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压电陶瓷点火器的研究

发布日期:2011-06-27 08:47    浏览次数:

1、概述

收到一定应力作用的压电陶瓷换能器可产生足够的电压,在电极之间引起火花,这样的火花可用于燃气体的点火,其装置称之为压电陶瓷点火器。

近年来,已发展了许多种点火,这些系统都是以一节电池或一块永磁铁作为电源来进行工作,其中大多数都是需要变压器,在有些情况下还需要电容器。其缺点是点火系统较为复杂,在温度、湿度较大的厨房环境中工作,易出故障。压点陶瓷点火系统并没有那么复杂,电学部分只有一个或两个圆柱形的压电陶瓷材料组成,点火所需要的击穿电压是有压电陶瓷承受一个机械应力而产生的。

采用压电陶瓷点火器,可使点火系统的体积大大缩小,并且在高温、潮湿的环境下工作,因而广泛应用于煤气灶、烤箱等厨房设备以及台式点火器和打火机等。

2、压电陶瓷点火器的电压

2.1静态应力

2.1.1  开路状态下的性能

如果在一个长L压电陶瓷(PZT)两端外加一个轴向应力F3,在开路状态下(D=0),电极之间的电压V3由下式给出:

V3=D33/C*F3=G33LF3   (1)

对于给定的PZT点火器,d33、c33、g33、L等均是定值,多以输出电压v3是应力F3的函数,见图1.

图片1

图1  几种材料电厂强度为准静态应力的函数

 

除了电压电平为,火花所消耗的能量对气体的点火来说是一个重要的因素。令机械源所产生的能量为Wf,全部加到PZT圆柱体上体上,如果PZT圆柱体保持开路,而且无损耗,如果街上负载时,一部分能量W。以电能形式收回。所以:

Wy=We+Wm  (2)

其中We为电能,用于点火;Wm为机械能,属于机械损耗。Wy可以用柔顺系数SD33和机械应力F3来表示:

图片2             (3)

公式中,B是PZT元件的体积。We和Wm可用耦合系数K33求出:

 

图片3      (4)

图片4      (5)

根据

图片5        (6)

和式(1),We可以表示为:

图片6    (7)

式中,A是PZT元件的面积;C是PZT元件的低频时的电容。

2.1.2  放电间隙与PZT接通

如果将放电间隙与PZT元件并联,只要已达到击穿电压,就立即放电打火。这是PZT元件好似一个电路上的开路系统一样,打火期间,改系统承受引起的火花的电阻负载。如果在应力F3是,达到放电间隙的击穿电压Vb9 PZT 圆柱体的电能We 就能在很短的时间内释放出来。跳火放电的时间取决于PZT 元件的电容、高压引线的长度和放电间隙的电阻,也可由记忆示波器来观察期大小。若PZY元件保持与机械源相连接,而且一直放电的话,PZT元件就被有效的短路,因而柔顺系数由增加到。且

图片7(8)

于是,PZT元件的压缩应变就可以再不增加应力情况下进一步增加。但这不可能在瞬间出现,无论何时,只要以及穿放电,声冲击波就由PZT元件的端面传入。器速度大约为4mm*us-1,因此,这种形变在几微秒只能就已完成(取决于PZT元件的长度)。在这种情况下,传送到PZT元件上附加的机械能可以转换为附加电能Wea

图片8       (9)

实际上,Wea值将主要取决于PZT元件装配的方法和施加压力的方法,Wwa对电火花的总能量有很大的影响,可增加点火的有效电路Wea。

图片9     (10)       

由上式可以看出,最大有效点火电能相当于电容C和电压Vb的电场能。

相应的能量密度Wkd=Wtd/B,即

图片10 (11)

对于给定配方的PZT,d33、C均可测,为定值,所以Wkd为机械应力F3的函数。图2绘出了几种材料的Wkd和F3的关系。

图片11

图2  在PZT4,PZT41中,每单位体积内产生的总电能为应力F3的函数。其中1,3为最大静态应力点;2为最大动态应力点。在静态系统中,如果一个周期产生n次火花,那么其总能量应等于:

图片12    (12)

式中V=n*Vb是在开路状态下的峰值电压。至今为止,几乎所有的资料所讨论的原理都是更具理想的压电材料,这些材料是理想状态下施加应力的。这样,在实际应用和性能的改进方面受到一些限制,因此对这些限制必须加以考虑。

