تكوين مادة السيراميك كهرضغطية

نطاقات التطبيقات المختلفة لها متطلبات أداء مختلفة المواد الخزفية الكهرضغطية . 1 مادة سيراميك بيروفسكايت كهرضغطية، الصيغة الكيميائية هي ABO3، A هو أيون موجب بنصف قطر كبير، والذي يمكن أن يكون +1، +2، +3؛ B هو أيون موجب ذو نصف قطر صغير، والذي يمكن أن يكون +3، +4، +5، +6. يمكن أن يحقق نصف القطر الأيوني للأيونات الثلاثة A وB وO العلاقة التالية لتشكيل بنية ABO3: RA+RO=t√2 (RB+RO، t هو عامل التسامح، ويمكن بشكل عام تكوين الكالسيوم بين 0.86 و1.03. هيكل خام التيتانيوم الصيغة النموذجية: (1) 0.99 [PbTiO3 + 0.04 La2 / 3TiO3] + 0.01 MnO2، درجة حرارة التكليس 850 درجة مئوية، الحفاظ على الحرارة لمدة ساعتين، درجة حرارة الحرق 1240 درجة مئوية، الحفاظ على الحرارة لمدة ساعة واحدة ε = 240، Kp=0.096، Qm=1050، Nt=2120 (2) فلتر خزفي عالي التردد (30M-100MC) PbTiO3+1wt%MnO2+1wt%Pb3O4ε=150، Kp=0.40، Qm=800~1000، درجة الحرارة والوقت استقرار جيد 3PbTiO3+3.0wt%CeO2++0.3MnO2+2.53wt%Nb2O5,ε=230,Qm=1000.

(1) مع تغير Zr:Ti، تتغير نقطة كوري بشكل خطي تقريبًا من 235 درجة مئوية إلى 490 درجة مئوية، وخط Tc عبارة عن مرحلة شبه كهروضوئية مكعبة بدون تأثير كهرضغطية.

(2) Zr: توجد حدود طور شبه متجانسة بالقرب من Ti=53:47، والجانب الغني بالتيتانيوم هو الطور الكهروضوئي الرباعي FT؛ الجانب الغني بالزركونيوم هو المرحلة الكهروضوئية الثلاثية ذات درجة الحرارة العالية FR، ودرجة حرارة ترتفع محولات الطاقة الخزفية الكهرضغطية ، وتكون حدود الطور هذه غنية بالزركونيوم. ويميل الجانب ويتقاطع مع خط Tc عند 360 درجة مئوية (مما يشير إلى أن درجة حرارة كوري Tc مرتفعة بالقرب من حدود الطور)، ويتم تغيير معلمات خلية الوحدة فجأة بالقرب من حدود الطور. هناك تأثير كهرضغطية قوي بالقرب من حدود الطور بين المرحلة الكهروضوئية الرباعية FT والمرحلة الكهروضوئية الثلاثية FR. Kp, ε لها قيمة قصوى وQm لها قيمة صغيرة جدًا. تعد الخواص الكهرضغطية لخزف PZT بالقرب من حدود الطور أعلى بكثير من خواص خزف BaTiO3. نظرًا لأن Tc للخزف PZT عند الحدود مرتفع (360 درجة مئوية)، فإن كلا من KP وε مستقران في حدود 200 درجة مئوية، وهي مادة كهرضغطية مثالية. تعديل المنشطات للخزف PZT محول سيراميك بيزو إلكتروني . من أجل تلبية الأغراض المختلفة، نحتاج إلى سيراميك PZT الكهرضغطي ذو خصائص مختلفة. لهذا السبب، يمكننا إضافة أيونات مختلفة لتحل محل أيون Pb2+ في الموقع A أو أيون Zr4+، Ti4+ في الموقع B. وبالتالي تحسين أداء المواد.

استبدال آخر تعديل استبدال صعب تعديل استبدال ناعم تعديل استبدال متغاير التكافؤ استبدال مكافئ مخدر تعديل PZT (1) استبدال مكافئ استبدال مكافئ يعني أن نصف قطر Ca2+، Sr2+، Mg2+ أصغر من نصف قطر أيون Pb2+ يؤدي استبدال الأيونات لأيونات Pb2+ إلى زيادة في ثابت العزل الكهربائي ε لـ PZT قرص السيراميك الانضغاطي ، زيادة في معامل الاقتران الكهروميكانيكي KP، وزيادة في ثابت الكهرضغطية d، وبالتالي تحسين الخواص الكهرضغطية لسيراميك PZT. المصطلح 'تعديل الاستبدال الناعم' يعني أن إضافة هذه الإضافات يمكن أن تقلل من شدة المجال القسري EC بمقدار ↓، ويكون الاستقطاب سهلًا، بحيث تصبح خصائص المادة 'ناعمة' تحت تأثير المجال الكهربائي أو الضغط.

