CC BY
47
Для устранения отрицательных последствий действия блуждающих токов на трубопровод, оборудованный системой протекторов, целесообразно применить систему катодной защиты в концевых зонах. Ее основной задачей будет снижение влияния блуждающих токов в концевых зонах. В средней зоне, где отсутствует интенсивное протекание тока через поверхность трубопровода, электрохимическая защита трубопровода будет обеспечена протекторами. Эффективность такого подхода показана на рис. 5, где сплошной линией обозначен график смещения потенциала на трубопроводе без системы катодной защиты, а штриховой линией — график смещения потенциала при работе системы катодной защиты. В последнем случае состояние трубопровода становится таким же, как и при отсутствии блуждающих токов. Значение среднего защитного тока 1С при этом равно максимальному продольному току трубопровода 1С = Е0/г.
Поскольку уровень блуждающих токов зависит от места расположения и может изменяться в широких пределах, система катодной защиты должна быть автоматической и обеспечивать выходной ток, необходимый для оптимального снижения влияния блуждающих токов. Из изложенного следует, что принимаемые меры по защите подводных трубопроводов от коррозии могут оказаться недостаточными и в этом случае следует дополнительно применять катодную защиту.
Для оценки реальной опасности влияния блуждающих токов необходимо провести длительные измерения параметров блуждающих токов на берегу и в море. С этой целью могут
быть использованы разработанные авторами специальные методики и аппаратно-программные средства для проведения прецизионных синхронных измерений нескольких параметров [2]. По результатам данных измерений можно будет определить степень опасности и принять решение о порядке разработки защитных мероприятий.
Практическое значение полученных результатов состоит в том, что в случае непредвиденного ускоренного износа протекторов и последующего выхода трубопровода из строя удастся предотвратить ущерб, связанный с остановкой трубопровода и заменой его части с растворенными протекторами, последующими испытаниями и запуском. Для магистрального трансграничного газопровода размер такого ущерба будет несоизмеримо больше затрат на исследования его состояния и предупреждающие действия. Оценка факторов рисков в этом случае определяется развитием инфраструктуры энергетического комплекса и других источников возникновения блуждающих токов в прибрежной зоне морского трубопровода.
Литература
1. Нормы проектирования и строительства морского газопровода ВН39-1.9-005-98 / ОАО «Газпром». М.: ИРЦ «Газпром», 1998.
2. Korshunov G. I., Poliakov A. V. The system and instrument provision of corrosion monitoring // Proceedings of the international conference «Instrumentation in ecology and human safety». Nov. 4—6, 2002. ISA, St. Petersburg Russian Section. St. Petersburg, 2002. P. 49-55.
УДК 537.226
Металлизация пьезокерамики в СВЧ-поле
И. А. Квирая, А. М. Мартыненко, Н. М. Попов, С. И. Пугачев
Ключевые слова: пьезокерамика, металлизация, СВЧ-поле, вспученный вермикулит, адгезионная прочность, зона контакта, электронно-зондовый микроанализ
Постановка проблемы
Промышленная технология металлизации пьезокерамических материалов, используемых для создания излучателей и приемников ультразвука, основана на восстановлении благородных металлов (обычно серебра)
из окислов высокотемпературным методом вжигания. В ряде случаев эта технология не обеспечивает необходимой адгезионной прочности соединения пьезокерамики с металлом. Использование электрических печей сопротивления для нагрева приводит к большой продолжительности процесса. Так,
МП^ППООБ^^Ш
электрофизические и электрохимические методы обработки
длительность цикла однократной металлизации, в результате которого формируется покрытие толщиной 3-4 мкм, составляет 12-14 ч. Для создания покрытия требуемой толщины (10-15 мкм) процесс металлизации повторяют трижды.
В работах [1, 2] отмечены преимущества высокочастотной (ВЧ) металлизации пье-зокерамики серебросодержащими пастами по сравнению с промышленной технологией. Показано, что реализация процесса по предложенной конструктивно-технологической схеме в значительной степени устраняет недостатки промышленной технологии и способствует созданию пьезокерамических элементов (ПКЭ) с повышенной эффективностью в режимах приема и излучения ультразвука. В то же время анализ физических особенностей нового процесса металлизации позволил сформулировать направления его оптимизации [3]. Одним из основных направлений является повышение частоты используемого электромагнитного поля.
поле в этом случае не является квазистационарным и носит ярко выраженный волновой характер. При этом образцы пьезокерамики образуют систему заряженных тел, которые в каждый момент времени имеют разные потенциалы, что определяет вероятность пробоя между ними.
Из выражения (1) следует также, что эффективность нагрева зависит от диэлектрических характеристик нагреваемого материала в и 5. Из данных по дисперсии этих характеристик для сегнетокерамик, находящихся в параэлектрической фазе, следует, что, например, в материале системы цирко-ната-титаната свинца (ЦТС) в диапазоне частот 500-3000 МГц фактор потерь возрастает в три раза [4].
