تطبيق تيتانات زركونات الرصاص (PZT) المستخدمة في المحرك الكهرضغطي

1 مقدمة 

تشمل المواد الذكية مواد الاستشعار ومواد القيادة. المواد الإدراكية هي فئة من المواد التي لها وظيفة استشعار للإجهاد الخارجي أو الداخلي، والإجهاد، والحرارة، والضوء، والكهرباء، والمغناطيسية، والطاقة الإشعاعية، والكميات الكيميائية. ويمكن استخدامها لصنع أجهزة استشعار مختلفة؛ المواد التي تستجيب للظروف البيئية أو التغيرات الداخلية وتنفذ الإجراءات التي يمكن استخدامها لصنع مجموعة متنوعة من أجهزة القيادة. الجهاز الذكي عبارة عن مشغل بيزو مع وظيفة محرك استشعار مصنوع من مواد ذكية. يتكون الهيكل الذكي من المواد والأجهزة. إنه يدمج الاستشعار ومعالجة الإشارات والتحكم والقيادة في نظام المواد أو النظام الهيكلي. يمكنه استشعار البيئة أو المعلمات الداخلية ومعالجة المعلومات وإصدار الأوامر وتنفيذ الإجراءات وإكمالها. لتحقيق التشخيص الذاتي، والشفاء الذاتي ووظائف التكيف. إن تطبيق أنظمة وهياكل المواد الذكية واسع النطاق للغاية، ليس فقط في الأسلحة الدفاعية مثل الطائرات والسفن الحربية وما إلى ذلك، ولكن أيضًا في المجالات ذات الأهمية الاستراتيجية للاقتصاد الوطني، وخاصة في مجالات التكنولوجيا المتقدمة. المواد الرئيسية التي تكمل حاليًا أنظمة وهياكل المواد الذكية هي مواد ذاكرة الشكل، والمواد الكهرضغطية (بما في ذلك السيراميك الكهروضغطي، والبوليمرات الكهرضغطية)، والمواد الكهربائية، والألياف الضوئية والمتغيرات الكهربية، والمتغيرات المغناطيسية، وما شابه ذلك. إن استخدام هذه المواد الذكية، جنبًا إلى جنب مع التصميم والتصنيع المركب الذكي والمتطور، يؤدي إلى نظام وبنية مادية يتم توجيهها واستشعارها والتحكم فيها.

المواد الكهرضغطية هي فئة رئيسية من المواد في أنظمة وهياكل المواد الذكية. بلورة عازلة من سيتم استقطاب محول الطاقة الخزفي الكهرضغطي ذو التأثير الكهرضغطي ويشكل شحنة سطحية تحت تأثير الضغط الميكانيكي. إذا تم وضع مثل هذه البلورة العازلة في مجال كهربائي، فإن عمل المجال الكهربائي سوف يسبب إزاحة نسبية لمراكز الشحنة الإيجابية والسلبية داخل العازل الكهربائي مما يسبب تشوه. . نظرًا لأن المادة الكهرضغطية تتمتع بالخصائص المذكورة أعلاه، يمكن تحقيق توحيد عنصر الاستشعار الانضغاطي وعنصر الحركة. يمكن استخدام المواد الكهرضغطية على نطاق واسع في المواد والهياكل الذكية، خاصة في التشخيص الذاتي لأضرار المواد، والتكيف الذاتي، وتقليل الاهتزاز، والتحكم في الضوضاء. تم تطوير أنواع المواد الكهرضغطية بما في ذلك الكريستالات الأحادية، والزجاج متعدد البلورات، والزجاج البلوري الدقيق، والبوليمرات العضوية، والمواد المركبة. منذ الثمانينات، مع نهاية ذروة المواد الخزفية الكهرضغطية من تطوير الأنظمة الثنائية إلى الأنظمة الثلاثية ومتعددة المكونات، كان البحث في المواد الكهرضغطية بطيئًا. مع التطور السريع للعلوم والتكنولوجيا، أعطى التطوير والاستكشاف في ظل الطلب على التطبيق زخما جديدا للبحث في المواد الكهرضغطية. جنبا إلى جنب مع الجهود الحثيثة التي يبذلها العاملون في مجال العلوم والتكنولوجيا في مجال البحوث الأساسية وتحسين عملية الإنتاج، ظهر النوع الجديد من الضغط في العقد الماضي. إن الظهور المستمر للمواد الكهربائية جعل البحث عن المواد الكهرضغطية.

