البحث والتقدم في تقنيات تلبيد السيراميك الكهرضغطي PZT في الطور السائل ذو درجة الحرارة المنخفضة

وقد تم استخدام سيراميك تيتانات زركونات الرصاص (PZT) على نطاق واسع في محول طاقة سيراميك كهرضغطية مستقطب بسبب خصائصه الممتازة. ومع ذلك، فإن السيراميك الكهرضغطي الذي يحتوي على PZT لديه درجة حرارة تلبيد عالية نسبيًا تبلغ حوالي 1200 درجة مئوية. تبلغ درجة حرارة أكسدة أكسيد الرصاص (PbO) حوالي 800 درجة مئوية. لذلك، من السهل التسبب في تطاير PbO أثناء عملية التلبيد، والذي لا يسبب التلوث البيئي فحسب، بل يتسبب أيضًا في انحراف التركيب الفعلي للمادة الخزفية عن التركيبة المصممة، مما يؤدي إلى تدهور الخواص الكهربائية. بالإضافة إلى ذلك، مع تطور تقنية التركيب السطحي (SMT)، أصبحت أجهزة الرقائق متعددة الطبقات مفضلة في السوق لكفاءتها العالية وتصغيرها وتكاملها الوظيفي. ومع ذلك، فإن درجة حرارة التلبيد العالية للسيراميك الكهروضغطي تجعل من الصعب تحقيق الحرق المشترك للمادة الخزفية ومادة الإلكترود. إذا كان من الممكن إجراء تحسين العملية من خلال خفض درجة حرارة التلبيد، فلن يكون لها قيمة فنية واقتصادية مهمة فقط في قمع تطاير PbO، الذي يضمن خصائص المواد، ويقلل التلوث البيئي، وإطالة عمر المعدات، وما إلى ذلك، ولكن أيضًا استبدال Pt وPd بـ Ag، Ni، إلخ. يتم استخدام المعدن النبيل كقطب كهربائي داخلي لإطلاق المكون الكهروضغطي للرقاقة متعددة الطبقات في وقت واحد، مما يقلل بشكل كبير من تكلفة الجهاز وتوفير الطاقة. وبالإضافة إلى ذلك، فإن البحث المتعمق حول التلبيد في درجات الحرارة المنخفضة يمكن أن يعزز تطوير نظرية التلبيد. في الوقت الحاضر، طرق العملية لتقليل درجة حرارة تلبيد السيراميك بما في ذلك عملية التلبيد، وعملية الطحن، وطريقة تلبيد الطور السائل. من بينها، عملية تلبيد الطور السائل هي الأبسط، والأقل تكلفة، ومريحة للتطبيق الصناعي. إنها واحدة من النقاط الساخنة في الصناعة الكهرضغطية في الداخل والخارج لدراسة تلبيد السيراميك الكهروضغطي PZT بدرجة حرارة منخفضة عن طريق تلبيد الطور السائل.

1 آلية تلبيد الطور السائل

عن طريق تلبيد مادة مساعدة تلبيد منخفضة الانصهار مثل Bi2O3، B2O3، SiO2، V2O5، وما إلى ذلك في مادة أساسية كهروضغطية PZT، فإن إضافة مادة تكون قادرة على تكوين محلول صلب باستخدام PZT، تلبيد PZT ينتمي السيراميك الكهرضغطي لمحول الطاقة الانضغاطي إلى الطور السائل. الطور السائل الذي يحدث أثناء عملية التلبيد سوف يبلل جزيئات الجسم الأخضر ويملأ المسام بين الجزيئات، مما يخلق توترًا سطحيًا بين الجزيئات. يرتبط حجم التوتر السطحي بطبيعة الطور السائل وكميته وحجم جسيماته. تحت تأثير التوتر السطحي، تتدفق الجسيمات وتغير ترتيبها الأصلي وتعيد ترتيبها للحصول على تعبئة أقرب بين الجسيمات الخضراء. في الوقت نفسه، نظرًا لوجود الطور السائل، ستتم عملية نقل الكتلة عند الواجهة بين الطور السائل والطور الصلب، وتذوب الجزيئات الصغيرة تدريجيًا لتختفي، وتنمو الجزيئات الكبيرة بشكل مستمر وتصبح في النهاية خزفًا موحدًا وكثيفًا. وجود الطور السائل ينشط الذرات الموجودة على سطح جزيئات المسحوق. يتم توزيع الطور الزجاجي منخفض الذوبان الذي يتكون من مساعدات تلبيد منخفضة الذوبان المختلفة على طول واجهة التلامس لكل جسيم، ويتم نقل الذرات عن طريق انتشار الطور السائل، ومعامل الانتشار كبير، بحيث يتم تسريع عملية التلبد بشكل كبير، ويمكن جعل درجة حرارة التلبيد أكبر مما كانت عليه عندما لا تحدث الطور السائل. لتقليل ذلك يجب استيفاء المتطلبات الثلاثة التالية كإضافات لتلبيد الطور السائل: (1) يجب أن يظهر الطور السائل عند درجة حرارة التلبيد؛ (2) قابلية جيدة للتبلل للمواد الصلبة؛ (3) الطور الصلب في الطور السائل. هناك قابلية ذوبان كبيرة فيه.

