Применение ультразвуковых колебаний для прессования порошковых материалов и получения пьезокерамики

1        ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПОЛУЧЕНИЯ ПЬЕЗОКЕРАМИКИ

На основании проведенного анализа используемых в производстве способов формирования пресс-заготовок можно выделить следующие:

• холодное одноосное прессование;
• гидростатическое;
• прессование с нагревом (горячее прессование);
• с применением вибраций.

Каждый из указанных способов имеет свои преимущества и недостатки. Основным способом формообразования заготовок в промышленности является холодное одноосное прессование порошка в металлических пресс-формах. Способ является относительно самым простым и обладает большой производительностью, вследствие возможности механизации процесса. Вибрационные способы компактирования порошков находят всё большее применение в получении керамики (в том числе, с пьезоэлектрическими свойствами), обладающими повышенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами [1-3].

Для формирования пресс-заготовок с наложением ультразвуковых колебаний (УЗК) могут применяться установки с различными схемами акустических систем. Сообщаемые инструменту прессования ультразвуковые колебания интенсифицируют процесс прессования и повышают качество пресс-заготовок. По способу подвода колебаний к инструменту различают:

• схему с продольными колебаниями инструмента, когда направление колебаний совпадает с направлением приложения сил прессования;
• схему с поперечными колебаниями инструмента, когда направление колебаний перпендикулярно оси инструмента и направлению сил прессования;
• схему с крутильными колебаниями инструмента, когда подвод колебаний осуществляется по касательной к инструменту.

При этом ультразвуковые колебания могут возбуждаться:

• в пресс-форме,
• в пуансоне,
• одновременно в пресс-форме и пуансоне.

Прессование с применением УЗК наиболее успешно применено в порошковой металлургии и сравнительно мало используется в производстве сегнето- и пьезокерамики. Это связано со сложностью физических явлений, лежащих в основе этого процесса, а также трудностью выбора оптимальной схемы прессования для данного типа изделия.

Известны различные практические способы реализации прессования порошков с применением УЗК.

В работе [1] предложен способ, в котором на порошок, помещённый в пресс-форму, воздействуют внешним статистическим давлением и одновременно в пресс-форме возбуждают осевые продольные колебания на двух и более частотах ультразвукового диапазона, причём одна из частот соответствует резонансной частоте механических колебаний элементов пресс-формы. Получаемые этим методом пресс-заготовки имеют повышенные физико-механические свойства, а изделия. изготовленные из них, обладают лучшими параметрами по сравнению с изготовленными по традиционной технологии. Указанный способ иллюстрирует преимущество, присущее методу прессования изделий из дисперсного материала с использованием акустических колебаний.

Благодаря знакопеременным смещениям частиц дисперсного материала при воздействии на него в процессе прессования акустических колебаний оказывается возможным получать изделие требуемой плотности при значительно меньшей величине усилия статического прессования, что делает процесс изготовления изделия более выгодным энергетически, а также позволяет достигнуть высокой плотности изделия без разрушения структуры исходного вещества.

В работе [2] предложен способ формирования изделия из дисперсного порошкового материала который осуществляют путём его прессования в двухмерном поле акустических колебаний ультразвукового диапазона с частотой 2030 кГц, создаваемом при одновременном воздействии на пресс-форму двух синхронных по фазе колебаний, одно из которых направлено вдоль продольной оси пресс-формы, а другое – по радиусу к указанной оси.