П’єзоелектричний перетворювач

1. П'єзоелектричний перетворювач, що містить порожнистий корпус, розміщену у ньому з боку одного торця п'єзокерамічну пластину і контактуючий з нею демпфер, виконаний з композиційного матеріалу на основі компаунду з наповнювачем з узгодженням імпедансів демпфера і п'єзокерамічної пластини на границі їх розподілу, який відрізняється тим, що як наповнювач композиційного матеріалу він містить порошок карбіду тугоплавкого металу. 2. Перетворювач за п. 1, який відрізняється тим, що як карбід тугоплавкого металу він містить карбід вольфраму. 3. Перетворювач за п. 1, який відрізняється тим, що наповнювач додатково містить принаймні один елемент, вибраний з наступного ряду: Fe, Co, Ni у кількості, що не перевищує 25 % від маси порошку карбіду тугоплавкого металу. Винахід відноситься до техніки ультразвукової діагностики та неруйнівного контролю, а саме до п'єзоелектричних перетворювачів, які можуть бути використані в різноманітних процесах виробництва при дослідженні сигналів обумовлених процесами руйнування та зношування матеріалів та конструкцій зі збереженням широкосмугового діапазону пропускання досліджуваних сигналів та більш рівномірною амплітудно-частотною характеристикою, наприклад при роботі з лезовими інструментами на основі алмазно-твердосплавних пластин чи кубічного нітриду бору. Відомий п'єзоелектричний перетворювач для приймання сигналів акустичної емісії (див.авт.св. SU №1665295, кл.G01N29/04, опубл. 1991р.), що містить порожній корпус на одному з торців якого закріплено п'єзокерамічну пластину, електрично з'єднану з двома електродами, а внутрішня поверхня корпуса заповнена компаундом на основі епоксидної смоли. Недоліком цього п'єзоелектричного перетворювача є невисоке значення акустичного імпедансу компаунда на основі епоксидної смоли, що не узгоджується з акустичним імпедансом п'єзокерамічної пластини. В результаті це призводить до низького значення коефіцієнта загасання акустичних хвиль, що є причиною паразитних імпульсів в п'єзоелектричному перетворювачі. Відома демпфуюча маса ультразвукових шукаючих головок (див. авт.св. СРСР №352211, кл. G01N29/04, опубл. 1972р.), яка вміщує як зв'язку епоксидну смолу, а як наповнювач - порошок вольфраму і свинцевий сурік. Недоліком цієї маси є малий коефіцієнт поглинання енергії ультразвукових хвиль, що викликає збільшення мертвої зони ультразвукових перетворювачів внаслідок збільшення тривалості коливань п’єзокерамічної пластини за рахунок багаточисельних донних імпульсів. Відома демпфуюча маса, що складається з вольфраму та компаунда (див.авт.св. СРСР №526823, кл.G01N29/04, опубл. 1976р.), причому у склад компаунда входить галій, олово та нікель. Недоліком цієї маси є невисокий коефіцієнт поглинання ультразвуку, в особливості на відносно низьких частотах, та низька роздільна здатність. (19) UA (11) 86818 (13) (21) a200700300 (22) 12.01.2007 (24) 25.05.2009 (46) 25.05.2009, Бюл.№ 10, 2009 р. (72) ДЕВІН ЛЕОНІД МИКОЛАЙОВИЧ, UA, НАЙДЕНКО АРТЕМ ГРИГОРОВИЧ, UA, НІМЧЕНКО ТЕТЯНА ВАСИЛІВНА, UA (73) ІНСТИТУТ НАДТВЕРДИХ МАТЕРІАЛІВ ІМ. В.М.БАКУЛЯ НАН УКРАЇНИ, UA, ДЕВІН ЛЕОНІД МИКОЛАЙОВИЧ, UA, НАЙДЕНКО АРТЕМ ГРИГОРОВИЧ, UA, НІМЧЕНКО ТЕТЯНА ВАСИЛІВНА, UA (56) SU 1665295 від 23.07.1991 SU 526823 від 30.08.1976 SU 352211 від 21.09.1972 SU 705325 від 25.12.1979 RU 2078340 від 27.04.1997 JP 58015156 від 28.01.1983 JP 590700960 від 21.04.1984 JP 57200860 від 09.12.1982 US 3427481 від 11.02.1969 GB 1121523 від 31.07.1968 C2 1 3 86818 4 Відома демпфуюча маса для ультразвукових імпедансом, що наближається по величині до імшукачів головок (див. авт.св. СРСР №705325, педансу п'єзокерамічної пластини на границі їх кл.G01N29/04, опубл. 