Для обоснования целесообразности повышения частоты электромагнитного поля может быть использован и другой подход. Известно, что коэффициент затухания электромагнитной волны в диэлектрике а' определяется из выражения
Выбор частоты электромагнитного поля
Объемная плотность активной мощности, выделяющейся в диэлектрике, находящемся в электромагнитном поле, р0, Вт/м3, определяется известным выражением
р0 = 5,55 • 10-11/s' tg 5E
(1)
а = ю
|io|i£o £
2
- U
1 + tg26 - 1),
(2)
где f — частота поля, Гц; в' — вещественная часть диэлектрической проницаемости; 5 — тангенс угла диэлектрических потерь нагреваемого материала; Е — напряженность электрической составляющей поля, В/м.
Таким образом, мощность, выделяющаяся в диэлектрике, пропорциональна мнимой части диэлектрической проницаемости в'' = в' 5, называемой некоторыми авторами фактором потерь, а также частоте и квадрату напряженности электрического поля.
Из выражения (1) следует, что с повышением частоты эффективность нагрева может быть обеспечена при меньших значениях напряженности поля. Это весьма существенно, так как при металлизации с нагревом на высоких частотах необходимо считаться с вероятностью электрического пробоя между тонким слоем восстанавливаемого на поверхности пьезокерамики серебра и электродами рабочего конденсатора высокочастотной установки.
При нагреве образцов пьезокерамики в объемном резонаторе на сверхвысоких частотах (СВЧ) уменьшение напряженности поля в резонаторе также существенно, поскольку
где ю — круговая частота; Ц0 — магнитная проницаемость вакуума; ц — относительная магнитная проницаемость диэлектрика; so — диэлектрическая проницаемость вакуума.
Можно показать, что при x = 1/а' амплитуда напряженности электрического поля уменьшается в e раз. В технике высокочастотного нагрева x = А называется глубиной проникновения поля в диэлектрик.
Определим величину А для пьезокера-мического образца, нагревающегося в СВЧ-поле с наиболее распространенной частотой 2450 МГц. Пусть, для примера, s' = 800; tg 5 = 0,38; ц = 1. Тогда на этой частоте А = = 1/а' составит 3,7 мм, а на частотах 5800 МГц и 48,4 ГГц — 1,56 мм и 0,19 мм соответственно. Следовательно, повышение частоты до десятков ГГц позволяет концентрировать энергию поля в малом объеме вблизи поверхности образца. Однако установки на эти частоты на один-два порядка дороже установок на частоту 2450 МГц и, кроме того, имеют иное, узко специальное назначение.
Выбор способа передачи энергии электромагнитного поля в пьезокерамику
Принципиально нагрев в электромагнитном поле СВЧ может производиться тремя способами [5]:
2
[22
№ 3 (51)/2009
• облучением свободно падающей волной;
• в поле бегущей волны;
• в поле стоячей волны.
Облучение свободно падающей волной. Первый способ предполагает использование в качестве нагревателей специальных рупорных антенн. Его достоинством является простота передачи энергии в нагреваемый объект. К недостаткам относят неравномерность нагрева и трудность экранирования нагревателя. Этот способ не может быть использован для металлизации пьезокерамики.
Нагрев в поле бегущей волны. Способ используется, как правило, в установках непрерывного действия. Простейший нагреватель такого типа содержит магнетронный генератор, волновод прямоугольного сечения и оконечную нагрузку, которая поглощает энергию, не выделившуюся в нагреваемом материале. Электромагнитная волна в прямоугольном волноводе распространяется только при соблюдении условия а > Ао/2, где a — размер широкой стенки волновода, а Ао — длина волны поля в свободном пространстве. Узкая стенка составляет обычно половину размера широкой стенки. При частоте поля 2450 МГц Ао = 12,2 см. Международная электротехническая комиссия установила стандарты прямоугольных волноводов для каждого диапазона частот. В нашем случае размеры поперечного сечения стандартного волновода R26 составляют 86 х 43 мм [5]. Таким образом, пьезокерамические образцы могли бы быть размещены в пространстве стандартного волновода R26. Однако помещение в волновод образцов с высокой диэлектрической проницаемостью приведет к резкому искажению поля в нем и, как следствие, к неравномерности нагрева образцов. Поэтому данный способ также не следует использовать для металлизации пьезокерамики.
