2.2. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НА ОСНОВЕ ПЬЕЗОАКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Пьезомагнитные материалы.
Пьезомагнитные (магнитострикционные) материалы деформируются при наложении внешнего магнитного поля (эффект магнитострикции, или эффект Джоуля). Если приложить к пьезомагнитному материалу внешнюю механическую нагрузку, то меняется его магнитная проницаемость μ (эффект магнитоупругости, или эффект Виллари), что изменяет магнитный поток через катушку, намотанную на сердечник из пьезомагнитного материала, и в ней возникает электродвижущая сила. Достаточной для практического использования магнитострикцией и магнитоупругостью обладают только ферри- и ферромагнетики. Основные величины, характеризующие преобразование энергии, можно получить из уравнений общего вида, связывающих магнитные величины (напряженность магнитного поля Н и магнитную индукцию В) с механическими (деформацией S и механическим напряжением Т). Рассмотрение упрощается для сердечников в виде стержней и труб, обычно используемых на практике. В этом случае наблюдаются только продольные составляющие изменений механических и магнитных величин, для которых упомянутые уравнения имеют вид
(2.15)
Положив в первом уравнении (2.15) dB=0 (B=const), получим E=(dT/dS)B, т. е. Е имеет смысл модуля упругости. Аналогично, при dS=0 (S=consl) из второго уравнения следует: μ=(dΒ/dΗ)s, т. е. μ —магнитная проницаемость материала при постоянной деформации. Из первого уравнения следует, что Xs=(dT/dB)s, т. е. λ; характеризует приращение механического напряжения при увеличении индукции на единицу; λs называют константой магнитострикции.
Универсальная характеристика пьезомагнитного материала — коэффициент магнитомеханической связи А», характеризующий эффективность преобразования одного вида энергии в другой. По определению km — квадратный корень из отношения упругой механической энергии wt, запасенной в материале, к энергии магнитного поля Wm, вызвавшего деформацию материала и появление упругой энергии.
Несложный расчет дает:
(2-16)
Магнитная проницаемость и константа магнитострикции зависят от намагниченности материала. Поэтому для более эффективной работы магнитострикционных излучателей задают постоянное смещающее магнитное поле, создаваемое пропусканием постоянного электрического тока через вспомогательную катушку или наложением постоянной составляющей тока на переменную составляющую в одной катушке возбуждения. Смещающее поде выполняет к другую функцию. При отсутствии смещения частота колебаний равна удвоенной частоте возбуждающего тока, так как магнитострикционный эффект не зависит от направления магнитного поля. При наложении смещающего ноля результирующее поле меняется в некоторых пределах от максимального до минимального значения, не меняя направления. Поэтому результирующая деформация пульсирует около некоторого среднего значения с частотой, равной частоте возбуждающего тока.
Пьезомагнитные свойства материалов зависят также от температуры, исчезая при достижения температуры Кюри. Максимальные рабочие температуры пьезомагнитных сердечников должны быть на 100—200° ниже ее. Три металла, обладающие четко выраженными пьезомагнитными свойствами, имеют следующие температуры Кюри: железо— 768 С, никель—358°С, кобальт—1131 °С. Из этих металлов в чистом виде для изготовления магнитострикторов используют только никель — мягкий технологичный материал. Для уменьшения вихревых токов сердечники из никеля изготавливают из тонкой ленты, пластин или труб. Недостаток никеля — сравнительно невысокая температура Кюри, ограничивающая его применение при высокой температуре. Другие два металла — железо и кобальт—в чистом виде не используются, так как необходимы большие смещающие поля и у них сравнительно невысоки значения константы магнитострикции. Наиболее употребительны сплавы железоалюминиевые (альферы) и железокобальтовые (пермендюры, в американской литературе—ремеидюры). Первые легко обрабатываются, технологичны и имеют стабильные свойства, вторые характеризуются высокой температурой Кюри. Пермендюр в исходном состоянии достаточно технологичен, однако изделия из него после изготовления требуют термообработки, придающей им необходимые магнитные характеристики, но ухудшающей их механические свойства.
