Енергозберігаючі технології на основі п'єзоелектричного ефекту для автомобільної техніки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Енергозберігаючі технології на основі п'єзоелектричного ефекту для автомобільної техніки

Останнім часом все актуальнішою стає питання енергонезалежності, а отже виникає неабияка потреба в альтернативних джерелах живлення. В цьому напрямку проводиться досить велика кількість різного роду досліджень та випробувань. Доволі цікаві результати дали дослідження, щодо використання п'єзоелектричного ефекту для отримання електричної енергії [1]. Основна ідея використання п'єзоелементів (ПЕ) та п'єзогенераторів (ПІ) полягає в перетворенні кінетичної енергії від натискання в імпульс електричної енергії [1-5].

Поки що зробити повноцінне альтернативне та децентралізоване джерело живлення, використовуючи ПЕ та ПГ, досить складно, але додаткове малопотужне джерело живлення на їх основі створити цілком можливо. Про це свідчать результати останніх сучасних досліджень, як в Україні, так і за її кордонами. Особливо приваблива ця ідея для тих місць, де є значна щільність або людського потоку, або транспортного.

Мета та постановка задачі

Метою роботи є аналіз розробок та досліджень технічних рішень щодо використання п'єзоелектричних матеріалів в сучасній автотранспортній техніці.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

- розкрити явище п'єзоелектричного ефекту;

- провести стислий опис п'єзоелектричних матеріалів;

- провести аналіз п'єзоелектричної кераміки та основних груп виробів, що з неї виробляються;

- дослідити використання п'єзоелектричної кераміки для автомобільної техніки.

Явище п'єзоелектричного ефекту

П'єзоелектричний ефект був відкритий в 1880 р. Джексом і П'єром Кюрі. Вони помітили, що в деяких кристалах при механічному впливі на них з'являється електрична поляризація, причому ступінь її пропорційна величині тиску, рис. 1.

Рис. 1. Демонстрація п'єзоелектричного ефекту

п'єзоелектричний кераміка автотранспортний

Пізніше Кюрі відкрив інверсійний п'єзоелектричний ефект - деформування матеріалів, вміщених в електричне поле. Ці явища ще називають прямим і зворотним п'єзоелектричним ефектом [6-9].

П'єзоелектричний ефект властивий деяким природним кристалам, таким як кварц і турмалін, які протягом багатьох років використовувалися як електромеханічні перетворювачі. Кристалічна решітка кристалів, що володіють п'єзоелектричним ефектом, не має центру симетрії. Вплив (стискання чи розтягання), прикладений до такого кристала, призводить до поляризації після поділу позитивних і негативних зарядів, які є в кожній окремій елементарній частці. Ефект практично лінійний, тобто ступінь поляризації прямо пропорційна величині прикладеного зусилля, але напрямок поляризації залежний, тому що зусилля стискання або розтягування генерують електричні поля, а отже, і напругу протилежної полярності. Відповідно, при розміщенні кристалу в електричному полі пружна деформація викликає збільшення чи зменшення його довжини відповідно до величини і напрямку полярності поля [9].

П'єзоелектричні матеріали умовно можна розбити на дві групи [6, 10].

Перша група - п'єзоелектричні монокристали. Природні п'єзоелектричні матеріали мають досить високу вартість. У зв'язку з цим потреби електроніки, що розвивається на даний час, задовольняються синтетичними п'єзоелектричними монокристалами, які вирощуються в спеціальних установках. П'єзоелектричні властивості таких кристалів з досить високою повторюваністю можна задавати шляхом композиції компонентів, що входять до їх складу. Вирощені кристали, певним чином ріжуться на пластини. Деякі (сегнетоелектрики) поляризуються і з них, шляхом шліфування і нанесення електродів, виготовляються п'єзоелектричні елементи, рис. 2.

