دراسة عن عملية الاستقطاب للسيراميك الكهرضغطي PZT

يتم استخدام محول الطاقة البلوري الكهرضغطي على نطاق واسع في مجالات الإلكترونيات والضوء والحرارة والصوتيات، وقد أصبح مواد وظيفية مهمة في صناعة الدفاع والصناعة المدنية والحياة اليومية. إنها اتجاه بحثي رئيسي للمواد الوظيفية الحالية. في الوقت الحاضر، لا يزال السيراميك الكهرضغطي الأكثر استخدامًا هو تيتانات زركونات الرصاص (PZT) والسيراميك الثلاثي أو الرباعي. تعد عملية الاستقطاب عملية أساسية في تصنيع الأجهزة الخزفية الكهرضغطية. عملية الاستقطاب هي عملية حركة وتطوير هياكل المجال في السيراميك الكهرضغطي. السيراميك الكهرضغطي عبارة عن أجسام متناحية الخواص قبل الاستقطاب الاصطناعي، ولا يظهر تأثير كهرضغطية خارجيًا؛ بعد الاستقطاب، تصبح أجسامًا متباينة الخواص بسبب الاستقطاب الدائم، وبالتالي يكون لها تأثير كهرضغطية. ترتبط الخصائص العازلة والمرنة للسيراميك الكهرضغطي المستقطب بدرجة الاستقطاب. من أجل جعل السيراميك الكهروإجهادي يتمتع بدرجة عالية من الاستقطاب وإفساح المجال كاملاً لخصائصه الكهرضغطية المحتملة، من الضروري اعتماد ظروف الاستقطاب المثلى، أي تحديد شدة المجال الكهربائي للاستقطاب (E) ودرجة حرارة الاستقطاب (T). وزمن الاستقطاب (t). الشروط الثلاثة لعملية الاستقطاب مترابطة. إذا كان المجال الكهربائي للاستقطاب ضعيفاً فيمكن تعويضه بزيادة درجة الحرارة وإطالة زمن الاستقطاب؛ إذا كان المجال الكهربائي قويا ودرجة الحرارة مرتفعة، يمكن تقصير وقت الاستقطاب. ومع ذلك، فإن شروط الاستقطاب الثلاثة ترتبط ارتباطًا وثيقًا بتركيب السيراميك الكهرضغطي. بالنسبة للمواد الخزفية الكهرضغطية PZT، يتم تقليل المجال الكهربائي القسري. الطريقة التقليدية هي ضبط نسبة الزركونيوم إلى التيتانيوم. كلما زادت نسبة الزركونيوم إلى التيتانيوم، قل المجال الكهربائي القسري، بحيث يكون المجال الكهربائي الاستقطابي أصغر. إن زيادة نسبة الزركونيوم إلى التيتانيوم لا تحسن بشكل كبير ظروف عملية الاستقطاب.