Применяются также ферриты, представляющие собой смесь оксидов магнитострикционных материалов. Изделия из ферритов получают методами керамического производства. Основное их достоинство—высокое удельное электросопротивление, благодаря чему потери энергии па вихревые токи снижаются во много раз по сравнению с их значениями в сплавах и работоспособность материала сохраняется до высоких частот.
Основные характеристики промышленных пьезомагнитных материалов приведены в табл. 2.1.
Использованию магнитострикционных материалов в реакторной технике способствует практически полная независимость их пьезомагнитных свойств от нейтронного и гамма-излучений. Нейтронное излучение вызывает сильную активацию данного класса материалов, однако физические свойства, вплоть до флюенсов порядка 1020 нейтр/см2, почти не меняются.
Таблица 2.1. Основные характеристики важнейших пьезомагнитных материалов
Для уменьшения действия реакторных излучений на катушку преобразователя ее наматывают алюминиевым проводом с изоляцией из окиси алюминия. Из последней изготавливают также каркас катушки. Сообщалось об успешной эксплуатации подобных преобразователей при температуре 500°С и плотности потока нейтронов 2,5·1013 нейтр/(см2-с) в течение 600 ч. Наиболее употребительно применение магнитострикционных преобразователей в качестве составной части проволочного звукопровода.
Пьезоэлектрические материалы при деформировании электрически поляризуются (прямой пьезоэлектрический эффект или эффект Кюри), и на электродах, нанесенных на поверхность пьезоэлектрика, возникает электрический заряд. Приложение электрического напряжения к электродам вызывает их механическую деформацию (эффект Джоуля, или обратный пьезоэлектрический эффект). Пьезоэлектрическими свойствами обладают очень многие (почти все) кристаллические диэлектрики, однако у большинства из них пьезоэффект мал. Многие из пьезоэлектриков не нашли широкого применения из-за неудовлетворительных физико-механических свойств. В настоящее время созданы синтетические материалы, обладающие хорошими пьезоэлектрическими и механическими свойствами, которые вместе с естественным пьезоэлектриком — кристаллическим кварцем —широко используют в акустике. Основные преимущества пьезоэлектрических преобразователей — высокая эффективность преобразования и простота конструкции [110].
Для описания свойств пьезоэлектрических материалов используют тензорные представления теории электроупругости.
Важная характеристика пьезоэлектрического материала — его температура Кюри. По мере приближения температуры пьезоэлемента к температуре Кюри его пьезоэлектрические свойства ослабевают и исчезают при этой температуре. Следовательно, температура Кюри определяет максимальную рабочую температуру преобразователя.
Указанные соотношения между электрическими и механическими физическими величинами можно сравнительно просто использовать в случае статического или квазистатического режима работы, когда частота колебаний существенно меньше низшей резонансной частоты преобразователя h и неоднородностью электрического и упругого полей в колеблющемся элементе можно пренебречь. Соответствующий частотный диапазон зависит от добротности элемента, но с достаточной для практики точностью можно считать, что погрешности расчета по «статическим» формулам не превышают 1%. Считается допустимым использование этих формул до частот порядка f0/3.
Резонансные частоты колебаний пластинок по толщине, па которых их механический импеданс минимален, определяются условием кратности толщины целому нечетному числу полуволн: h=(2n— 1)λ/2, n=1, 2........ Отсюда для низшей резонансной частоты обычно используемой для наиболее эффективного возбуждения и регистрации акустических колебаний, h=c/2fh, т. е.
hfh=c/2=Kth является константой материала, равной половине скорости упругой волны в направлении толщины. Обычно величину Kth выражают в килогерцах, умноженных на миллиметр, и для определения резонансной частоты пластинки с известной толщиной достаточно частотную постоянную разделить на значение толщины в миллиметрах. Наоборот, резонансную толщину пластинки в килогерцах можно определить, разделив частотную постоянную на толщину в миллиметрах. Для колебаний стержневых преобразователей значение частотной постоянной Kth будет меньшим (стержневая скорость звука меньше, чем у тела с поперечными размерами, существенно превышающими длину волны).