(أ) La3+، Bi3+، Sb3+، وما إلى ذلك يحل محل أيون الموقع A-Pb+2 (المنشطات المانحة)؛ Nb5+، Ta5+، Sb5+، W6+، إلخ. استبدال أيونات الموضع B Zr4+، Ti4+ (تنشيط المتبرع). خصائص الخزف PZT المعدلة عن طريق الاستبدال الناعم لها التغييرات التالية: تقل شدة المجال القسري EC ↓، وينخفض ​​عامل الجودة الميكانيكية Qm ↓؛ يزداد ثابت العزل الكهربائي ε ↑، ويزيد فقدان العزل الكهربائي tan δ ↑، ومعامل الاقتران الكهروميكانيكي KP عند زيادة ↑، تزداد مقاومة الشيخوخة وتزداد مقاومة العزل ρ ↑. والسبب في ذلك هو أن إضافتها تؤدي إلى تكوين نقص Pb2+. على سبيل المثال، إذا استبدلت كل اثنين من La3+s بـ 3 Pb2+، فمن أجل الحفاظ على توازن سعر الكهرباء، يتم تقليل عدد الكاتيونات في الموضع A في بنية البيروفسكايت، ويتم إنشاء شاغر. نظرًا لغياب Pb2+، أصبحت حركة المجال سهلة، وحتى قوة المجال الكهربائي الصغيرة أو الضغط الميكانيكي يمكن أن يتسبب في تحرك جدران المجال. 

ونتيجة لذلك، زيادة في ثابت العزل الكهربائي ومعامل الامتثال المرن تحدث محولات الطاقة الخزفية الخزفية Pzt ، وفي الوقت نفسه، يزداد فقدان العزل الكهربائي والفقد الميكانيكي، وتنخفض Qm. علاوة على ذلك، بما أن توجيه المجالات سهل، فإن عدد المجالات الموجهة في اتجاه المجال الكهربائي يزداد، وبالتالي زيادة الاستقطاب، بحيث يزداد التأثير الكهرضغطي بشكل كبير، والذي يتمثل بزيادة في قيمة Kp. وبما أن مقاومة التوجيه للمجال تصبح صغيرة، فإن المجال القسري لعكس الاستقطاب للتغلب على المقاومة يكون صغيراً، ويكون خط العودة مستطيلاً تقريباً. علاوة على ذلك، ونظرًا لغياب Pb2+، يتم تخزين الضغط الداخلي الناتج عن التوجيه المكون من 90 مجالًا، بحيث يصبح الضغط المتبقي صغيرًا. بمعنى آخر، نظرًا لسهولة نقل جدران المجال، يتم تحرير الضغط الداخلي للمجالات بسهولة، وبالتالي فإن أداء التقادم جيد. تُستخدم الإضافات 'الناعمة' بشكل شائع في تعديل الإضافات.

(ب) على سبيل المثال، غالبًا ما يتم تطعيم مادة محول الطاقة الصوتية تحت الماء من النوع المقبول بـ La2O3 وNb2O5 من أجل زيادة قيمة Kp وثابت العزل الكهربائي. Pb0.95Sr0.05(Zr0.52Ti0.48)O3+0.9%La2O3+0.9%Nb2O5, Kp=0.60, ε=2100, Qm=80, ثبات جيد, مقاومة الحجم 1012 أوم 'ناعمة' مضافة الكمية بشكل عام لا تتجاوز 5%. ب تعديل الاستبدال الصلب، ما يسمى بـ 'تعديل الاستبدال الصعب' يعني أن إضافة هذه الإضافات يمكن أن تزيد من قوة المجال القسري EC، ويصبح الاستقطاب صعبًا، وبالتالي تصبح خصائص المادة 'صعبة' تحت تأثير المجال الكهربائي أو الضغط.

(أ) K+، Na+، وما إلى ذلك، مع استبدال أيونات الموقع A-Pb2+ (المنشطات المتقبلة)؛

(ب) أيونات Zr4+ وTi4+ (مطعمة متقبلة) مستبدلة بـ B عند Fe2+، Co2+، Mn2+ (أو Fe3+، Co3+، Mn3+)، Ni2+، Mg2+، Al3+، Cr3+، وما شابه.

تحتوي خصائص خزف PZT المعدل عن طريق الاستبدال الصلب على التغييرات التالية: زيادة قوة المجال القسري EC ↑، وزيادة عامل الجودة الميكانيكية Qm ↑؛ ثابت العزل الكهربائي ε يتناقص ، فقدان العزل الكهربائي tan δ يتناقص ↓ ، معامل الاقتران الكهروميكانيكي KP يتناقص صغير ↓ ، يتم تقليل مقاومة الشيخوخة ، ويتم تقليل مقاومة العزل ρ.

السيراميك البيروفسكايت الثلاثي الكهرضغطي

من خلال تغيير نسبة Zr/Ti ودمج كمية صغيرة من المواد المضافة، على الرغم من أنه يمكن تحسين بعض الخصائص، نظرًا للنطاق الأوسع والأوسع للمواد الكهرضغطية، فإن متطلبات المواد تزداد أعلى وأعلى، ولا يمكن للأنظمة الثنائية فقط تلبية متطلبات الاستخدام. لذلك هناك نظام ثلاثي. تشير ما يسمى مادة السيراميك البيروفسكايت الثلاثية الكهرضغطية إلى محلول صلب يتكون من مركب البيروفسكايت المركب وتيتانات زركونات الرصاص.