في الإنتاج والبحث العلمي، غالبًا ما تستخدم بعض الأكاسيد والمركبات كإضافات نزرة لتحسين أداء المواد الخزفية الكهرضغطية. تحل هذه الإضافات النزرة محل مواقع بعض أيونات التيتانيوم وأيونات الزركونيوم في PZT، مما يجعل المجال في الحبيبات يتحرك بسهولة، مما يؤدي إلى تقليل كبير في المجال الكهربائي القسري ويقلل أيضًا من شروط الاستقطاب الثلاثة. من السهل الاستقطاب. وبعد فترة طويلة من التجارب المتكررة، تم تحديد أن الفلتر الخزفي الكهرضغطي بتردد 6.5 ميجاهرتز مصنوع من PZT المعدل وتركيبته Pb0. 90 ريال0. 05 ملغ0. 03Ba0. 02 (Zr0.53 Ti0.47 ) O3 +CeO2 + بعد تسخين المادة الخام الخزفية الكهرضغطية وتشكيلها وحرقها وصقلها مسبقًا، يتم تشكيل قرص سيراميك بيزو دائري مقاس 24 مم × 0.35 مم، وبعد أن يكون فضيًا على جانبي قطعة السيراميك الكهروضغطية المستديرة، يتم وضعها في فرن على حرارة 100 درجة مئوية. اخبزيها لأكثر من 10 دقائق، وأزيلي البلاط من الطبقة الفضية. بعد ذلك، يتم وضع لوحة بيزو الفضة في فرن مربع، ويتم رفع درجة الحرارة إلى 100 درجة مئوية عند درجة حرارة ثابتة 15 درجة مئوية / 6 دقائق، وترفع درجة الحرارة إلى 0.5 درجة مئوية. يتم رفع درجة الحرارة إلى درجة حرارة ثابتة 15 درجة مئوية / 6 دقائق. عند 400 درجة مئوية، تم رفع درجة الحرارة إلى 700 درجة مئوية عند درجة حرارة ثابتة تبلغ 20 درجة مئوية / 6 دقائق. بعد درجة حرارة ثابتة لمدة 20 دقيقة، يتم خفض درجة الحرارة ببطء إلى أقل من 100 درجة مئوية. تم وضع قطع البورسلين المطلية بالفضة في درجة حرارة الغرفة لمدة 12 ساعة، ووضعها في حمام زيت السيليكون، وإخضاعها لعلاج الاستقطاب في ظل ظروف الاستقطاب المختلفة. الخصائص الكهرضغطية تم قياس الأنبوب الكهرضغطي العرضي بعد الوقوف لمدة 24 ساعة.