Вводится также частотная постоянная для радиальных колебаний К/а, в основном для пьезокерамических материалов, равная произведению диаметра на низшую частоту радиального резонанса. Несколько выше резонансных частот оказываются антирезонансные, на которых механический импеданс максимален.
Кварц—первый материал, у которого обнаружены пьезоэлектрические свойства и который не утратил своего значения как материал для пьезопреобразователей до настоящего времени.
Пьезоэлектрическими свойствами обладает только кристаллический α-кварц; плавленый аморфный кварц (кварцевое стекло) не является электромеханически активным.
У кварца от нуля отличны только пьезомодули d, а также пьезоконстанты с темн же индексами. Это означает, что кварцевые преобразователи пригодны для возбуждения и регистрации продольных и сдвиговых колебаний, для возбуждении продольных колебаний стержень вырезают вдоль оси х, пластинку—перпендикулярно к ней. В обоих случаях электрическое поле прикладывается вдоль оси х. Вырезанный таким способом пьезоэлемент называют преобразователем Х-среза. В отличие от него, кристаллы У-среза служат для возбуждения и регистрации сдвиговых колебаний.
Положительные свойства пьезокварца как преобразователя—высокая точка Кюри (576 С), высокая механическая прочность, химическая стойкость, хорошие диэлектрические свойства, термопрочность, стабильность свойств (механических и пьезоэлектрических). Кварц имеет высокие значения пьезо- констант давления и деформации, что позволяет создать высокочувствительные приемники ультразвука, пригодные для работы при высокой температуре. Однако реализация высокой чувствительности приемного пьезокварца—задача сложная вследствие его малой диэлектрической проницаемости.
Другой существенный недостаток кварца — невысокая эффективность в режиме излучения. Поэтому для получения достаточной амплитуды колебаний необходимо подводить высокое возбуждающее напряжение. Однако стабильность свойств, хорошие диэлектрические свойства кварца при повышенной температуре и высокая чувствительность в режиме приема позволяют применять его в преобразователях для реакторной технологии, в частности при измерениях в реакторах-размножителях на быстрых нейтронах, где температуры могут превосходить рабочие температуры наиболее широко используемых пьезокерамических материалов.
Ниобат лития (LiNbO) имеет высокую точку Кюри (1210 С), в связи с чем привлекает внимание исследователей и разработчиков в области реакторной технологии. Пьезоэлементы вырезают из монокристаллов, выращиваемых известными методами, и электрически поляризуют при температуре, близкой к точке Кюри, в поле напряженностью порядка 0,2 D/см. Основной недостаток ниобата лития — выделение из него кислорода при высокой температуре. Поэтому преобразователи с пьезоэлементами из ниобата лития при высокой температуре должны работать в атмосфере с определенной концентрацией кислорода, что усложняет их конструкцию.
Диэлектрическая проницаемость LiNbO значительно меньше, чем пьезокерамики, хотя и больше, чем кварца. Следовательно, возникают трудности согласования преобразователей с электронными схемами. Значения пьезоконстант, характеризующих ниобат лития как приемник колебаний, примерно те же, что и у пьезокерамики, или несколько выше.
Пьезокерамика — наиболее широко используемый класс пьезоэлектрических материалов, получаемых методами керамического производства. Ее свойства можно изменять в широких пределах соответствующим изменением технологии. Отличительная особенность пьезокерамики — ее высокие пьезоэлектрические характеристики и диэлектрическая проницаемость. Надежность пьезокерамических преобразователей характеризуется интенсивностью отказов, составляющей даже для относительно сложных по конструкции биморфных преобразователей всего 10-6 ч-1. Пьезокерамические материалы устойчивы к воздействию ионизирующих излучений и агрессивных сред (разрушаются только в плавиковой кислоте).