1979р.), що містить разом з розподілу, забезпечується збільшення коефіцієнта епоксидною смолою, поліефіром та поліетиленом загасання акустичних хвиль, вирівнювання амплітакож наповнювач у вигляді п’єзокерамічного потудно-частотної характеристики отриманих сигнарошку. лів в широкій смузі пропускання і, як наслідок, поНедоліком цієї маси є висока дисперсність накращення експлуатаційних характеристик повнювача п’єзокерамічного порошку. Розмір часдемпфера та спрощення конструкції перетворюватинок такого порошку дуже малий, що призводить ча в цілому, а також ізоляція п'єзокерамічної пласдо недостатньої здатності даної маси до поглитини від корпуса з одночасною стабілізацією власнання ультразвуку, оскільки коефіцієнт поглинання тивостей отриманих перетворювачів. Крім того в композиційному матеріалі зростає пропорційно таке заповнення вільного об'єму п'єзоелектричношостому ступеню розміру частинок наповнювача. го перетворювача компаундом з запропонованим Відомий матеріал демпфера ультразвукового наповнювачем виключає можливість резонансних перетворювача (див.авт.св. №1590962 СРСР кл. впливів перетворювача на акустичний сигнал, заG01N29/04, опубл. - 07.09.90, бюл. №33.), що вдяки чому і відбувається зменшення нерівномірскладається з епоксидної смоли та порошку заліності амплітудно-частотної характеристики у діаза. пазоні частот, що досліджуються. Недоліками такого матеріалу демпфера є неДля вирішення цього завдання п'єзоелектричвисокий коефіцієнт загасання акустичних хвиль, ний перетворювач, що містить порожній корпус, недостатньо високий модуль пружності, та низька розміщену у ньому з боку одного торця п'єзокерашвидкість поширення звуку. мічну пластину і контактуючий з нею демпфер, Найбільш близьким за технічною суттю до завиконаний з композиційного матеріалу на основі пропонованого перетворювача є п'єзоелектричний компаунда з наповнювачем з узгодженням імпедаперетворювач (див. авт.св. №2078340 RU, кл. нсів демпфера і п'єзокерамічної пластини на граG01N29/24, опубл. - 27.04.1997р.), що містить пониці їх розподілу, згідно винаходу як наповнювач рожній корпус, розміщену у ньому з боку одного композиційного матеріалу він містить порошок торця п'єзокерамічну пластину і контактуючий з карбіду тугоплавкого металу, оптимальним при нею демпфер, виконаний з композиційного матеріцьому є, коли як карбід тугоплавкого металу він алу на основі компаунда з наповнювачем з узгомістить карбід вольфраму, а наповнювач додаткодженням імпедансів демпфера і п'єзокерамічної во містить принаймні один елемент, вибраний з пластини на границі їх розподілу, при цьому матенаступного ряду: Fe, Co, Ni у кількості, що не періал демпфера являє собою полімерну композицію ревищує 25% від маси порошку карбіду тугоплавнаступного складу (мас.%): порошок вольфраму кого металу. зернистістю 40-80мкм 60-65%; порошок електроВраховуючи той факт, що вихідна напруга п'єкорунду зернистістю 400-1000мкм 20-25%; порожзоелектричного перетворювача пропорційна кваднисті мікросфери зернистістю 50-100мкм 3,7-3,9%; рату діаметра п'єзоелемента та максимальна чутрешта - епоксидна смола, полімерну композицію ливість перетворювача визначається розташовано у три шари; перший - що прилягає до співвідношенням: п'єзокерамічної пластини, містить як наповнювач d »1 (1) порошок вольфраму, другий - проміжний, містить D порошок електрокорунду, третій, що прилягає до де d - діаметр п'єзопластини; D - діаметр корторцевої поверхні втулки, містить порожнисті мікпусу, завдяки можливості використання для вигоросфери. товлення запропонованого п'єзоелектричного пеНедоліками цього перетворювача є те, що ретворювача