Пьезоэлектрический слоистый актюатор

Полезная модель относится к области электрических устройств с электрическим входом и механическим выходом, выполненных на основе полупроводниковых элементов наборной пьезоэлектрической многослойной конструкции, предназначенных для использования в качестве исполнительного элемента для управления элементами конструкции и/или изменения упруго-деформационных характеристик материалов интеллектуального типа. Предложен пьезоэлектрический слоистый актюатор, включающий керамические слои с внутренними металлическими электродами, соединенными с наружной стороны с соответствующими электродами следующего слоя, и расположенный между ними промежуточный слой, отличающийся тем, что керамические слои выполнены из сегнетоэлектрической керамики, металлические электроды выполнены из тонкопленочного аморфного металлического материала, а промежуточный слой представляет собой полимерную электропроводящую композицию с наноструктурным металлическим наполнителем. В качестве полимерной электропроводящей композиции используют эпокси-каучуковое или феноло-каучуковое связующее. Металлические электроды представляют собой аморфные ленты, выполненные из сплава на основе никеля. В качестве наноструктурного металлического наполнителя используют частицы нанокристаллического материала размером 10-25 мкм, изготовленного из того же сплава, что и введенные в состав пьезоэлектрического актюатора электроды. Введенные металлические электроды являются одновременно армирующими элементами актюатора. Внутренние электроды соединены между собой и с внешними электродами способом точечной сварки. Технический результат - повышение эксплуатационных характеристик, снижение трудоемкости изготовления его компонентов, обеспечение надежного электрического соединения внутренних электродов с внешними электродами, увеличение стойкости к воздействию агрессивных факторов окружающей среды.

Полезная модель относится к области электрических устройств с электрическим входом и механическим выходом, выполненных на основе полупроводниковых элементов наборной пьезоэлектрической многослойной конструкции, предназначенных для использования в качестве исполнительного элемента для управления элементами конструкции и/или изменения упруго-деформационных характеристик материалов интеллектуального типа. Такие элементы должны иметь высокую прочность, технологическую пластичность и структурно-химическую однородность, исключающую возможность возникновения коррозионных процессов и разогрева пьезоэлектрического аткюатора в процессе эксплуатации.

В качестве актюаторов могут быть использованы различные типы устройств, такие, как сервоприводы, гидроприводы и т.д., и материалы-сплавы с памятью формы, магнитострикционные сплавы, электрореологические и магнитные жидкости, пьезоэлектрики, бифункциональные сополимеры и др., позволяющие изменять их свойства в режиме реального времени с помощью электрических, электромагнитных и других сигналов и воздействий.

Наибольшее распространение в качестве электромеханических актюаторов получили элементы, работающие на основе пьезоэффекта (трансформации механической энергии в электрическую и обратно). Наличие прямого и обратного пьезоэффектов дает возможность использовать подобные элементы в качестве сенсоров и/или актюаторов для контроля и управления параметрами материалов или конструкций, выполненных из них.

Пьезоэлектрические материалы практически мгновенно реагируют на изменение геометрических размеров конструкции и их применение позволяет решить проблемы снижения вибраций, шума, улучшения эксплуатационных характеристик. Актюаторы, будучи внедренными в состав и структуру композиционного материала, способны изменять свойства этих композитов, их конструктивную жесткость или геометрию при определенных условиях, например, при воздействии электрического тока или поля.

Актюаторы изготавливают в виде различных форм - жесткие и гибкие монолитные пьезопластины, MFC актюаторы (Micro-Fiber Composite), в т.ч. многослойные композиционные (пакетного типа), пьезоэлектрические фрикционные демпферы и т.д.. При этом применение актюаторов может быть внешним, например, в виде накладок, присоединяемых к поверхности высоконагруженных участков конструкции с минимальной модификацией первоначальной конструкции, или внутренним, т.е. актюаторы могут быть введены в структуру материала, из которого изготовлена конструкция.

Известен многослойный актюатор, включающий в качестве активного элемента слои, состоящие из тонких пьезокерамических пленок с напыленными на них металлическими электродами, параллельно соединенными с помощью внешнего электрода и образующие единую электрическую цепь (заявка WO 2007/104784).