Нагрев в поле стоячей волны. Устройство для СВЧ-нагрева материала в поле стоячей волны представляет собой магнетронный генератор, нагруженный, как правило, на замкнутый прямоугольный объемный резонатор. Нагрев диэлектрика в поле стоячей волны происходит неравномерно из-за наличия максимумов и минимумов напряженности электрического поля. Размеры рабочей камеры — резонатора следует выбирать таким образом, чтобы в ней возбуждалось возможно большее число колебаний различных типов. Наложение подобных колебаний приводит к образованию поля сложной структуры, в котором экстремумы электрического и магнитного полей выражены не столь ярко. Это благоприятно сказывается на равномерности нагрева. Известно,
что число типов колебаний возрастает с увеличением размера резонатора. Однако максимально допустимые размеры рабочей камеры ограничены мощностью магнетрона. Поэтому для возбуждения колебаний различных типов используются дополнительные средства, например подвижные отражатели (диссекторы), вращающийся круг для размещения образцов, а также подвод СВЧ-энергии через несколько элементов связи. Все указанные средства способны обеспечить достаточную равномерность нагрева. Поэтому оптимальным способом СВЧ-нагрева при металлизации пьезоке-рамики является нагрев в поле стоячей волны объемного резонатора.
Технологический режим СВЧ-металлизации
Для разработки технологии вжигания серебра в пьезокерамику с нагревом в поле СВЧ использовалась микроволновая печь CE2727N фирмы Samsung. Внутренние поверхности рабочего объема печи имеют керамическое покрытие, что позволяет нагревать образцы до необходимых температур (820-850 °С). Вращающийся круг в нижней части внутреннего пространства печи также выполнен из жаропрочного материала — стекла типа пирекс. Вращение круга обеспечивает равномерный нагрев материала в горизонтальной плоскости, система ввода излучения в резонатор в трех точках — в вертикальной. Вследствие многократного отражения волн от стенок резонатора поле «перемешивается», и таким образом выравнивается нагрев по вертикали.
Технологический режим СВЧ-металлизации разрабатывали применительно к образцам из материалов ЦТС-19, ЦТБС-3 и ЦТСНВ-1 в форме диска 030 х 10 мм. Выбор материалов определялся их широким использованием в электро- и гидроакустике, радиоэлектронике, приборостроении. Выбор конфигурации образцов определялся тем, что в соответствии с ОСТ II 0444-87 они являются стандартными для определения электрофизических параметров и адгезионной прочности соединения серебра с пьезокерамикой.
Покрытые серебросодержащей пастой образцы помещались в специальные кассеты из термостойкого материала — вспученного вермикулита. Этот материал изготавливается путем прессования массы, состоящей из дробленого вермикулита, огнеупорных добавок (каолина) и связки, например растворимого натриевого стекла (Na2O • nSiO2) [6]. Получаемые таким образом плиты применяются при температурах до 1000 °С и являются нетоксичными.
А — А
А 120
2.
Рис. 1. Кассета для СВЧ-вжигания серебросо-держащей пасты на поверхность пьезокерами-ческих образцов:
1 — матрица; 2 — образец; 3 — крышка
Из этого материала были изготовлены подложки в виде кассеты (рис. 1), в которой пье-зокерамические образцы устанавливались на вращающийся круг объемного резонатора СВЧ-печи. Особенностью конструкции кассеты служило отсутствие контакта между металлизируемой поверхностью и материалом кассеты, оно является необходимым условием вжигания при СВЧ-металлизации. Данное условие соблюдалось благодаря вертикальному расположению образцов пьезо-керамики в гнездах кассет и выбору такой ширины гнезд, при которой, с одной стороны, обеспечивается эффективный нагрев образца, а с другой — имеется определенный воздушный зазор для обеспечения газообмена. Последнее обстоятельство имеет большое значение для вжигания, так как способствует протеканию химических реакций на границе раздела «паста — пьезокерамика».
Критериями качества СВЧ-металлизации служили электрофизические параметры ПКЭ и адгезионная прочность соединений «пьезокерамика — металл». В результате экспериментов установлено, что высокое качество металлизации достигалось при нагреве кассеты с образцами пьезокерамики в печи СВЧ на уровне мощности 850 Вт в течение 15 мин. Затем следовало охлаждение образцов в кассете также на протяжении 15 мин. В процессе металлизации с соблюдением такого режима не наблюдалось электрических пробоев; образцы не имели сколов и других дефектов. Покрытие получалось однородным и плотным. Указанный режим нагрева применялся при вжигании второго и третьего слоев пасты. Таким образом, применение новой технологии привело к существенному (в 8-10 раз) сокращению продолжительности металлизации.
Металлизированные по промышленной технологии и по технологии, основанной на применении СВЧ-поля, пьезокерамические образцы поляризовались в среде жидкого диэлектрика. После необходимой выдержки в течение 7-10 сут. измерялись диэлектрические и резонансные характеристики, по данным измерений рассчитывались электрофизические параметры ПКЭ. Результаты измерений и расчетов показали, что электрофизические параметры ПКЭ указанной геометрии аналогичны по своим значениям при двух способах металлизации пьезокерамики. В то же время механическими испытаниями установлено, что применение СВЧ-металлизации приводит к повышению адгезионной прочности соединений пьезокера-мики с металлом в среднем на 30 %.