спрощеної технології виготовлення процес виготовлення такого перетворювача є трувдається створити якомога менший зазор між кордомістким та нетехнологічним, що потребує значпусом та п'єзопластиною, що дозволяє збільшити них часових та матеріальних витрат за рахунок діаметр п'єзопластини для підвищення чутливості того, що в процесі затвердіння епоксидної смоли п'єзоелектричного перетворювача. п'єзоелектричний перетворювач піддають вібраДо того ж, при нанесенні маси демпфера на ційному впливу. До того ж, використання для вигоп'єзокерамічну пластину (маса демпфера значно товлення демпфера полімерної композиції згадаперевищує масу п'єзокерамічної пластини) відбуного складу не дає змоги отримати узгодження вається більш щільний контакт п'єзокерамічної імпедансів демпфера і п'єзокерамічної пластини пластини з досліджуваним об'єктом, що веде до на границі їх розподілу, про що свідчать наведені збільшення міцності з'єднання досліджуваного результати, такий механізм роботи п'єзоелектричоб'єкту та п'єзокерамічної пластини, що забезпеного перетворювача не забезпечує затухання ульчує кращий акустичний контакт п'єзоелектричного тразвукових коливань за рахунок максимального перетворювача. поглинання енергії ультразвукових хвиль в демпМожливість виключення при виготовленні п'єфері. зоелектричного перетворювача трудомістких опеВ основу винаходу покладено завдання такого рацій виготовлення демпфера, як самостійного вдосконалення п'єзоелектричного перетворювача, елемента, підвищує технологічність зборки перепри якому за рахунок використання для виготовтворювача та його надійність. лення демпфера наповнювача у вигляді суміші Винахід проілюстровано кресленням, де предпорошку карбіду тугоплавкого металу з'єднаного з ставлено загальний вигляд пропонованого п'єзокомпозиційним матеріалом з характеристичним електричного перетворювача. 5 86818 6 П'єзоелектричний перетворювач містить попротектор 4 - епоксидна смола ЕД - 16. Прирожній корпус 1, розміщену у ньому з боку одного єднання електричних виводів 7 та 8 до посріблеторця п'єзокерамічну пластину 2 і контактуючий з них поверхонь електродів 5,6 п'єзокерамічної планею демпфер 3, виконаний з композиційного мастини 2 здійснюється методом пайки. теріалу на основі компаунда з наповнювачем з Компаунд додатково може містити принаймні узгодженням імпедансів демпфера 3 і п'єзокераміодин елемент вибраний з наступного ряду Fe, Co, чної пластини 2 на границі їх розподілу, при цьому Ni у кількості, що не перевищує 25% від маси пояк наповнювач композиційного матеріалу він місрошку карбіду тугоплавкого металу. тить порошок карбіду тугоплавкого металу. П'єзоВведення карбіду тугоплавкого металу як накерамічну пластину 2 встановлено на одному з повнювача у склад матеріалу демпфера 3 при торців корпуса 1 або, як показано на кресленні, на вказаному співвідношенні компонентів дозволяє поверхні протектора 4, що служить для захисту від отримати демпфер 3 з коефіцієнтом затухання стирання та механічних пошкоджень п'єзокераміч(30) дБ/см на частотах до 1,2МГц. До того ж, моної пластини 2, з обох боків п'єзокерамічної пласдуль пружності та швидкість звуку у карбіді вольтини 2 нанесені електроди 5 та 6 у вигляді тонкого фраму, як одного з тугоплавких металів, в 3-4 рази шару срібла, один електричний вивід 7 припаяно вище, ніж у демпферів 3 з використанням наповдо внутрішньої поверхні п'єзокерамічної пластини нювачів на основі заліза. Частинки карбіду вольф2, а другий 8 - до її протилежної поверхні та з'єдраму розміром 1-10мкм, що хаотично розташовані нано з корпусом 1, весь внутрішній простір корпуса у композиційному матеріалі, добре поглинають 1 залитий