Недостатком данного технического решения является использование пленочной пьезоекрамики с нанесенным металлическим электродом, что не дает актюатору развивать требуемые усилия для изменения свойств материалов, и сложность обеспечения надежного электрического контакта в пакете.

Известен слоистый пьезоэлектрический элемент с внешними контактами, образованными методом осаждения из газовой фазы, введенными в состав пьезоэлектрического слоя и выходящими за пределы актюатора на его боковую поверхность. На боковой поверхности производится соединение вышеназванных электропроводящих слоев по электропроводящей поверхности соединительного электрода, образованной электро-химическим методом. Внешний электрод, созданный также осаждением из газовой фазы, используется для образования надежного электрического контакта между несколькими пьезоэлекрическими элементами (заявка WO 2009/071426).

К недостаткам приведенного технического решения следует отнести сложность и высокую трудоемкость процесса его изготовления, а также множество мест соединений, образованных механическим способом, что ухудшает свойства пьезоэлектрического элемента.

Известен пьезокерамический многослойный актюатор, состоящий из слоев пьезокерамики с нанесенными методом шелкографии внутренними электродами, на этапе изготовления пакетов которых допускается их механическая обработка. Последующее спекание многослойного актюатора при температуре 700°С и глазуровка приводят к образованию изоляционного слоя, который в местах подсоединения внешних электродов удаляется шлифованием (патент США 7309397).

К недостаткам известного технического решения следует отнести недостаточную величину перемещения рабочей поверхности актюатора, низкую деформативность, а также возможность растрескивания цельнокерамической конструкции в процессе ее изготовления (спекания).

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является пьезоэлектрический многослойный актюатор с встроенными металлическими электродами, соединенными с наружной стороны с соответствующими электродами следующего пьезоэлектрического слоя, и содержащий расположенный между пьезоэлектрическими слоями промежуточный слой с пьезомеханическими характеристиками, средними по значению соответствующих характеристик активной и неактивной зоны актюатора, выполненный путем введения в состав актюатора пьезочастиц с серебром, концентрация которых обуславливается их растворимостью в материале матрицы. Внутренние электроды выполнены из серебра (заявка США 2003/0001463).

Недостатками предложенной конструкции, взятой за прототип являются использование серебра в качестве материала электродов и модификатора промежуточного пьезокерамического слоя, который снижает его упругопластические свойства, ограничивая величину рабочего перемещения актюатора, а также высокая трудоемкость изготовления электродов, их соединения между собой и внешними электродами, трудоемкость создания промежуточного слоя.

Технической задачей предлагаемой полезной модели является создание пьезоэлектрического слоистого актюатора, обладающего повышенными эксплуатационными характеристиками, в частности, повышенными упругопластическими свойствами и стойкостью к многократному изгибу в процессе эксплуатации, снижение трудоемкости изготовления его компонентов, обеспечение надежного электрического соединения внутренних электродов с внешними электродами, увеличение стойкости к воздействию агрессивных факторов окружающей среды.

Для решения поставленной технической задачи предложен пьезоэлектрический слоистый актюатор, включающий керамические слои с внутренними металлическими электродами, соединенными с наружной стороны с соответствующими электродами следующего слоя, и расположенный между ними промежуточный слой, отличающийся тем, что керамические слои выполнены из сегнетоэлектрической керамики, металлические электроды выполнены из тонкопленочного аморфного металлического материала, а промежуточный слой представляет собой полимерную электропроводящую композицию с наноструктурным металлическим наполнителем.

В качестве полимерной электропроводящей композиции используют эпокси-каучуковое или феноло-каучуковое связующее.

Металлические электроды представляют собой аморфные ленты, выполненные из сплава на основе никеля.

В качестве наноструктурного металлического наполнителя используют частицы нанокристаллического материала размером 10-25 мкм, изготовленного из того же сплава, что и введенные в состав пьезоэлектрического актюатора электроды.

Введенные металлические электроды являются одновременно армирующими элементами актюатора.

Внутренние электроды соединены между собой и с внешними электродами способом точечной сварки.

