وصف محول المواد الخزفية الخزفية

المشاهدات: 9 المؤلف: محرر الموقع وقت النشر: 2019-01-08 الأصل: موقع

استفسر

فيما يتعلق بمواد تشغيل السيراميك الكهرضغطية، يعرض السيراميك الكهروضغطي متطلبات عالية على خصائص مواد السيراميك الكهروضغطية مثل ثابت الإجهاد الكهربائي عالي الجهد ونقطة كوري العالية ومعامل الاقتران الكهروميكانيكي العالي وثابت التردد العالي. السيراميك الكهروضغطي الأكثر استخدامًا على نطاق واسع هو PZT (تيتانات زركونات الرصاص) استنادًا إلى محول طاقة سيراميك كهرضغطية من مادة Pzt بسبب تأثيره الكهرضغطي الملحوظ، فهو يتميز بدرجة حرارة عالية، ومقاومة قوية للإشعاع، وسهل التكامل مع تكنولوجيا تكامل أشباه الموصلات. ولكنها ضارة بجسم الإنسان والبيئة. ولذلك، بدأ الناس في البحث عن مواد السيراميك الكهرضغطية الخالية من الرصاص ذات الأداء الممتاز.

تشتمل المواد الخزفية الكهرضغطية الخالية من الرصاص الأكثر بحثًا في الداخل والخارج بشكل أساسي على الأنظمة التالية: السيراميك الكهروضغطي الخالي من الرصاص المعتمد على تيتانات الباريوم؛ والسيراميك الكهرضغطي الخالي من الرصاص والمعتمد على تيتانات الباريوم؛ السيراميك الكهروضغطي الخالي من الرصاص القائم على التنتالوم والسيراميك الكهرضغطي الخالي من الرصاص ذو هيكل التنتالوم.

سيراميك كهروضغطي خالٍ من الرصاص ومعتمد على تيتانات الباريوم

بحث وتطبيق تيتانات الباريوم (BaTiO3) على أساس خالي من الرصاص محولات الطاقة الخزفية الانضغاطية ناضجة تمامًا. لقد كانت ومع ذلك، فإن درجة حرارة كوري لسيراميك BaTiO3 منخفضة (Tc=120)، ونطاق درجة حرارة التشغيل ضيق، وأداء السيراميك الكهرضغطي معتدل. من الصعب تحسين الخواص الكهرضغطية بشكل كبير عن طريق تعديل المنشطات، وهناك مرحلة انتقالية بالقرب من درجة الحرارة. ولذلك، فإن تطبيقه على السيراميك الكهرضغطي محدود. يعتبر تيتانات الباريوم السيراميكية الكهرضغطية الخالية من الرصاص والمعتمدة على تيتانات الباريوم السترونتيوم و Bi0.5Na0.5TiO3 (BNT) ممثلًا نموذجيًا لسلسلة تيتانات. تتميز BNT بخصائص الكهرباء الحديدية المريحة، والتي تتميز باستقطاب كبير نسبيًا ومجال قسري عالي للغاية (7.5 كيلو فولت / مم)، ولها معامل كهرضغطية كبير (kt، kp حوالي 50٪)، وأداء ممتاز للعازل الكهربائي مثل المعامل الصغير (240 ~ 340) والأداء الصوتي الجيد (تردده الثابت NP = 3200 هرتز). نظرًا للمجال الكهربائي القسري العالي والتوصيل الكهربائي العالي في منطقة الطور الكهروضوئي، يكون الاستقطاب صعبًا، مما يجعل من الصعب إنتاج سيراميك كهروضغطي عملي. من أجل التغلب على أوجه القصور في استقطاب السيراميك الانضغاطي BNT وصعوبة التلبيد في عينات كثيفة، يتم إضافة مجموعة متنوعة من أزواج هيكل البيروفسكايت المنشط. يتم تعديل BNT. من خلال إدخال عناصر مثل Pb، Ba، Ca، Sr، Mn، وما إلى ذلك، تكون قوة المجال القسري لـ BNT عالية جدًا، ويتم تجنب صعوبة الاستقطاب الناجمة عن الموصلية العالية للطور الكهروضوئي BNT، ويتم حل استقطاب مادة BNT بنجاح.

