Раздел V – Разработка технологии изготовления чувствительного элемента

Технологическая часть курсового проекта позволяет выявить последовательность технологических операций, режимов их выполнения, используемого технологического оборудования, оснастки, инструментов, химических реагентов и показывает этапы создания чувствительного элемента проектируемого датчика (датчиковой системы). В процессе работы над этим разделом следует ознакомиться с применяемыми в современной датчиковой аппаратуре типовыми технологическими процессами, новыми направлениями в технологии и разработать технологию изготовления конкретного чувствительного элемента.

Для примера приведем технологический процесс изготовления чувствительного элемента из титаната бария для его применения в пьезоэлектрическом преобразователе.

Процесс производства пьезокерамических деталей (пьезоэлементов) можно условно разбить на три основные стадии: подготовка материалов, изготовление заготовок и изготовление собственно пьезоэлементов.

I. Подготовка материалов.

Исходное сырье для пьезокерамического материала предварительно дозируют, затем смешивают компоненты и производят высокотемпературный синтез.

1. Сушка исходного сырья для изготовления пьезокерамики.

Исходным сырьем для изготовления пьезокерамики являются углекислый барий и двуокись титаната. Углекислый барий в состоянии поставки может быть в виде порошка или пасты. Двуокись титана поставляется в виде порошка. Поступающие со склада компоненты содержат большое количество влаги и поэтому подвергаются сушке при температуре 110 - 130°С. Сушка производится в сушильных шкафах с естественной вытяжкой или в специально оборудованных туннельных печах. Сушильные устройства должны быть оборудованы терморегулирующей аппаратурой.

2. Избавление от комков, образовавшихся в результате сушки.

После сушки образовавшиеся комки компонентов протирают через сито на протирочной машине. Протирочная машина состоит из сварной станины, на которой установлен цилиндрический бункер. Под бункером размещается металлическое сито, по которому скользят вращающиеся металлические лопасти, приводимые в движение электродвигателем с редуктором. Загруженные в бункер комкообразные компоненты разбиваются вращающимися лопастями и одновременно протираются через сито.

3. Очистка примеси железа в исходном сырье.

Для очистки от примесей железа сырье обрабатывается на магнитном сепараторе. В магнитном сепараторе сырье через загрузочный бункер тонким слоем ссыпается на вращающийся барабан, изготовленный из листовой тонкой (1,5 – 2 мм) латуни. Внутри латунного барабана находятся мощные электромагниты. Сырье, очищенное от железа, ссыпается в лоток, а частицы железа счищаются с поверхности барабана скребком и попадают в лоток.

Контроль качества очистки порошкообразной массы сырья осуществляется при помощи постоянного магнита, погружаемого в порошок. Если на полюсах магнита собираются частички железа, процесс магнитной сепарации повторяется.

4. Дозировка исходного сырья.

Шихта (набор компонентов) для синтеза титаната бария состоит из углекислого бария (71%) и двуокиси титана (29%). Перед дозировкой взвешиванием необходимо проверять влажность компонентов, которая не должна превышать 0,5%.

5. Смешивание компонентов шихты.

Производится на вибрационных мельницах. Вибромельница представляет собой стальной корпус, внутренняя полость которого покрыта резиной. Он установлен на пружинах, которые в свою очередь посажены на направляющие пальцы, укрепленные на несущей раме. Вибратор, состоящий из чашек с набором секторов, предназначенных для нарушения баланса, укреплен на валу. Вал через соединительную муфту соединен с электродвигателем, от которого он получает вращение. Вал проходит через корпус, в котором запрессованы подшипники. При вращении вала вследствие дисбаланса, создаваемого вибратором, корпус совершает колебательные движения в вертикальной плоскости.

Для охлаждения корпус снабжен водяной рубашкой, в которую вода подается через специальный штуцер. Размельчаемый и смешиваемый материал загружается через люк, закрываемый крышкой. Вместе с материалом в мельницу загружаются стальные шары диаметром 15 - 25 мм. Выгрузка материала и шаров из вибромельницы производится через люк.

Смешивание компонентов шихты - углекислого бария и двуокиси титана - на вибромельнице производится в течение 50 - 60 мин. При этом коэффициент заполнения объема вибромельницы составляет 0,8 - 0,9; соотношение веса загруженных материалов и веса шаров 1: 6.

Смешанная на вибромельнице шихта подвергается магнитной сепарации для удаления частиц железа, которые могли появиться от намола стальных шаров.

6. Брикетирование материала.

Очищенный от железных примесей пьезокерамический материал увлажняется водой (5 – 8 %) и брикетируется. На гидравлическом прессе в формах при удельном давлении прессования 10⁷ Н/м² получают брикеты цилиндрической формы диаметром 70 - 75 мм и высотой 50 - 60 мм.

7. Синтез углекислого бария и двуокиси титана.

Высокотемпературный синтез (получение твердого раствора) BaCO₃ и TiO₂ производится в нагревательных печах при температуре 1280…1330°С. При высокой температуре происходит реакция образования титаната бария с выделением углекислого газа:

+ = +

Наиболее успешно эта реакция происходит в туннельных электрических печах, так как электрическими нагревателями можно легко обеспечить необходимый температурный режим.

8. Обжиг брикетированного материала.

Подготовленные к обжигу брикеты устанавливаются на подвижные тележки, которые проталкиваются через туннельную печь с определенной скоростью, зависящей от характеристик печи и партии исходного сырья.

Приготовленный указанным способом ВаТiO₃ представляет собой полуфабрикат и еще не пригоден для изготовления пьезоэлементов.

9. Дробление брикетов.

Дробление брикетов титаната бария производится на дробильном агрегате.