2 طرق لتحقيق تلبيد الطور السائل

أكبر ميزة للسيراميك الكهرضغطي PZT هي أنه يمكن تعديله لمجموعة واسعة من الخصائص الفيزيائية الكهروفيزيائية عن طريق تغيير التركيبة أو تغيير الظروف الخارجية لتناسب الاحتياجات المختلفة. إن استخدام مواد أخرى لتحقيق تلبيد سيراميك PZT بدرجة حرارة منخفضة لا يقلل من درجة حرارة التلبيد فحسب، بل يعمل أيضًا على تحسين خواصه الكهربائية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تحقيق تلبيد الطور السائل بدرجة حرارة منخفضة عن طريق طريقة الطور الصلب التقليدية، وتكون العملية بسيطة وصناعية. يتم تنفيذ تلبيد الطور السائل بشكل رئيسي بثلاث طرق: (1) يتم تشكيل المادة الصلبة إلى محلول صلب مع الجسم الملبد؛ (2) تشكل المادة المضافة مرحلة سائلة مع الجسم الملبد (3) تشكل المادة المضافة مرحلة سائلة انتقالية مع الجسم الملبد.

3.1 الإضافة إلى الجسم الملبد لتكوين محلول صلب

عندما يكون الخليط قريبًا من حجم الجسيمات وشكل البلورة الانضغاطية وسعر الكهرباء لمرحلة التلبيد، يمكن أن يكون قابلاً للذوبان بشكل متبادل لتشكيل محلول صلب، مما يتسبب في تشويه المرحلة البلورية الرئيسية، وزيادة العيوب، بحيث تكون بعض العناصر الهيكلية في حالة غير متوازنة، والتي لديها طاقة كبيرة ومريحة. التحرك لتعزيز التلبد.

2.2 تشكل إضافة المادة إلى الجسم الملبد مرحلة سائلة

يرجع تلبيد الطور السائل إلى إضافة مواد مضافة لجعل النظام يتمتع بنقطة سهلة الانصهار. درجة الحرارة أقل بكثير من درجة حرارة التلبيد التقليدية محول القرص الدائري بيزو . يتم تشكيل الطور السائل في المرحلة الأولية من التلبيد. يمكن تعزيز حدود الحبوب بسبب إعادة ترتيب الحبوب وتعزيز الاتصال في تلبيد الطور السائل. تكون الحركة بحيث يتم تفريغ المسام بشكل كافٍ، وبالتالي تعزيز تكثيف التلبيد وتحقيق الغرض من خفض درجة حرارة التلبيد. ومع ذلك، فإن إضافة زجاج أو أكسيد منخفض الذوبان يقدم مرحلة ثانية، ووجود الكثير من المرحلة الثانية يؤدي حتمًا إلى انخفاض كبير في ثابت العزل الكهربائي للسيراميك، ويجب ملاحظة زيادة في فقدان العزل الكهربائي tan δ.

2.3 تشكل الإضافة والجسم الملبد مرحلة سائلة انتقالية.

إذا كان السيراميك الانضغاطي يمكن أن يشكل طورًا سائلًا في المرحلة الأولية من التلبيد، ويمكن أن يتطاير تكوين الطور السائل أو يدخل مرة أخرى إلى شبكة الطور البلوري الرئيسي عند درجة حرارة عالية، فيمكن أن يعمل كتعديل منشط. لا يمكن لهذه الإضافات ذات نقطة الانصهار المنخفضة أن تقلل درجة حرارة التلبيد بشكل كبير فحسب، بل يمكنها أيضًا تجنب تكوين المراحل الثانوية عن طريق إضافة التدفق، وبالتالي الحفاظ على الخصائص الكهرضغطية الجيدة للمادة الأساسية الأصلية، وهو أمر ذو أهمية كبيرة لتوفير الطاقة وتقليل التلوث البيئي.