Процесс изготовления пьезокерамики состоит в получении изделий и последующей их поляризации электрическим полем порядка 2 кВ/мм. Остаточная после снятия внешнего поля поляризация определяет пьезоэлектрические свойства керамики. Так как значение остаточной поляризации и пьезоэффект зависят от способа получения материала и режима поляризации, значения физических параметров пьезокерамики одного состава могут иметь довольно большой разброс: характеристик упругости до 5 %, пьезоэлектрических характеристик—до 10%, диэлектрической проницаемости — до 20%.
Пьезокерамические материалы представляют собой твердые растворы, в которых подбором соотношении компонентов и введением модифицирующих добавок достигается некоторый оптимальный набор свойств материала. Марки пьезокерамических материалов обычно обозначают начальными буквами основных составляющих их компонентов и порядковым номером разработки.
Таблица 2 2. Основные физические свойства наиболее употребительных марок пьезокерамики
Для отечественных материалов буквы имеют следующие значения: Т—титан, Ц— цирконий, Н — ниобий, С —свинец, Б — барий. К—-кальций (в зарубежной литературе наиболее употребительны символы: Р — свинец, Z— цирконий, Т— титан. L—лантан).
Поляризация осуществляется наложением электрического поля вдоль оси, условно обозначаемой г (ось 5), при нагреве материала до температур порядка точки Кюри. После охлаждения поляризация фиксируется, однако может изменяться со временем. Термоциклирование также изменяет уровень поляризации, так что свойства пьезокерамики не постоянны. При нагреве до точки Кюри пьезоэлектрические свойства исчезают, и дли восстановления их при понижении температуры необходима повторная поляризация. Основные свойства наиболее употребительных марок пьезокерамики приведены в табл. 2.2 [110,113].
Пьезокерамика — материал неизотропный, его свойства по осям х и у одинаковы, по оси z отличаются от свойств по первым двум осям; упругие свойства в первом приближении можно считать изотропными.
Сравнительно высокая точка Кюри обеспечивает работоспособность керамики ЦТС при температуре, характерной для водо-водяных реакторов; в случае высокотемпературных реакторов с газовым и жидкометаллическим теплоносителями необходимо охлаждение преобразователей.
Большая диэлектрическая проницаемость упрощает проблему согласования преобразователей с электронными схемами лаже при использовании длинных соединительных линий, позволяющих вынести аппаратуру в помещение с температурой, близкой к нормальной, Большие значения пьезоэлектрических коэффициентов свидетельствуют о возможности эффективного возбуждения и регистрации колебаний.
Стабильность свойств пьезокерамики характеризуют следующие данные [105]. За первые шесть месяцев после поляризации коэффициент электромеханической связи ЦТС-19 уменьшается на 2,5%. Изменение характеристик описывается линейной зависимостью от логарифма времени. Поэтому дальнейшее старение обычно незначительно. При повышении температуры скорость старения резко возрастает. Предварительный нагрев и последующее охлаждение приводит к уменьшению значений пьезоконстант, причем степень уменьшения зависит от температуры нагрева. Если нагрев производился до температуры, меньшей, чем температура, соответствующая максимуму пьезоэлектрических свойств, то существенное ослабление последних наблюдается лишь ниже температуры 100 С. При температурах. близких к температуре предварительного нагрева, ослабление пьезоэлектрических свойств менее заметно. После предварительного нагрева до температур более высоких, чем температура, при которой пьезоэлектрические константы максимальны, ослабление пьезоэлектрических свойств становится существенным во всем интервале температур исследования. При последующих температурных циклах необратимое уменьшение пьезоэлектрических констант менее заметно, к после 3—4 термоциклов их значения становятся воспроизводимыми для каждой температуры, меньшей температуры предварительного нагрева. Необходимо учитывать возможность проявления пироэлектрического эффекта в пьезопреобразователях при их быстром нагреве или охлаждении. Поэтому их непосредственная связь (гальваническая) с усилителями, имеющими низкую граничную полосу усиления сигналов, может оказаться нежелательной.