II. Изготовление керамических заготовок.

Эта стадия технологического процесса производства пьезокерамических деталей включает в себя тонкий помол синтезированного материала, оформление заготовок и окончательный обжиг.

1. Тонкий помол материала.

Тонкий помол материала производится в вибромельнице, а в некоторых случаях - в шаровых мельницах. После сушки и магнитной сепарации порошкообразного пьезокерамического материала его просеивают через сито на протирочной машине.

В таком виде порошок поступает на операцию оформления заготовок заданных геометрической формы и размеров.

2. Оформление заготовок.

Оформление заготовок может осуществляться прессованием или горячим литьем под давлением.

Наиболее распространенным способом оформления заготовок при изготовлении деталей для гидроакустических преобразователей является прессование.

Пьезокерамический материал, поступающий на оформление заготовок, представляет собой мелкодисперсный сухой порошок. Для придания ему определенной формы его следует пластифицировать при помощи веществ, обладающих связующими свойствами. В качестве пластификатора (связки) при прессовании заготовок применяется обычно 3%-ный водный раствор поливинилового спирта, вводимого в материал в количестве 4 - 5% по весу.

При пластификации порошка титаната бария должно быть обеспечено тщательное перемешивание порошка со связующим веществом. Это может быть достигнуто при помощи специального оборудования.

Пластифицированный таким образом пьезокерамический материал для раздробления комков пропускают на протирочной машине через сито и помещают для хранения в плотно закрывающуюся тару.

Оформление заготовок методом прессования из пластифицированного материала осуществляется в специальных пресс-формах на гидравлических прессах.

Удельное давление при прессовании пьезокерамических заготовок из материала, пластифицированного поливиниловым спиртом, составляет (5 - 8)×10⁷ Н/м². Мощность пресса определяется в зависимости от площади оформляемой детали.

3. Прессование заготовок.

Прессование заготовок производится в стальных закаленных пресс - формах. При проектировании пресс - форм учитывают усадку пьезоматериала при окончательном обжиге и припуск на шлифовку изделия после обжига. Для пьезокерамики из титаната бария усадка при обжиге составляет 1,1 - 1,2%.

4. Получение требуемых размеров.

Получение необходимых размеров заготовки после прессования зависит от дозировки пресс - порошка. Может быть применена как объемная, так и весовая дозировка. При проектировании пресс - формы необходимо учитывать, что объем порошка материала должен превышать более чем в два раза объем отпрессованной заготовки.

5. Удаление воздуха из пресс-формы.

Для удаления воздуха в процессе прессования пьезокерамического материала применяется предварительное многократное уплотнение, заключающееся в нескольких «подпрессовках», т.е. попеременном плавном подъеме и снятии давления.

6. Извлечение заготовок.

Извлечение отпрессованных заготовок должно производиться с помощью специальных приспособлений при плавном и непрерывном давлении плунжера. При этом не допускается резких движений (во избежание появления трещин и других дефектов).

7. Обжиг оформленных заготовок.

Обжиг оформленных заготовок из титаната бария может в принципе производиться в любых печах (электрических, нефтяных, газовых) при условии обеспечения температурного режима и окислительной среды. В производстве пьезокерамики предпочтение отдается электрическим туннельным печам, так как в них наиболее надежно обеспечиваются необходимые температурные режимы. В газовых и нефтяных печах обычно трудно избежать значительных перепадов температуры по объему печи, что влияет на качество обжигаемых изделий.

Обжиг керамики из титаната бария производится при температуре 1380 - 1400°С. Время выдержки при максимальной температуре определяется размерами заготовок и количеством одновременно загружаемых в печь элементов. Обычно оно колеблется в пределах 1 - 3 ч. Скорость нагревания в печи может составлять 100 - 120°С в час.

8. Контроль качества.

Контроль качества обжига производиться визуальным осмотром элементов и путем измерения тангенса угла диэлектрических потерь, который для пьезокерамики из титаната бария не должен превышать 1 - 1,5%.

III. Изготовление пьезоэлемента излучателя.

На этой стадии осуществляют механическую обработку полученных из обжига заготовок, серебрение контактных поверхностей и поляризацию.

1. Механическая обработка.

Механическая обработка пьезокерамических заготовок производится шлифованием на плоско- и кругло шлифовальных станках, применяемых при обработке металлов.

Шлифованием пьезокерамических заготовок можно придать им желаемую форму и получить необходимые размеры изделий. Шлифование производится «мокрым» способом, преимущественно алмазными кругами. В качестве охлаждающей жидкости используется проточная вода.

2. Нанесение металлических электродов.

Металлические электроды, нанесенные на поверхности пьезо-керамического элемента, должны обладать высокой электропроводностью и обеспечивать достаточный контакт и прочность сцепления с керамикой. С этой целью на поверхности пьезокерамических элементов наносят металлическое покрытие, создавая контактные поверхности. Наиболее распространенным покрытием является в настоящее время серебрение, а применяемым методом нанесения покрытия - вжигание серебра в керамику.

Один цикл вжигания серебра дает слой серебра на керамике, равный 4 – 6 мкм. Для получения достаточного для припайки выводов слоя серебра нанесение пасты и вжигание серебра производится трижды.

3. Поляризация пьезокерамики.

Поляризация пьезокерамики производится на высоковольтных установках постоянного тока с применением специальных электродов, обеспечивающих создание равномерного электрического поля. Поляризация может осуществляться как на воздухе, так и в различных электроизоляционных жидкостях - касторовом масле, трансформаторном масле, силиконовой жидкости и др.

Пьезокерамика из титаната бария поляризуется при температуре 110 - 115°С и напряженности электрического поля 6 кВ/см.

4. Контроль параметров

После поляризации производится замер электрофизических параметров пьезокерамики.