Рис. 2. Монокристал (зліва) та полікристал (праворуч)

Друга група - п'єзоелектрична кераміка (п'є - зокераміка). За фізичними властивостями це полікристалічний сегнетоелектрик, який представляє собою хімічну сполуку або твердий розчин (порошок) зерен (кристалітів), рис. 2.

За хімічним складом це складний оксид, що включає іони двовалентного свинцю або барію, а також іони чотирьох валентного титану або цирконію. Шляхом зміни основного співвідношення вихідних матеріалів і введення добавок синтезують різні склади п'єзо - кераміки, які володіють певними електрофізичними і п'єзоелектричними характеристиками. Найбільшого поширення набула група п'єзокерамічних матеріалів типу ЦТС (цир - коната-титанату свинцю). Разом з тим використовується кераміка на основі титанату барію (ТБ) і титанату свинцю (ТС).

В останні роки розробляються нові п'єзоке - рамічні матеріали з властивостями, що дозволяють в деяких випадках використовувати їх замість більш дорогих п'єзоелектричних кристалів. Зокрема, розроблена і виробляється група матеріалів на основі ніобата свинцю, яка вже знайшла практичне застосування завдяки можливості її використання в діапазоні частот до 30 МГц і більше.

Значні дослідження проводяться по створенню п'єзокерамічних композитних матеріалів, а також багатошарової кераміки. Зарубіжні виробники в залежності від п'єзоелектричних властивостей ділять її на сегнетожорстку і сег - нетом'яку. У вітчизняній практиці існує додатковий розподіл на кераміку середньої сегне - тожорсткості, а також виділяються високос - табільні, високотемпературні матеріали.

Якість п'єзокераміки характеризується основними параметрами:

- К^т ₃₃ (є^т₃₃/є₀) - відносна діелектрична проникність;

- tg 5 - тангенс кута діелектричних втрат при частоті 1 кГц в слабких полях;

- Т (Т_к) - температура точки Кюрі;

- K_p, K₃₃, K₃₁, K₁₅ - коефіцієнти електромеханічного зв'язку;

- d₃₃, d₃₁, d₁₅ - п'єзоелектричні модулі;

- g₃₃, g₃₁, g₁₅ - електричні коефіцієнти по напрузі;

- Г^Е₁₁, Y^e₃₃ - модулі Юнга;

- N_l, N_t, N_r - частотні постійні;

- S^E₁₁, S^E₃₃ - параметр еластичності;

- р - густина;

- Q_m - механічна добротність.

На відміну від п'єзоелектричних кристалів, п'єзокерамічні елементи виготовляються методом напівсухого пресування, шлікерного лиття, гарячого лиття під тиском, екструзії або ізостатичного пресування з подальшим випалюванням на повітрі при температурі 1000…1400°С. З метою зменшення пористості випал може проводитися в середовищі кисню, або елемент виготовляється за допомогою методу гарячого лиття. За спеціальною технологією на поверхню заготівок наносяться електроди [6]. Після цього кераміку роблять п'єзоелектричною з будь-яким обраним напрямом поляризації шляхом приміщення її в сильному електричному полі при температурі нижче так званої точки Кюрі. Поляризація зазвичай є остаточним процесом при виготовленні п'єзокерамічних елементів, хоча за ним йде термостабилизация і контроль параметрів.

П'єзоелектрична кераміка являє собою твердий, хімічно інертний матеріал, абсолютно нечутливий до вологості і інших атмосферних впливів. За механічним якостям вона подібна керамічним ізоляторам.

Залежно від призначення ПЕ можуть мати найрізноманітнішу конфігурацію - від плоскої до об'ємної (сфери, півсфери і т. п.), рис. 3.

Рис. 3. П'єзоелементи

Для подальшого розуміння доцільно ввести наступне загальноприйняте в зарубіжнійпрактиці умовний розподіл типових ПЕ залежно від їх конфігурації: пластина (plate), диск (disc), кільце (ring), брусок (bar), стрижень (rod), циліндр (cylinder). Існують також гнучкі п'єзокерамічні елементи: пластинчасті (plate bender) і дискові (disc bender), які, в свою чергу, поділяються на юніморфи (unimorph), тобто одношарові, і біморфи (bimorph) - двошарові.