композиційним матеріалом на основі акустичні хвилі у смузі частот 100КГц - 1,2мГц, за компаунда з наповнювачем з карбіду тугоплавкого рахунок чого відбувається вирівнювання амплітудметалу з характеристичним імпедансом, що нано-частотної характеристики п'єзоелектричного ближається по величині до імпедансу п'єзокераміперетворювача у даній смузі частот. чної пластини 2. У таблиці представлено залежність зміни хаПри виготовленні п'єзоелектричного перетворактеристичного імпедансу компаунду від зміни рювача можуть бути використані наступні матеріаспіввідношень компонентів, (мас. %). ли: корпус 1 - латунь; п'єзокерамічна пластина 2 Матеріал для демпфера 3 отримують наступстандартна п'єзокераміка марки ЦТС 19; демпфер ним чином: змішують просушений порошок карбіду 3 - з композиційного матеріалу, який містить як тугоплавкого металу з компаундом - епоксидною компаунд епоксидну смолу (ЕД - 16), тіокол як смолою у в'язкотекучому стані та ретельно розміпластифікатор і як затверджувач триетаноламін та шують до отримання однорідної суміші. Отриманаповнювач - порошок карбіду тугоплавкого метаним композиційним матеріалом проводять заливку лу, а саме карбід вольфраму, при наступному порожнини корпуса 1. При цьому відбувається співвідношенні компонентів, (мас.,%): швидка полімеризація цієї суміші за рахунок нагріКарбід вольфраму 80-95% вання корпуса 1 до температури 70-80°С. епоксидна смола 5-20% Таблиця Склад композиційного матеріалу демпфера, мас.% Об'єкт випробування №п/п Пропонований склад демпфера 1 2 3 4 5 Склад демпфера за прототипом 6 Характеристичний імпеданс, z x Наповнювач: карбід во106кг/м2·с Компаунд: епоксидна смола льфраму, WC 89 85 80 90 95 Порошок вольфраму: 65 Порошок електрокорунду: 25 11 15 20 10 5 22,08 16,14 12,95 22,72 36,50 6,1 28,0 Порожнисті мікросфери: 3,9 Як видно з таблиці, характеристичний імпеданс за прототипом з боку демпфера 3, що прилягає до п'єзокерамічної пластини 2 складає 28кг/м2·с., що перевищує характеристичний імпеданс відомої п'єзокераміки типу ЦТС (21-23кг/м2·с) і призводить до появи паразитних сигналів, які спотворюють амплітудно-частотну характеристику перетворювача. Зміною кількісного співвідношення пропонованого композиційного матеріалу демпфера 3 вдається наблизитись до характеристичного імпедансу п'єзокерамічної пластини 2 при наступних співвідношеннях: компаунд - епоксидна смола 10-11%, наповнювач - карбід вольфраму 89-90%, що забезпечує повне поглинання хвилі, 7 86818 8 що виникає на границі розподілу п'єзокерамічна дно-частотної характеристики п'єзоелектричного пластина 2 - демпфер 3. перетворювача при збереженні широкосмугового П'єзоелектричний перетворювач працює так: діапазону відбувається за рахунок використання При дослідженні розвитку дефектів при руйнудемпфера 3, виконаного з композиційного матеріванні та зношуванні виробів відбувається вивільалу на основі компаунда з наповнювачем, що міснення накопиченої енергії, яка розповсюджується тить порошок карбіду тугоплавкого металу. Завдяу вигляді пружних хвиль, які сприймаються п'єзоки узгодження імпедансів демпфера 3 і керамічною пластиною 2. П'єзоелектричний переп'єзокерамічної пластини 2 на границі їх розподілу творювач, безпосередньо, перетворює ці хвилі в всі хвилі, що пройшли крізь п'єзокерамічну пластиелектричний сигнал. За рахунок максимального ну 2 без ушкоджень проходять в матеріал демпнаближення діаметра п'єзокерамічної пластини 2 фера 3, де за рахунок високої демпфуючої спродо діаметра корпусу 1 досягається максимальна можності частинок карбіду вольфраму зaтyxaють. чутливість перетворювача. Вирівнювання ампліту Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601