Toepassing van loodsirkonaattitanaat (PZT) wat vir piëzo-elektriese aktuator gebruik word

1 Inleiding 

Slim materiale sluit waarnemingsmateriaal en bestuurmateriaal in. Perseptuele materiale is 'n klas materiale wat 'n waarnemingsfunksie het vir eksterne of interne spanning, spanning, hitte, lig, elektrisiteit, magnetisme, stralingsenergie en chemiese hoeveelhede. Hulle kan gebruik word om verskeie sensor toestelle te maak; Materiale wat reageer op omgewingstoestande of interne veranderinge en aksies uitvoer wat gebruik kan word om 'n verskeidenheid aandryftoestelle te maak. Die slimtoestel is 'n piëzo-aktuator met 'n aandryffunksie wat van slim materiaal gemaak is. Die intelligente struktuur is saamgestel uit materiale en toestelle. Dit integreer waarneming, seinverwerking, beheer en bestuur in 'n materiaalstelsel of strukturele stelsel. Dit kan die omgewing of interne parameters waarneem, inligting verwerk, opdragte uitreik, aksies uitvoer en voltooi. om die selfdiagnose, selfgenesing en aanpassingsfunksies te bereik. Die toepassing van intelligente materiaalstelsels en strukture is baie omvattend, nie net in verdediging-verdedigingswapens soos vliegtuie, oorlogskepe, ens. nie, maar ook in strategies belangrike gebiede van die nasionale ekonomie, veral in hoëtegnologie-velde. Die hoofmateriale wat tans slim materiaalstelsels en strukture voltooi, is vormgeheuemateriale, piëzo-elektriese materiale (insluitend piëso-elektriese keramiek, piëzo-elektriese polimere), elektrostriktiewe materiale, optiese vesels en elektroreologiese variante, magnetoreologiese variante, en dies meer. Die gebruik van hierdie slim materiale, gekombineer met slim en gesofistikeerde saamgestelde ontwerp en vervaardiging, wat lei tot 'n materiaalstelsel en struktuur wat gedryf, waargeneem en beheer word.

Piëso-elektriese materiale is 'n groot klas materiale in slim materiaalstelsels en strukture. N diëlektriese kristal van piëzo-elektriese keramiek-omskakelaar met 'n piëzo-elektriese effek sal gepolariseer word en 'n oppervlaklading vorm onder die werking van meganiese spanning. As so 'n diëlektriese kristal in 'n elektriese veld geplaas word, sal die werking van die elektriese veld 'n relatiewe verplasing van die positiewe en negatiewe ladingsentrums binne die diëlektrikum veroorsaak om vervorming te veroorsaak. . Aangesien die piëzo-elektriese materiaal bogenoemde eienskappe het, kan die eenvormigheid van die waarnemende piëzo-element en die aksie-element bereik word. Piëso-elektriese materiale kan wyd gebruik word in slim materiale en strukture, veral vir selfdiagnose van materiële skade, selfaanpassing, vibrasievermindering en geraasbeheer. Die tipes piëzo-elektriese materiale wat ontwikkel is, insluitend enkelkristal, polikristallyne, mikrokristallyne glas, organiese polimere en saamgestelde materiale. Sedert die 1980's, met die einde van die klimaks van piëso-elektriese keramiekmateriale vanaf die ontwikkeling van binêre stelsels tot drieledige en multi-komponent stelsels, was die navorsing oor piëso-elektriese materiale stadig. Met die vinnige ontwikkeling van wetenskap en tegnologie, het die ontwikkeling en eksplorasie onder die aanvraag van toepassing nuwe stukrag gegee aan die navorsing van piëzo-elektriese materiale. Saam met die onophoudelike pogings van wetenskap- en tegnologiewerkers in basiese navorsing en produksieprosesverbetering, was die nuwe tipe druk die afgelope dekade. Die voortdurende opkoms van elektriese materiale het die navorsing van piëso-elektriese materiale gemaak.