Благодаря введенным в состав многослойного пьезоэлектрического актюатора частицам, изготовленным из того же сплава, что и электроды, обеспечивается однородность слоев и исключается возможность протекания процессов электрохимической коррозии. Введение в состав актюатора аморфных металлических электродов дает возможность задания электрического заряда необходимой величины с возможностью его регулирования и обеспечивает меньший разогрев пьезоэлектрического аткюатора в процессе его эксплуатации в сравнении с напыленным металлическим слоем по прототипу. Аморфные металлические электроды по предлагаемому изобретению имеют целый ряд преимуществ по сравнению с прототипом: они выполнены из жаропрочного никелевого сплава и обладают высокой стойкостью к коррозионному воздействию агрессивных факторов окружающей среды, имеют высокую структурно-химическую однородность, прочность на уровне нитевидных кристаллов и свойственную им технологическую пластичность (стойкость к многократному изгибу). Кроме того, использование в качестве электродов тонкопленочного аморфного металлического материала позволяет снизить трудоемкость процесса формирования электрода в сравнении с длительным и малопроизводительным процессом нанесения металлического слоя посредством напыления в вакууме, а также обеспечить длительный ресурс эксплуатации актюатора благодаря высокой степени структурно-химической однородности быстро закаленного металла. Внутренние электроды, выходя на боковые поверхности, соединяются в соответствии с требуемой схемой соединения способом точечной сварки, что обеспечивает надежный электрический контакт и значительно упрощает процесс создания актюатора. Использование в промежуточном слое наполнителя в виде «чешуек» размером 10-25 мкм, выполненных из того же материала, что и электроды, препятствует процессам его сегрегации и агломерации в ходе термической обработки.

Пример осуществления

На поверхность металлических электродов, выполненных из тонкопленочного аморфного быстро закаленного сплава на основе никеля в виде ленты шириной 1,0-1,5 мм и толщиной 0,015 мм, выкладывали промежуточный слой толщиной 0,1-0,2 мм, состоящий из эпокси-каучукового связующего, в которое вводили наноструктурный наполнитель в виде «чешуек», выполненный из того же самого сплава, что и электроды, и прикатывали обогреваемым валиком. Наноструктурный наполнитель вводили в связующее механическим способом с последующим распределением его путем ультразвукового перемешивания в течение 5-7 мин. Далее поочередно совмещали слои сегнетоэлектрической керамики марки ЦТС-46 толщиной 0,2-0,4 мм и внутренних электродов с нанесенным промежуточным слоем, собирали заготовку актюатора и термообрабатывали при температуре 150°С при удельном давлении 0,3 МПа в течение 3-4 ч с последующим охлаждением. Внутренние электроды путем точечной сварки соединяли с внешними электродами с формированием электрической цепи.

Предлагаемая полезная модель позволяет получить пьезоэлектрический актюатор, обладающий следующими преимуществами: увеличенный рабочий ход, повышенная надежность в работе, сниженная трудоемкость его изготовления, уменьшение использования драгоценных металлов, что наряду с использованием ресурсо- и энергосберегающих технологий дает существенный экономический эффект.

1. Пьезоэлектрический слоистый актюатор, включающий керамические слои с внутренними металлическими электродами, соединенными с наружной стороны с соответствующими электродами следующего слоя, и расположенный между ними промежуточный слой, отличающийся тем, что керамические слои выполнены из сегнетоэлектрической керамики, металлические электроды выполнены из тонкопленочного аморфного металлического материала, а промежуточный слой представляет собой полимерную электропроводящую композицию с наноструктурным металлическим наполнителем.

2. Пьезоэлектрический слоистый актюатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве полимерной электропроводящей композиции используют эпоксикаучуковое или фенолокаучуковое связующее.

3. Пьезоэлектрический слоистый актюатор по п.1, отличающийся тем, что металлические электроды представляют собой аморфные ленты, выполненные из сплава на основе никеля.

4. Пьезоэлектрический слоистый актюатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве наноструктурного металлического наполнителя используют частицы нанокристаллического материала размером от 10 до 25 мкм, изготовленного из того же сплава, что и введенные в состав пьезоэлектрического актюатора электроды.

5. Пьезоэлектрический слоистый актюатор по п.1, отличающийся тем, что введенные металлические электроды являются одновременно армирующими элементами актюатора.

6. Пьезоэлектрический слоистый актюатор по п.1, отличающийся тем, что внутренние электроды соединены между собой и с внешними электродами способом точечной сварки.