A.如果PZT元件是像通常一样压紧在钢圆筒中间,由于其较低的柔顺系数,变会对附加上一定的横向夹持,因此,PZT元件将成为桶状而不是均匀的变形,这样将导致给g33的有效值的降低,输出电压降低,然而从我们试验情况看,这种影响微乎其微,只不过电压波形略有不同。图3反映出了这种情况。

B.刚放完电后,元件两端的电压不是零,而等于放电间隙的熄火电压Va,因此有效点火电能应为图片13 ,从输出电压波形可以看出,Va<<Vb,故其影响狠小。

C.如方程(1)所示,对开路系统的压应力产生一个与极化电压极性相同的电压,这样不会引起极化。但一发生放点,该电压就变化成比它低的多的熄灭电压,任何残灭的机械应力都可能引起退极化。因此,采用PZT材料应能满足对退极化的严格要求,特别是在准静态应力下更是如此。

图片14

(a)陶瓷与外壳松装配

(b)陶瓷与外壳过盈装配

D.放电打火后,当仍处于闭路状态时,即使很低的F3值也足以引起非线性效应,因此,他比线性压电效应期望产生的电荷更多。图4和图5绘出了压电陶瓷配方为PZT4、PZT4I、PZT2、PZT2I的电位移为机械应力的函数(在短路状态下),在这两个图中,上面的曲线为机械应力逐渐增加的情况,而下面的曲线则为PZT元件通过放点后应力不断下降(即机构复位)的情况。这些非线性效应可以使可逆的,也可以使不可逆的。只要曲线起伏一致,我们就扩围可逆效应来处理。在高应力下,曲线的欺负将不再一致,这以为这材料已部分地退极化了。所以,多多次点火的应用来说,最大应力选择在使退极化保持在适当的限度内是很重要的。

图片15

根据这些特点,对于那些根据准静态应力原理而设计的各种点火装置来说,PZT材料配方选择为“硬性”陶瓷,即在PZT基料中,添加图片16等金属氧化物。其性能特点为:

① 机械品质因数高;

② 相对介电常数e和介质损耗低;

③ 矫顽强场大;

④ 平面机电耦合系数k低;

⑤ 热稳性好,即居里点要高;

⑥ 耐久性好

根据这些要求和图4图5中可以看出,PZT4和PZT4I两种材料是最适宜的材料。另外PZT8、PLS等材料也可作为准静态点火器PZT元件。

E.由于PZT材料中的电损耗,PZT材料和加压装置两者的非弹性变形,漏电阻、寄生电容等,因此,在放电中消耗的电能并不是全部有效电能。

2.2  动态应力(冲击点火)

在所谓的冲击点火系统中,用一个装有弹簧锤的装置对PZT元件施加动态应力,当锤在弹力作用下冲击时,在锤和PZT元件内产生压微波,在PZT元件上所形成的机械应力和由此产生的电压,取决于点火装置所用元件的声学特性。

最简单的情况是面积为A

的锤和面积为Ac的PZT元件之间的自由冲击,同事假设Aa和Ac的差别不大,于是其最大的机械应力可以用下列公式非常接近似地算出

图片17     (13)

式中,U是锤的冲击速度,V是压缩波在锤中的传播速度,Y是锤所用材料的弹性模量,Zh是锤所有材料的声阻抗,Z是开路状态下PZT的声阻抗。

该公式仅粗略地表示了再实际装置中可能存在的机械应力,一般用于产品设计时的初步计算,而实际的机械能力很容易由输出电压波形推导出来。

如果PZT元件与具有击穿电压为Vb,开路峰值电压为V的放电机构接通,则火花的有效能量W为:

图片18  (14)

实际有效能的大小取决于火花保持的电压电平,因而也取决于火花阻抗。由非线性效应引起的电位移分布,在很大程度上则依赖于机械应力周期的持续时间。如果脉冲持续是件为几毫秒或更长,PZT元件受力情况具有准静态性质,电位移为非线性。但是,若脉冲持续时间接近1us,这一时间比铁电畴的弛豫时间短,因为全部非线性效应消失。此时的电位移相当于线性压电效应,即电位移正比于机械应力。对于中等宽度的脉冲,非线性效应随着脉冲宽度减小而最贱降低。这意味着若脉冲持续时间段,就可以施加更高的应力而不会出现退极化。

由于对应力引起的退极化的要求并不是那么严格,因此,具有高能量输出的PZT材料可以再动态学下使用。具体说:

  1. d33高,C高,且>10;
  2. E高。e1500
  3. Kp值高
  4. Qm值低

同准静态PZT材料相比,动态负载下使用PZT材料目前配方较多,技术上也较为成熟,然而,也存在一些问题:“软”性材料的输出电压高,火花能量高,单耐久性较差;“硬”性材料则相反,耐久性较好,但输出电压低,及时达到15kv左右,但因电容小,火花能量小,点燃率较低。根据这些情况,我们用“软”性材料和“硬”性材料混合研制的PSS材料是一种较为理想的材料,其主要指标如下:.

