использовании результатов диссертации.

Апробация работы. Результаты исследований, составляющие содержание диссертации, докладывались на:

1. Международной научно-практической конференции «Фундаментальное материаловедение, пьезоэлектрическое приборостроение и нанотехнологиии» (Пьезотехника-2005) 23-26 августа 2005 года, г. Москва.

2. Международной научно-технической конференции «Датчики и системы-2005» 6-10 апреля 2005 года, г. Пенза.

3. Всероссийской научно-практической конференции «Датчики и системы 2006» 30-31 мая 2006г., г.Москва.

4. VI Международной научно-технической конференции «Инновационные процессы пьезоэлектрического приборостроения и нанотехнологий» 22-26 сентября 2008 года, г.Анапа.

Публикации. По теме диссертации опубликовано одиннадцать печатных работ, из них две работа в издании, включенном в Перечень научных и научно-технических изданий ВАК. Получен один патент на изобретение.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель и результаты моделирования характеристик многослойных пьезоэлектрических актюаторов в статическом и динамическом режимах; 

2. Результаты обоснования и разработки высокоэффективного пьезокерамического материала с низкой температурой спекания для инновационного технологического процесса изготовления многослойных пьезоэлектрических актюаторов;

3. Методики определения параметров многослойных пьезоэлектрических актюаторов в динамическом режиме работы с требуемой точностью;

4. Усовершенствованные и разработанные конструкции многослойных пьезоактюаторов и инновационные технологии их изготовления, обеспечивающие в производстве снижение трудоемкости в три раза, повышение качества продукции, надежности изделий и увеличение срока их эксплуатации в два раза.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 56 рисунков, 30 таблиц, списка литературы из 194 наименований и одного приложения. Полный объем диссертации составляет 216 страниц. 


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net