2 نظرة عامة على المواد الكهرضغطية

في كريستال السيراميك الكهرضغطي ، عدم تناسق ترتيب الأيونات الموجبة والسالبة وعدم تطابق مركز ثقل الشحنات الموجبة والسالبة للوحدة يشكل عزم ثنائي القطب الكهربائي. يتم محاذاة هذه العزوم ثنائية القطب الكهربائية في اتجاه معين لتصبح بنية المجال، ويتم ترتيب المجالات على البلورة. تلغي تأثيرات الاستقطاب بعضها البعض، ويكون الاستقطاب في المادة صفراً، ويميل اتجاه استقطاب المجال المستقطب بالمجال الكهربائي المستمر إلى أن يكون في نفس الاتجاه. عندما تؤثر قوة خارجية على المادة الكهرضغطية لتسبب تشوهًا، ترتبط المادة إيجابيًا وسلبًا. تصبح طبقة الشحنة أصغر، كما تصبح شدة الاستقطاب أقل أيضًا. يتم إطلاق الشحنة الحرة الممتزة في الأصل على القطب جزئيًا، وتحدث ظاهرة التفريغ، والتي تسمى التأثير الكهرضغطي الإيجابي؛ يتم تطبيق مجال كهربائي بكثافة معينة على قطبي المادة الكهرضغطية، ويصبح تباعد الشحنات الموجبة والسالبة على الرقاقة أكبر، كما تصبح شدة الاستقطاب أكبر، ويتم امتصاص بعض الشحنات الحرة على الأقطاب الكهربائية لتسبب ظاهرة الشحن. تتحرك الشحنة الكهربائية في الدائرة لإخراج طاقة ميكانيكية إلى الخارج، وهو ما يسمى بالتأثير الكهرضغطي العكسي.

2.3 طريقة تحضير المواد الكهرضغطية

بالنسبة للمواد الكهرضغطية المختلفة، يتم اختيار طريقة تحضير مناسبة وفقًا لتطبيقها وخصائصها. تنقسم طريقة التحضير إلى طريقة الطور الصلب وطريقة الطور السائل وطريقة الطور الغازي حسب طور الطور الذي يحدث أثناء التحضير.

2.3.1 طريقة الطور الصلب

عندما يتم تحضير بيزو PZT بطريقة الطور الصلب التقليدية، فإن درجة حرارة التلبيد الأعلى من 1200 درجة مئوية ستتسبب في تطاير PbO. ومن الصعب التحكم في النسبة المتكافئة، مما يجعل من الصعب التحكم في البنية المجهرية والخواص الكهربائية للمادة. إنها مناسبة للمواد الخام والعملية البسيطة والمواد الكهرضغطية. حيث متطلبات الأداء ليست عالية.

2.3.2 طريقة الطور السائل

إن تحضير المواد الكهرضغطية بطريقة الطور السائل هو حاليًا الطريقة الأكثر استخدامًا، بما في ذلك طريقة الترسيب المشترك، وطريقة التخليق الحراري المائي، وطريقة سول-جل، وطريقة التحلل المائي للألكوكسيد وما شابه. تتيح طريقة الترسيب المشترك التلبيد في درجات حرارة منخفضة للحصول على مادة كهرضغطية ذات كثافة أعلى من الكثافة النظرية. استخدمت طريقة الترسيب المشترك طريقة تحميص مبرمجة بدرجة حرارة 700 درجة لتحضير مسحوق BaT iO3 بحجم جسيم يبلغ 60 ن م. استخدم الباحثون في الولايات المتحدة طريقة الترسيب المشترك مع عملية التجفيف بالتجميد لتصنيع مسحوق PZ T بحجم النانو عند درجة حرارة 800 درجة. أعطى التلبيد مادة ذات كثافة نظرية تبلغ 98٪. في الدراسة، تم استخدام N b2 O 5 و T a 2 O5 كمواد متفاعلة أولية، وتم تحضير مساحيق السيراميك KT aN b O3 بالطريقة الحرارية المائية وطريقة المذيبات الحرارية. تمت دراسة السيراميك الكهرضغطي الملبد. يصل معامل الاقتران إلى 0.5، ويتراوح معامل الكهرضغطية d 33 بين 150 ~ 450p C / N. ومع ذلك، تتطلب الطريقة الحرارية المائية درجة حرارة وضغطًا أعلى، كما أن استثمار المعدات كبير، مما يحد من تطبيق الطريقة. طريقة sol-gel هي الطريقة الأكثر استخدامًا في طريقة الطور السائل. يمكن تحضير أفلام عالية الأداء بواسطة sol-gel مع عمليات القولبة والتلبيد المختلفة.

2.3. 3 طريقة المرحلة الغازية

تعتبر طريقة الطور الغازي مناسبة لتحضير الأفلام الكهرضغطية النانوية، وخاصة ترسيب البخار الفيزيائي وترسيب البخار الكيميائي. من بينها، طريقة الاخرق هي الطريقة الأكثر استخداما. تم ترسيب القطب الكهربائي السفلي AP t / T i على الركيزة Si 2 / S i بواسطة طريقة الرش المستهدف، وتم تحضير فيلم PZT يبلغ سمكه حوالي 800 مم بواسطة رش التردد الراديوي (RF). يمكن لترسيب البخار الكيميائي التحكم بدقة في التركيب الكيميائي لمنتج التفاعل، وهو مناسب للمخدر، ولكن من الصعب الحصول على مادة مناسبة لمصدر الغاز، وهي غير مناسبة لإعداد فيلم منخفض التكلفة وكبير الحجم، ويتم استخدامها عمليًا بشكل أقل.