其他材料如PZT2,PZT2I,PZT4I,PBS,PLS也可用于冲击点火。

 

3.点火器的结构

由于压电陶瓷材料易碎,因而,当其承受高应力时,必须采取一定的防护措施。保护PZT元件最常用的办法是将其装入一个塑料壳体中,用塑料或粘合的方法使其定位。这样,在PZT内的受力面更均匀,也便于各部分之间声学匹配和良好的绝缘。有关点火器的结构见图6.

图片19

3.1 PZT元件

大多数压电点火器是有两个极性反向放置的PZT元件组成,该系统的金属端片接地,高压在中心电极处引出,两个PZT元件在机械上是串联的,而在电路上是并联的,这种设计的优点是,放电能量为一个PZT元件的两倍,有利于点火,而且绝缘问题也只限于高压端。

实际上,对于某种特殊应用,由一个PZT元件就能得到足够的能量。在这种情况下,也可设计出刚好能容纳一个PZT元件的点火器(如图6(b)),当然PZT元件的大小应根据使用的场合设计。

一个点火器的静态和动态输出,不仅取决于PZT元件材料特性,也取决于其尺寸及其受力状态。而PZT元件的有效寿命则取决于机械应力引起退极化的成都、机械强度、表面状况等。因而PZT元件的两端面必须相互平行、垂直于轴,并尽可能光滑,无任何凹凸痕迹。

3.2 中心电极

在两个PZT元件之间,插入一薄金属片以形成中心电极,也叫接电片。接电片与高压导线用粘性、焊接等方法相连,目前常用粘结的方法。所用粘合剂必须有以下介个特性:

1) 有较好的界面性质

2) 较强的粘结力

3) 有较好的绝缘性

4) 易于操作、经济。

接电片的材料常用铝、铜、镍、铁合金等板材冲压而成,经整形、防腐处理即可,要求其表面粗糙度Re值为0.2.

3.3 高压引线

高压引线将中心电极与放电针相连。根据点火器使用状态,这种引线必须满足下列要求:

  1. 必须适合于采用粘结、焊接等方法相连;
  2. 必须采用多股线,因为冲击使负载振动,从而引起金属疲劳。这种疲劳可以导致单心线在某处断裂而与点击脱离;
  3. 引线的击穿电压应为点火器在使用状态下产生的最高峰值电压的两倍;
  4. 引线应能耐高温;
  5. 引线以及放电间隙的电容都应跌越PZT元件的电容;
  6. 引线和放电间隙的时间常数大雨电压脉冲的上升时间,即引线的漏电阻必须足够高。

高压引线的电容和漏电阻,两者都取决于引线的长度和所用绝缘材料的质量。因此,引线一定要尽可能的段。适合于做高压引线的绝缘材料是氯丁橡胶、硅酮橡胶和聚四氟乙烯,这些材料可分别在高达1100度、225度和300度的温度下使用。为了避免高压引线和有锋利棱角的金属零件接触,在实际中硬将引线固定。

3.4  金属端片

如果要使PZT元件能承受较高的机械应力,那么这些里则必须在圆柱体端面均匀地分布,这样才能保证最长的试用寿命。在PZT元件的端面加一金属端片就可以实现这一点。作为金属端片的材料符合以下两个条件;

  1. 与PZT材料的声阻抗接近,这样可获得良好的声匹配;
  2. 有较好的弹性,在受力时有形变但形变不大。

一般用铜、钢作为金属端片的材料,实验证明用45#钢最为适宜。金属端片面向PZT元件的表面必须平坦和光滑,其粗糙度不得大于Re值为0.2,一般应经磨床平磨。

3.5 外壳

各种元件既可以装入预制的外壳中,也可以在元件装配好后,周围注塑成外壳。后者与前者相比有下列缺点;

  1. 注塑前必须将各种元件装配成一个整体,操作复杂;
  2. 容易引起PZT材料退极化;
  3. 由于塑料在冷脱过程中收缩,使PZT元件被夹得太紧,并且在声波通过时吸收了一部分机械能,因而降低了输出;
  4. 注塑前,PZT圆柱体必须上漆。

外壳必须满足下列要求:

  1. 其击穿电压至少应为点火装置产生的峰值电压的两倍;
  2. 应不透水
  3. 能耐一定的高温。

外壳常用的材料有:聚乙烯,聚丙烯、尼龙、ABS树脂等材料。聚乙烯适合于注塑外壳,而其它适宜于预制外壳。

3.6  内绝缘

如果PZT圆柱体表面绝缘程度不够,则沿圆柱体壁的跳火放电是不可避免的,这样就大大地降低了输出能量或根本不输出。因而,PZT元件在装配前必须充分清洗,其程序是:水——酒精——汽油。清洗后在其壁上涂上一层绝缘材料,常用的材料是规脂、硅油、漆等。

 

  1. 挤压点火器和冲击点火器

4.1 挤压点火器(静态应力)

挤压式点火器是基于准静态应力产生高压原理,其基本的机构是用一个杠杆装置将力施加到一个或两个PZT圆柱体上,图7是这种机械的示意图。

图片20

这种点火装置的一个主要特征是点火时施加机械负载的是持续时间较长,负载持续大约半秒钟,当然,这也因人而异。在持续期内,压电台词首先加载,然后复位而引起几次跳火,跳火的次数取决于放电间隙的长度。对于增加点燃率来说,几次跳火具有很大的优点,即如果一次跳火没有点着可燃气体和空气的混合物,那么,下一次跳火就可能点着。

静态点火系统的缺点是电压上升时间较长,每次跳火能量低,容易漏电及其引起能量损耗,因而点火装置的漏电阻要打,最少应为1010Ω左右,高压引线应短。挤压点火器的施力点是一条线,所以施力、受力零件的硬度要打,至少应在HRC55以上。

 

4.2 冲击点火器(动态作用)

自动点火炉具和打火机装有将动态负载加到PZT圆柱体上的点火系统,这些点火系统是通过一个带有弹簧锤的装置来施加动态负载(见图8)。最大的机构应力和由此产生的电压是冲击速度和锤的面积的函数。对于锤和端片的接触面积凸出时和平坦时相比,前者的机械应力波的上升时间和电压峰值更大些,在设计时应考虑这一点。

图片21

图9的波形图显示了设计良好的冲击点火器的电压脉冲,在点燃率及PZT圆柱体的有效寿命上,平滑的脉冲图形具有满意的结果。

图片22

冲击点火器比挤压点火器有下列优点:

  1. 由于电压脉冲时间短,整个系统的漏电阻1mΩ已足够了;
  2. 因为负载的持续时间短,PZT圆柱体就可以承受更大的负载而不会退极化;
  3. 链接点火器于气体阀,就可以精确测定打开气体阀和出现火花之间的耗费的时间。

因而冲击点火器的应用范围大大地超过了挤压点火器。

  1. 点燃率的研究

合适的点火装置结构可以讲漏电阻和寄生电容对点燃率的不利影响减到了最小的程度。因而放电间隙的较低阻抗就成了使火花不能消耗全部有效能量唯一的因素。尽管这是不可避免的结果,单供给放电间隙的能量,通常仍足以将可燃气体点着,其点燃率非常高。

火花放电是以多次快速跳火的形式表现出来。如果点火装置很小,能量低,则一次跳火的能量就可能太低,以致不能保证足够的点燃率,这是,应将这许多细跳火的能量合并为一次放电,增大能量,以增加点燃率。

解决这个问题的办法是在负载中尽可能靠近放电间隙处插入一个阻值为20~40kΩ的符合电阻器,来增加系统的时间常数。结果我们发现火花拉长,同时伏安特性的起伏被抑制,点燃率提高20%,进一步解决的办法是将一个电感联在高压引线上,单这样做不经济。

点燃率还取决于下列特征:

  1. 气体的流速
  2. 气体与空气的混合程度
  3. 气体的组份
  4. 打开气体阀和火花出现的时间差
  5. 火花的位置
  6. 点击的距离

 

这些参数与点燃率有很大的关系,所以最佳条件应根据实验确定。

6  压电点火器陶瓷机械强度的研究

从目前市场上见到的各种压电点火器和从用户反馈的信息中,我们发现失败的压电点火器绝大部分并不是耐久性达不到要求或退极化等,而是PZT圆柱体被击碎,而进口货特别是日本货,在同等条件下,三万次冲击试验,PZT圆柱体破碎很少。

日本的技术条件中,对机械强度的要求是静压试验部小于5T*CM-2。我们就本厂及其他几个厂家的陶瓷在材料试验机上作了对比试验,静压强度基本成线性关系,而对于动态点火器成非线性关系。

我们除了在零件盒装配上作了一些改进外,在提高陶瓷在冲击状态下的机械强度方面有以下几点体会:

6.1 原材料的处理

应重视原材料处理这一工序,因为原材料的颗粒度直接影响压电陶瓷的性能和强度。由于颗粒度粗,相互之间接触面减小,使固相反应速率减慢,甚至反应不完全,还有未起反应的游离氧化物,造成压电陶瓷元件的组成成份不均匀时,内部将产生应力,导致机械强度低,易于破碎,所以,对原材料的粒度、硬度和比表面应进行测定,根据测定的结果制定出每种原材料处理的工艺条件,对哪些硬度大、颗粒粗的原料,应适当增加球磨时间,如ZrO2、SnO2等。保证所有的原材料人磨粒度全部过120目筛。

6.2  烧结温度及保温时间

烧结文帝偏高,保温时间过长,造成晶体二次重结晶,形成较大晶粒,烧结后瓷体密度过高,达到7.8~7.9g*com-3这样的陶瓷很脆,耐冲击强度较差。所以在烧结时应尽可能采用下限温度。最根本的办法是提高合成后料的细度,料粉越细,反应速度越快,烧结温度越低。

6.3 成型压力

适当提高成型压力。成型后的坯件致密度越高,越容易烧结,烧结温度低,结构越均匀、致密、烧结后微观结构中气孔越少,陶瓷机械强度越高。

目前的成型工艺中,大多采用双面加压的方法,能满足成型的基本要求。但对成型的压力,大多数资料说不宜超过2.OT CM-2,,这种说法是不准确的。根剧我们大量的实验,在一定范围内,成型压力越大,压电陶瓷机械强度愈高(图10)。但成型压力过大,产品容易出现分层、裂纹,成型磨具磨损较大,故应提高磨具表面硬度和粗糙度。综合考虑,我们认为压力为3.5T.cm-2,磨具表面硬度为HRC60-62,粗糙度Ra值为0.1是较为合适的。

图片23

6.4  加压速度

极化时加压速度不宜过快,极化电压也不应太高。由于圆柱形陶瓷长度较长,在极化时,因加压太快,电压过高或其他产品击穿时电压突变,造成内应力过大而使圆柱体中部拉断,有的极化当时没有断,但放一段时间后横向断裂,断面光滑整体,这样的同批未断产品耐冲击强度差。

当然,机械强度与整个点火系统的结构。点火器的装卡等也有很大的关系,这些只能从实际使用中考验。

7 测试输出电压标准设备的研制

由于点火器的输出电压是主要的性能指标,因此,我们再研制压电陶瓷点火器的同事,就开始了测试设备的研究。

我们查询了许多有关标准,虽然没有国标。但日本、香港的公司都采用松下电气公司1965年在一个技术报告中提出的方法,用11.8g的钢球从500mm高度自由落下,冲击在点火器上,用记忆示波器记录输出电压的波形,测量出峰值电压。

我们按照上述标准和进口样机制造了一台专用设备,但效果不太理想,原因是:

① 钢球自由落到点火器上,没有采用专门的定位装置,测试结果偏差很大;

② 记忆示波器价格昂贵,用其100%测量很不经济,故不易推广、普及。

为了克服上述两个缺陷,我们与先电子科技大学共同研制设计了三点定位、自动释放钢球的落球仪,以及数字显示脉冲电压峰值测试仪,嫁给个只有原有设备的20%,而且测试精度从±1000v提高到±500v。现在已被国内同行普遍采用,准备上升为国家标准,机电部全国铁电压电陶瓷专业标准话工作组在1991年下发的“压电陶瓷点火器测试标准”中规定用该仪器。

8 结束语

以上是我们所做的部分工作攻讦,是几年来我们再压电陶瓷点火器生产、科研等方面粗浅的探讨,与国外先进水平相比,尚有一定的差距,我们愿与国内同行一起努力赶上去。

在产品的研制和论文的写作过程中,得到上海硅酸盐研究所潘国良高级工程师,西安电子科技大学裴昌幸副教授,兰州厨房设备总厂杨继林工程师及我厂苗建国副主任工程师等同志的指导和协助,在此表示感谢。

 

参考文献

  1. 任贵光编,引爆压电陶瓷元件的制造
  2. 日本NTX公司,压电台词点火器技术条件
  3. 潘国良,压电陶瓷引燃引爆方面的应用功能陶瓷论文集,1990
  4. Matsusa Eleccric(松下公司样本),Electric Compomenta,1973
  5. 日本专利,昭49–32788,50–6931,50–6933,51–7318,55–16548,55–16554,55–16462,55–28849,55–34328