Такий умовний поділ є загальноприйнятим і дозволяє спростити в процесі замовлення опис необхідного елемента.

П'єзоелектричні елементи ідеальні при використанні у якості електромеханічних перетворювачів. Вони досить широко використовуються для виготовлення п'єзокерамічних компонентів, вузлів і пристроїв. Деякі п'єзо - керамічні елементи вже спочатку можуть виконувати функції компонента або вузла (наприклад, пластинчасті біморфи) і не потребують додаткового доопрацювання. Всі вироби, виготовлені на базі п'єзокераміки, підрозділяють на наступні основні групи:

- генератори;

- датчики (сенсори);

- актюатори (п'єзоприводи);

- перетворювачі;

- комбіновані системи.

П'єзокерамічні генератори. Вони перетворюють механічний вплив в електричний потенціал, використовуючи прямий п'єзоефект, рис. 4. Прикладами можуть служити іскрові запалювачі натискного і ударного типів, що застосовуються в різного роду запальничках і підпалюють системах, а також твердотільні батареї на основі багатошарової п'єзокераміки, що застосовуються в сучасних електронних схемах.

Рис. 4. Приклад п'єзокерамічного генератора

П'єзокерамічні датчики. Вони перетворять механічну силу чи рух в пропорційний електричний сигнал, тобто також засновані на прямому п'єзоефекті, рис. 5.

В умовах активного впровадження комп'ютерної техніки датчики є незамінними пристроями, що дозволяють погоджувати механічні системи з електронними системами контролю і управління.

Рис. 5. П'єзокерамічні датчики

Виділяються два основних типи п'єзокерамічних датчиків:

- осьові (механічна сила діє уздовж осі поляризації, мода 33);

- гнучкі (сила діє перпендикулярно осі поляризації (мода 31)).

В осьових датчиках, таких як ПЕ використовують диски, кільця, циліндри і пластини. Для прикладу можна привести датчики прискорення (акселерометри), датчики тиску, датчики детонації, датчики руйнування тощо.

Гнучкі датчики будуються на основі послідовних (шари кераміки мають протилежну спрямованість поляризації) і паралельних (спрямованість поляризації шарів збігається) п'єзокерамічних біморф. Найбільш поширені датчики сили і прискорення.

П'єзокерамічні актюатори. Актюатори будуються на принципі зворотного п'єзоефекту і тому призначені для перетворення електричних величин (напруги або заряду) в механічне переміщення (зрушення) робочого тіла, рис. 6.

Рис. 6. Актюатори

Актюатори поділяються на три основні групи: осьові (мода d₃₃), поперечні (мода d₃₁) і гнучкі (мода d₃i). Осьові і поперечні актюатори мають ще загальну назву - багатошарові пакетні, так як набираються з декількох ПЕ (дисків, стрижнів, пластин або брусків) в пакет. Вони можуть розвивати значне зусилля до 10 кН при керуючій напрузі 1 кВ, але при дуже малих відхиленнях робочої частини. Такі актюатори також називають потужними.

Гнучкі актюатори (біморфи) розвивають незначну силу при малих відхиленнях робочої частини, рис. 7. Однак американській компанії APC International Inc вдалося створити і вийти на ринок з новим типом пластинчастого бімор - фа - «стрічковим актюатором». Стрічковий актюатор може забезпечувати силу 0,95 Н і величину відхилення 1,2 мм або відхилення до 3 мм і силу 0,6 Н.

Рис. 7. Гнучкі актюатори

Гнучкі актюатори відносяться до групи малопотужних. До цієї ж групи будуть відноситися і перспективні осьові актюатори, що представляють собою моноблок, виготовлений за технологією багатошарової п'єзокера - міки.