Электронно-зондовый микроанализ зоны контакта «пьезокерамика — металл»
Целью исследований являлось установление распределения элементов покрытия (серебра) и подложки (пьезокерамики) в зоне их контакта при промышленной и СВЧ-металлизации пье-зокерамики. Измерение распределения серебра и других элементов в зоне контакта «пье-зокерамика — металл» проводилось методом локального рентгеноспектрального анализа [7] с использованием полупроводникового спектрометра АК-10000, установленного в камере сканирующего электронного микроскопа СаШЗсап-4ВУ. Предварительно фрагменты каждого образца были запрессованы в пластмассу. Исследуемые поверхности шлифовались и полировались; перед измерениями на них был напылен слой углерода. Ускоряющее напряжение электронного пучка находилось на уровне 20 кВ, ток образца был равен 0,5 нА, время измерений составляло 100 с. Зону контакта анализировали точечным методом с шагом 0,3-0,6 мкм. Обработку результатов измерений проводили по программе ZAF-4/FS.
Полученные результаты представлены на рис. 2. Судя по рисунку, глубина проникновения серебра в представленные пьезокера-мические материалы при СВЧ-металлизации больше, чем при промышленной металлизации, что также свидетельствует об эффективности новой технологии.
Анализ представленных зависимостей продемонстрировал, что определяющим процессом является диффузия металла по границам зерен пьезокерамики. При этом воздействие электромагнитного поля приводит к возрастанию на 2-3 порядка коэффициента диффузии, что обусловливает резкое ускорение процесса металлизации [8]. Как показали
3
2
1
1
I
a) 100
80 &60 ^ 40 20 0
б)
2 3 4
Глубина проникновения,, мкм
100 80 60 40 20 0
234 Глубина проникновения,, мкм
II а)
100 80 60
б)
40 20 0
III а) 100 80 60 ^ 40 20 0
123 Глубина проникновения, мкм
100 80 60 ^ 40 20 0
2 3 4
Глубина проникновения, мкм
б)
100 80 60 40 20 0
2 3 4
Глубина проникновения, мкм
123 Глубина проникновения, мкм
Рис. 2. Распределение серебра Ag, % в зоне контакта «пьезокерамика — металл»: I — ЦТС-19; II — ЦТБС-3; III — ЦТСНВ-1; а — промышленная металлизация; б — металлизация в СВЧ-поле
эксперименты, элементы пьезокерамики (И, Zr и др.) не перераспределяются в зоне контакта как в случае промышленной металлизации, так и при металлизации в СВЧ-поле.
Заключение
Из представленного материала следует, что металлизация пьезокерамики в СВЧ-поле является новым технологическим процессом, обладающим существенными преимуществами по сравнению с промышленной технологией.
Литература
1. Лихов А. Б., Пугачев С. И. и др. Физические процессы при металлизации пьезокерамики в высокочастотном электрическом поле // Сегнето-электрики и пьезоэлектрики: Сб. науч. тр. Тверь: ТГУ, 1993. С. 48-53.
2. Пугачев С. И. Металлизация пьезокерамики в высокочастотном электрическом поле // Темпе-ратуроустойчивые функциональные покрытия:
Тр. XVII Совещания по температуроустойчивым функциональным покрытиям. Ч.1, 2. СПб., 1997. Ч. 1. С. 120-127.
3. Легуша Ф. Ф., Лифсон В. Э.-Я., Пугачев С. И. Физические и технологические задачи металлизации пьезокерамики в высокочастотном электрическом поле // Ультразвуковые технологические процессы — 98: Тез. докл. науч.-техн. конф. М., 1998. С. 225-228.
4. Gerson R., Peterson J. M., Rote D. R. Dielectric ronstant of lead titanate zirconate ceramics at high frequency // J. of Appl. Phys. 1963. Vol. 34, N 11. P. 3242-3245.
5. Григорьев А. Д. Электродинамика и техника СВЧ. М., 1990.
6. Гордеева Л. Г. и др. Формирование пористой структуры вермикулита в процессе вспучивания // Журнал прикладной химии. 2002. Т. 75. Вып. 3. С. 371-374.
7. Тронева Н. В., Тронева М. А. Электронно-зондовый анализ. М., 1996.
8. Большакова Н. Н., Иванов В. В. и др. Металлизация пьезокерамики в высокочастотном поле // Сб. докл. Междунар. науч. практ. конф. «Пьезо-техника-97». Обнинск, 1997. С. 228-233.
1
5
1
5
1
5
4
5
4
5
1
5