السيراميك الكهرضغطي الخالي من الرصاص المعتمد على البزموت:

يشتمل السيراميك الكهروضغطي الخالي من الرصاص القائم على البزموت بشكل أساسي على NaNbO3، KNbO3، LiNbO3 وما شابه. ال تتميز محولات الطاقة الخزفية لنصف الكرة الانضغاطية بمزايا الكثافة المنخفضة، والسرعة الصوتية العالية، وعامل الجودة الميكانيكية الكبير Qm، ومعامل الاقتران الكهروميكانيكي الكبير kp، وثابت العزل الكهربائي المنخفض، والأداء الكهرضغطي العالي، وثابت التردد الكبير، وما إلى ذلك، وبالتالي فإن السيراميك الكهرضغطي القائم على التانتاليت هو جهاز تردد والمواد المفضلة. ومع ذلك، نظرًا لتطاير المادة المعدنية، فمن الصعب الحصول على سيراميك بيزو يتمتع بتماسك جيد من خلال عملية سيراميك تقليدية، مما يؤدي إلى تدهور خصائص السيراميك. يمكن الحصول على سيراميك NaNbO3-KNbO3 الكثيف عن طريق الضغط الساخن أو عملية الضغط المتوازن، ويتم تحسين استقرار درجة حرارة المادة بشكل كبير، ويمكن أن تصل الكثافة النسبية إلى 99%.

هيكل متعدد الطبقات من السيراميك الكهرضغطي الخالي من الرصاص:

تتميز الكريستال الحلقي الخزفي الكهرضغطي بثبات عازل منخفض (127 ~ 154)، واستقطاب تلقائي قوي، ودرجة حرارة كوري عالية (Tc> 500)، وعامل جودة ميكانيكية عالي Qm (2000 ~ 7200)، ومقاومة عالية ومعدل تقادم. خصائص منخفضة، سهلة التلبيد، كهرضغطية وعازلة مع تباين عالي واستقرار جيد لدرجة الحرارة. تحدد هذه الخصائص أن هذا النوع من السيراميك مناسب بشكل خاص لتطبيقات درجات الحرارة العالية والترددات العالية، وبالتالي حل عيب PZT غير المستقر (تيتانات زركونات الرصاص) المعتمد على السيراميك الكهرضغطي تحت رنين عالي الطاقة. ومع ذلك، فإن هذه المادة لديها نشاط كهرضغطية منخفض وقوة مجال استقطاب عالية. من أجل تحسين النشاط الكهرضغطي لبنية طبقة البزموت، يتم استخدام طريقتين بشكل عام، وهما تعديل المنشطات وتحسين العملية. تظهر الأبحاث أن دمج Nb5+ أو V5+ في Bi4Ti3O12 يمكن أن يزيد من مقاومة المادة من 1010~1011 سم إلى 1013~1014 سم، وتتجاوز درجة حرارة الكوري 650. تحدد هذه الخصائص أن سيراميك التنتالوم الانضغاطي مناسب لأجهزة استشعار درجات الحرارة العالية، والمذبذبات، والمحركات. باختصار، من أداء نظام المواد الخزفية الكهرضغطية الخالي من الرصاص، فإن السيراميك الكهرضغطي الخالي من الرصاص من سيليكات البزموت وهيكل طبقة البزموت يتمتع بإمكانات تطوير كبيرة، وأداء كهرضغطية ممتاز، والذي يمكن أن يرضي الكهرضغطية. من المتوقع أن تحل متطلبات شاشات السيراميك الانضغاطية محل السيراميك الكهرضغطي القائم على الرصاص وتصبح اختيار السيراميك الكهرضغطي.

في التطبيقات العملية، بعض الخصائص المتأصلة لمحول الطاقة الخزفي الأسطواني الخزفي (مثل التباطؤ، والزحف، وما إلى ذلك) لها تأثير كبير على التحكم في الإزاحة عالي الدقة. من أجل تقليل تأثير تباطؤ السيراميك الكهرضغطي على ناتج الإزاحة، اقترح الباحثون الأجانب العديد من طرق التعويض. في الوقت الحاضر، طريقة القضاء على التباطؤ هي بشكل عام التحكم في الحلقة المغلقة في عملية التحكم. يتطلب هذا الوضع مستشعر إزاحة إضافيًا لقياس الإزاحة ومقارنتها مع الإزاحة المستهدفة لوحدة التحكم لتشكيل آلية ضبط تحكم معقدة.