Пакетні актюатори можуть вироблятися підприємствами, не пов'язаними з виробництвом п'єзокераміки. Гнучкі ж і осьові актюа - тори з багатошарової кераміки самі по собі є п'єзокерамічними елементами. Їх можуть робити тільки підприємства, які володіють технологіями і обладнанням для виробництва п'єзокерамічних елементів.

П'єзокерамічні перетворювачі. Вони призначені для перетворення електричної енергії в механічну, рис. 8. Так само як і актюатори, ґрунтуються на принципі зворотного п'єзоефекту.

Рис. 8. П'єзокерамічні перетворювачі

Перетворювачі в залежності від діапазону частот підрозділяються на 3 види:

- звукові (нижче 20 кГц) - зумери, телефонні мікрофони, високочастотні гучномовці, сирени тощо;

- ультразвукові - високоінтенсивні випромінювачі для зварювання та різання, мийки і очищення матеріалів, датчики рівня рідини, дисперсійні розпилювачі, генератори туману, інгалятори, зволожувачі повітря. Значною групою виділяються так звані ультразвукові вимірники відстані в повітряному середовищі (Air Transducers), що є п'єзокерамічними компонентами. Вони використовуються в якості вимірників відстані для автотракторної техніки, сенсорів наявності і руху в охоронних системах, в рівнемірах, для дистанційного контролю та управління, в пристроях відлякування птахів, звірів і сільськогосподарських шкідників тощо. Виробляються пристрої трьох типів: передавальні, прийомні та приймально-передавальні;

- високочастотні ультразвукові - устаткування для випробування матеріалів і неруйнів - ного контролю, діагностика в медицині і промисловості, лінії затримки тощо.

Комбіновані п'єзокерамічні системи. Такі системи перетворять електричні величини в електричні, при послідовному використанні зворотного і прямого п'єзоефектів. Як приклади таких систем можна привести ехолоти, вимірники потоків, п'єзотрансформатор (рис. 9), «шукач ключа» [11].

Рис. 9. Схематичне зображення конструкції п'єзотрансформатора

Яскравим прикладом комплексного використання п'єзокерамічних елементів, вузлів і деталей на їх основі можуть послужити спільні розробки американської компанії APC International Ltd з виробниками комплектуючих для автомобільної промисловості.

Сучасні, технічно складні автомобілі постійно вимагають впровадження додаткової електроніки для підвищення надійності, безпеки і комфорту. Наприклад, на основі ПЕ легко зробити прилад для перевірки свічок запалювання, рис. 10 [12].

Рис. 10. Прилад для перевірки свічок запалювання

На даний час американські виробники активно використовують пристрої і вузли на базі п'єзоелектричної кераміки [13]. Прикладами

таких пристроїв можуть служити:

— актюатори-клапани вприскування палива;

— актюатори-клапани для газорозподільної системи двигуна;

— датчики повороту - для визначення кута положення дросельної заслінки;

— датчики детонації;

— датчики рівня заправних рідин;

— датчики тиску - для вимірювання тиску в паливному баку з метою визначення витоку палива;

— п'єзоприводи дзеркал;

— п'єзоприводи регулювання сидінь;

— передні ультразвукові дистанційні датчики (датчики запобігання зіткнень);

— бічні дистанційні датчики;

— задні (паркувальні) ультразвукові дистанційні датчики;

— датчики системи сигналізації та зумери оповіщення;

— швидкісні сенсори в передній панелі для подушок безпеки;

— бічні ударні сенсори подушок безпеки;

— аварійні датчики-сенсори подушок безпеки;

— актюатори системи антиблокування гальм;

— п'єзоприводи системи підвіски;

— датчики кутової швидкості і лінійні акселерометри малих перевантажень, орієнтовані по трьох осях автомобіля, призначені для автоматизованого надання інформації про маршрут;

— п'єзоприводи регулювання фар;

— датчики і актюатори положення фар - для забезпечення динамічного регулювання потоку світла передніх фар в залежності від профілю дороги і зміни величини корисного навантаження автомобіля;

— п'єзоакустичні системи адаптивного регулювання швидкості автомобіля.