2 Oorsig van piëzo-elektriese materiale

In die piëzo-elektriese keramiekkristal , die asimmetrie van die rangskikking van die positiewe en negatiewe ione en die nie-toeval van die swaartepunt van die positiewe en negatiewe ladings van die eenheid vorm 'n elektriese dipoolmoment. Hierdie elektriese dipoolmomente word in 'n sekere rigting in lyn gebring om 'n domeinstruktuur te word, en die domeine is wanordelik op die kristal. die polarisasie-effekte kanselleer mekaar, die polarisasie in die materiaal is nul, en die polarisasierigting van die domein gepolariseer deur die GS elektriese veld is geneig om in dieselfde rigting te wees. Wanneer 'n eksterne krag op die piëso-elektriese materiaal inwerk om vervorming te veroorsaak, is die materiaal positief en negatief gebind. Die toonhoogte van die lading word kleiner, en die polarisasie-intensiteit word ook kleiner. Die vrye lading wat oorspronklik op die elektrode geadsorbeer is, word gedeeltelik vrygestel, en die ontladingsverskynsel vind plaas, wat die positiewe piëso-elektriese effek genoem word; 'n sekere intensiteit elektriese veld word toegepas op die twee pole van die piëso-elektriese materiaal, en die on-chip is die positiewe en negatiewe lading spasiëring word groter, die polarisasie intensiteit word ook groter, en 'n paar vrye ladings word geadsorbeer op die elektrodes om laai verskynsel te veroorsaak. Die elektriese lading beweeg in die stroombaan om meganiese energie ekstern uit te voer, wat op die inverse piëso-elektriese effek genoem word.

2.3 Voorbereidingsmetode van piëso-elektriese materiaal

Vir verskillende piëzo-elektriese materiale word 'n geskikte voorbereidingsmetode gekies volgens die toepassing, eienskappe daarvan. Die voorbereidingsmetode word verdeel in 'n vastefasemetode, 'n vloeistoffasemetode en 'n gasfasemetode volgens die fase van die fase wat tydens voorbereiding plaasvind.

2.3.1 Vastefase-metode

Wanneer PZT piezo berei word deur die tradisionele vastefase metode, sal die sintertemperatuur hoër as 1200 °C die vervlugtiging van PbO veroorsaak. Dit is moeilik om die stoïgiometriese verhouding te beheer, wat die mikrostruktuur en elektriese eienskappe van die materiaal moeilik maak om te beheer. Dit is geskik vir grondstowwe, eenvoudige proses en piëzo-elektriese materiale. Waar prestasievereistes nie hoog is nie.

2.3.2 Vloeistoffase-metode

Die voorbereiding van piëzo-elektriese materiale deur vloeibare fase metode is tans die mees algemeen gebruikte metode, insluitend medepresipitasie metode, hidrotermiese sintese metode, sol-gel metode, alkoksied hidrolise metode en dies meer. Die mede-presipitasiemetode stel lae-temperatuur sintering in staat om 'n piëso-elektriese materiaal te verkry met 'n hoër digtheid as die teoretiese digtheid. Die saampresipitasiemetode het 'n 700 grade temperatuur geprogrammeerde roostermetode gebruik om BaT iO3-poeier met 'n deeltjiegrootte van 60nm voor te berei. Die navorsers in die Verenigde State het 'n medepresipitasiemetode gekombineer met 'n vriesdroogproses gebruik om nanogrootte PZ T-poeier teen 800 grade te sintetiseer. Sintering het 'n materiaal met 'n teoretiese digtheid van 98% gegee. In die studie is N b2 O 5 en T a 2 O5 as voorloperreaktante gebruik, en KT aN b O3 keramiekpoeiers is deur hidrotermiese metode en oplosmiddeltermiese metode berei. Die gesinterde piëso-elektriese keramiek is bestudeer. Die koppelingskoëffisiënt bereik 0,5, en die piëzo-elektriese koëffisiënt d 33 is tussen 150 ~ 450p C / N. Die hidrotermiese metode vereis egter hoër temperatuur en druk, en die toerustinginvestering is groot, wat die toepassing van die metode beperk. Die sol-gel metode is die mees gebruikte metode in die vloeibare fase metode. Hoëprestasiefilms kan voorberei word deur sol-gel gekombineer met verskeie giet- en sinterprosesse.

2.3. 3 gasfase metode

Die gasfasemetode is geskik vir die voorbereiding van nanoskaal piëso-elektriese films, hoofsaaklik fisiese dampneerslag en chemiese dampneerlegging. Onder hulle is die sputtermetode die mees gebruikte metode. AP t / T i onderste elektrode is op die Si 2 / Si substraat neergesit deur 'n teiken sputter metode, en 'n PZT film met 'n dikte van ongeveer 800 mm is voorberei deur radiofrekwensie (RF) sputtering. Chemiese dampneerslag kan die chemiese samestelling van die reaksieproduk presies beheer, en dit is gerieflik om te doteer, maar dit is moeilik om 'n geskikte gasbronmateriaal te verkry, wat nie geskik is vir laekoste, grootvolume voorbereiding van 'n film nie, en feitlik minder gebruik word.