При повышенных температурах на свойства пьезокерамики может влиять внешняя среда. Например, обнаружено, что пьезоэффект керамики ЦТС подавляется после продолжительного ее пребывания в атмосфере углекислого газа при 200 оС, т. е. при температуре, допускающей длительную работу преобразователей.
Пьезокерамические материалы обладают хорошей радиационной стойкостью. При воздействии реакторных излучений со спектром нейтронов, характерным для реакторов на тепловых нейтронах, подавление пьезоэлектрических свойств наблюдается после достижения флюенсов порядка (010 нейтр/см2 (для быстрых нейтронов ~ 1010 нейтр/см*).
При флюенсах до 1010 нейтр/см2 изменения свойств незначительны и обратимы, даже если облучение происходит при повышенных (до 200 С) температурах. Наблюдаемое в последнем случае уменьшение коэффициента электромеханической связи (на 20—25%) при флюенсах 1016 нейтр/см2 связано, по-видимому, в основном с термически обусловленной деполяризацией.
В связи с проблемой контроля герметичности контейнеров при захоронении радиоактивных отходов проведены испытания пьезокерамических преобразователей при воздействии источника гамма-излучения вплоть до интегральной дозы 186,5 Мрад (1,865 МГрей) [139]. Преобразователи продольных волн начали терять чувствительность при дозах 35—45 Мрад. Обнаружено два вида радиационных повреждений: распухание и растрескивание защитной пластины и пьезоэлемента, а также охрупчивание и растрескивание блоков из плексигласа для наклонных преобразователей. Обращает на себя внимание меньшая стойкость элементов в стальных корпусах по сравнению с алюминиевыми, что связано с дополнительным облучением эпоксидного компаунда вблизи корпуса электронами, образующимися при взаимодействии γ-излучения с металлом. Пьезоэлектрическая активность не уменьшается заметно при дозах, вызывающих механическое разрушение элементов. Поскольку на поверхности обычного контейнера доза излучения около 25 Мрад в лень, срок службы стандартных преобразователей в этих условиях оценивается в 2—3 дня, и, следовательно, необходима их защита.
Пьезополимерные, обычно пленочные, преобразователи обладают по сравнению с другими пьезопреобразователями следующими преимуществами: имеют малую толщину, податливы, могут механически сопрягаться с поверхностью любой конфигурации, имеют низкую добротность и малый электрический импеданс. Пьезополимеры могут быть растворены и в виде вязкой массы нанесены иа поверхность любого профиля с образованием пленки произвольной толщины. Наконец, на них можно подать большое электрическое напряжение без опасности вызвать деполяризацию. Основные их недостатки — меньший, чем у лучших пьезоэлектриков, коэффициент электромеханической связи и невысокая термостабильность поляризации. Ожидают, что в недалеком будущем эти недостатки будут устранены.
Наиболее перспективным в данное время считают поливинилденфторид (ПВДФ)—полимер, состоящий из цепочечных молекул с повторяющейся ветвью CF2 — CH2, обладающей сравнительно большим дипольным электрическим моментом. ПВДФ представляет собой композицию из мелких кристаллических пластинок в аморфной фазе.
В отсутствие внешней поляризации результирующий момент равен нулю, поэтому необходима внешняя поляризация, ориентирующая диполи. Одноосное или двухосное растяжение перед поляризацией усиливает действие последней. Поляризованный материал обладает хорошими пьезоэлектрическими свойствами.