Інноваційна розробка актюаторів і датчиків забезпечує вирішення багатьох проблем автомобілебудування і покращує експлуатаційні якості автомобіля, що відповідають жорстким експлуатаційним вимогам.

Ефективність дії систем сигналізації, зумерів, що оповіщають, біморфних і уніморфних актюаторів, п'єзоприводів дзеркал і систем регулювання положення сидінь, підйомників скла, управління клапанами двигуна і ударних датчиків подушок безпеки покращилися завдяки розробці і використанню у виробництві нових п'єзокерамічних матеріалів зі све - рхмалими частинками.

Розроблено також високотемпературну і ви - сокостабільну п'єзоелектричну кераміку, призначену для застосування в паливних системах двигунів сучасних автомобілів. Дуже важливим є те, що дана кераміка має значну стійкість до високих температур і протиударна. Однакова частотна реакція робить датчики з даної кераміки придатними для будь - якого типу автомобільного двигуна.

Таким чином, п'єзокераміка завдяки своїм унікальним властивостям знаходить все більше застосування в різних областях техніки і технології. Іноземні виробники п'єзокерамі - ки, елементів і компонентів на її базі, намагаючись більш повно задовольнити сучасні вимоги ринку, проводять дослідження і конструкторські роботи з метою поліпшення параметрів кераміки, розробляють її нові типи, на що виділяються значні фінансові кошти. З метою здешевлення продукції розробляються нові технології, більш енергозберігаючі що дозволяють автоматизувати процеси виробництва.

Проведено аналіз розробок та досліджень технічних рішень щодо використання п'єзоелектричних матеріалів в сучасній автотранспортній техніці.

Розкрити явище п'єзоелектричного ефекту. Проведено стислий опис п'єзоелектричних матеріалів з зазначенням їх основних груп - п'єзоелектричні монокристали та п'єзоелектрична кераміка. Представлені основні параметри, що характеризують якість п'єзокераміки. Проведено аналіз п'єзоелектричної кераміки та основних груп виробів, що з неї виробляються. Досліджено використання п'єзоелектричної кераміки для автомобільної техніки.

Література

п'єзоелектричний кераміка автотранспортний

1. Батлук В.А. Основы экологии и охраны окружающей среды. Учебное пособие / В.А. Батлук. - Львів: Афіша, 2001. - 333 с.

2. Бедрій Я.І. Основи екології та охорона на вколишнього середовища: Навчальний посібник / Я.І. Бедрій. - К.: ЦУЛ, 2002. - 248 с.

3. Володин В.В. Энергия, век двадцать первый. Научно-художественная литература / В.В. Володин, П.М. Хазановский - М.: Дет. лит., 1989. - 142 с.

4. Альтернативные источники электроэнергии [Електронний ресурс] - 2013. - Режим доступу: http://elektricvdome.ru/altemativnye-istochniki-elektroenergii

7. Кучерук І.М. Загальний курс фізики: У трьох томах. Т.2. Електрика і магнетизм / І.М. Кучерук, І.Т. Горбачук, П.П. Лу - цик. - 2-ге вид., випр. - К.: Техніка, 2006. - 452 с.

8. Basics of Piezo-ceramic Technology // Матеріали сайту - 2016. - Режим доступу: http://www.www.ceramtec.ru/ceramic-materials/piezo-ceramics/basics/.

9. Piezoelectric ceramics 1971: B. Jaffe, W.R. Cook Jr and H. Jaffe. London and New York: Academic Press. 317 pp.

10. Leading the Piezo industry // Матеріали сайту - 2017. - Режим доступу: https://www.americanpiezo.com.

Размещено на Allbest.ru