تحت تأثير المجال الكهربائي المتناوب، ستظهر محولات الطاقة الكهروإجهادية المستقطبة بالموجات فوق الصوتية تدهورًا كهروضوئيًا عيانيًا بسبب انخفاض نشاط جدار المجال الكهروضوئي. غالبًا ما تحدث الشقوق الصغيرة أو التصفيح أو الكسر بسبب التعب الناتج عن المواد والميدان. يرجع السبب الجوهري بشكل أساسي إلى الاختلاف في الواجهة مع الخصائص. يختلف معامل التمدد الحراري عند السطح البيني بين السيراميك الكهرضغطي والقطب الكهربائي أو يكون هناك تفاعل كيميائي، مما يؤثر سلبًا على أداء الكلال للسيراميك الكهرضغطي. تم تحسين قوة ربط الواجهة بشكل كبير من خلال دمج مسحوق القطب الكهربائي في مادة السيراميك أو دمج مسحوق السيراميك والقطب الكهربائي الأصلي. يعد المجال الكهربائي ودرجة الحرارة من العوامل الخارجية الرئيسية التي تؤثر على أداء التعب. وبدراسة عاملين يمكن التوصل إلى أن المجال أقوى من شدة المجال القسري أو أن التردد مرتفع مما يسبب التعب الكهربائي. وبالإضافة إلى ذلك، في نطاق درجة حرارة معينة، تزداد مقاومة التعب مع زيادة درجة الحرارة. عندما تتجاوز درجة الحرارة قيمة حرجة معينة، تدخل المادة إلى المرحلة المغناطيسية وتختفي ظاهرة التعب.

ومن المتوقع أن تتغلب شاشات السيراميك الكهرضغطية على أوجه القصور في شاشات العرض السائدة الحالية والتي تكون عرضة للتداخل الكهرومغناطيسي، والبقع الميتة، والحفر، وما إلى ذلك، ولها آفاق واسعة في السوق. يمكن تصنيع مجموعة المشغلات الخاصة بشاشات السيراميك الكهرضغطية من خلال عملية قالب السيليكون أو عملية الترسيب الكهربي، ويمكن استبدال السيراميك الكهرضغطي القائم على الرصاص بسيراميك كهرضغطية خالي من الرصاص بهيكل قائم على التنتالوم. على الرغم من بعض التقدم في تطوير شاشات السيراميك الكهرضغطية، لا يزال هناك عدد من القضايا الرئيسية المتعلقة بتكنولوجيا العمليات التي تحتاج إلى معالجة:

(1) على الرغم من أن أداء بعض السيراميك الكهروضغطي الخالي من الرصاص ممتاز، إلا أنه لا تزال هناك فجوة كبيرة مقارنة بالسيراميك الكهرضغطي القائم على PZT، وينبغي تحسين الخصائص الكهرضغطية بشكل أكبر عن طريق قياس التعديل وتحسين العملية؛

(2) من أجل جعل دقة تعويض التباطؤ والزحف لمحول طاقة الضغط الكهرضغطي تلبي بشكل أفضل متطلبات التحكم في تحديد المواقع بدقة فائقة، يحتاج العلماء إلى مواصلة دراسة تعويض التصحيح أو التحكم الفعال من خلال التجارب لتقليل محرك السيراميك الكهرضغطي. تأثير الزحف على دقة تحديد المواقع؛

(3) في الوقت الحاضر، تركز أبحاث الكلال الناجم عن المجال في الغالب على المجال الكهربائي ومجال درجة الحرارة، ولكن لا يوجد بحث في المجال تحت الاقتران متعدد المجالات، ولكن أجهزة السيراميك الكهرضغطية الفعلية تعمل تحت ظروف الاقتران متعدد المجالات، لذلك من الضروري تعزيز دراسة آلية الكلال الناجم عن الحقل في ظل الاقتران متعدد المجالات.