تأثير المجال الكهربائي المستقطب على الخواص الكهرضغطية

في عملية الاستقطاب، يكون المجال الكهربائي للاستقطاب هو القوة الدافعة الخارجية لتوجيه المجال. في حالة عدم تجاوز شدة مجال التشبع للمادة، كلما زاد حجم E، زاد تأثير اتجاه محاذاة المجال، ودرجة الاستقطاب كلما كان أكمل، كان الأداء الكهرضغطي أفضل. الإلكترونات التي يصعب انحرافها أو إعادة توجيهها عند الضغط المنخفض تكون أكثر عرضة للانحراف أو إعادة التوجيه تحت ضغط مرتفع، مما يجعل الاستقطاب أكثر اكتمالا. بالنسبة لمجال انقلاب 180 درجة، فإن انقلاب المجال لا يوجه المجال العكسي من خلال الحركة الجانبية لجدار المجال الخاص به، بل يزيد كثيرًا من الاستقطاب بالقرب من القطب على طول حافة العينة داخل مجال الانقلاب. مجال جديد حاد الشكل ذو اتجاه يتوافق مع اتجاه المجال الكهربائي. بعد نواة المجال الجديد، فإنه يتقدم تحت تأثير المجال الكهربائي ويخترق العينة بأكملها. عندما يتم تعزيز المجال الكهربائي، تظهر مجالات جديدة بشكل مستمر، وينتشر التطور الأمامي إلى المجال العكسي بأكمله. أخيرًا، يصبح المجال العكسي هو نفس اتجاه المجال الكهربائي الخارجي، ويتحد مع المجالات المتناحية المجاورة لتكوين حجم أكبر. بالنسبة لمجال 90 درجة، يمكن أن يتحرك جدار المجال بشكل جانبي، ويكون المجال الكهربائي الحرج المطلوب للحركة الجانبية للمجال 90 درجة أصغر من المجال الكهربائي الحرج المطلوب لنواة المجال الجديد ذي الشكل الحاد، ولكن توجيه المجال 90 درجة واتجاه المجال الكهربائي الخارجي مطلوبان. يتطلب الاتساق مجالًا كهربائيًا أكبر، ويعتمد تطوير مجاله الجديد بشكل أساسي على المجال الكهربائي الخارجي لدفع الحركة الجانبية لجدار المجال بزاوية 90 درجة. في ظل حالة t = 15 دقيقة و T = 130 درجة مئوية، تم تغيير استقطاب قطعة السيراميك الكهرضغطية بواسطة E، وتغير ثابت الكهرضغطية d33 مع E. ويمكن ملاحظة أنه عندما تكون E <1.5 كيلو فولت / مم، يزداد d33 ببطء مع زيادة E؛ عندما يكون E > 1.5 كيلو فولت/مم، يزداد d33 بسرعة مع زيادة E، ولكن عندما يكون E > 2.5 كيلو فولت/مم، ينخفض ​​d33 بسرعة فجأة. وذلك لأنه عندما تكون E <1.5 كيلو فولت/مم، فإن الاستقطاب يمكن أن يجعل المادة تتحول بسهولة إلى اتجاه مجال 180 درجة في اتجاه المجال الكهربائي الخارجي، وبالتالي تكون قيمة d33 أقل وتكون الزيادة أبطأ؛ عندما يكون E > 1.5 كيلو فولت، يكون المجال الكهربائي الخارجي أكبر من المجال الكهربائي القسري للمادة، بحيث يكون المجال 90 درجة الذي يصعب تحويل المادة. والذي يميل إلى اتجاه المجال الكهربائي الخارجي، وبالتالي فإن d33 يزيد بسرعة؛ استمر في زيادة شدة المجال الكهربائي الخارجي، عندما تكون E> 2.0 كيلو فولت / عند ملم، يكون المجال الكهرضغطي في المادة مكتملًا تقريبًا، وبالتالي فإن زيادة d33 تميل إلى أن تكون بطيئة. ولكن عندما تصل قيمة E إلى قيمة معينة (E> 2.5 كيلو فولت/مم)، فإن الإلكترونات الحرة في السيراميك الانضغاطي تحصل على طاقة في المجال الكهربائي أكبر من الطاقة المفقودة. وفقا لنظرية التصادم التأين، يمكن أن تكون الإلكترونات الحرة بعد كل تصادم. يؤدي تراكم الطاقة إلى ارتفاع درجة حرارة لوح السيراميك بشكل مستمر، ويتدهور الأداء الكهرضغطي بشكل مستمر، وفي النهاية يحدث الانهيار الحراري. علاوة على ذلك، عندما يكون المجال الكهربائي المطبق مرتفعًا بدرجة كافية، بسبب تأثير النفق لميكانيكا الكم، قد تدخل إلكترونات النطاق المحظورة إلى نطاق التوصيل، وتحت تأثير المجال القوي، يتم تسريع الإلكترونات الحرة، مما يتسبب في اصطدام الإلكترونات وتأينها. في هذا الوقت، بسبب زيادة التيار، ترتفع درجة الحرارة المحلية للبلورة الانضغاطية، مما يتسبب في ذوبان البلورة الانضغاطية جزئيًا وتدمير هيكلها، بحيث تتدهور خصائص السيراميك الانضغاطي، ويحدث الانهيار في النهاية.

تأثير درجة حرارة الاستقطاب على الخواص الكهرضغطية

في حالة E = 2.0 كيلو فولت/مم وt = 15 دقيقة، يتم تغيير T لاستقطاب السيراميك الكهرضغطي. يبدأ الاختلاف بين d33 وd33 في الزيادة بشكل أسرع. وبعد أن وصلت درجة الحرارة إلى 130 درجة مئوية، ظلت قيمة d33 دون تغيير بشكل أساسي. وذلك لأنه في درجات الحرارة المنخفضة، مع زيادة درجة الحرارة، تصبح نسبة محور البلورة الانضغاطية أصغر، ويزداد نشاط المجال، ويصبح الضغط الداخلي الناجم عن توجيه المجالات بزاوية 90 درجة أصغر، أي يتأثر توجيه المجال. المقاومة صغيرة، ويمكن توجيه المجالات بسهولة، لذلك يكون إجراء الاستقطاب أسهل. عندما تصل درجة الحرارة T إلى 130 درجة مئوية، يتم تشغيل معظم المجالات الكهرضغطية ويكون التوجيه مشبعًا، وبالتالي لا تتغير قيمة d33.

لظروف الاستقطاب تأثير كبير على أداء السيراميك الكهرضغطي، ويعتبر المجال الكهربائي للاستقطاب هو العامل الرئيسي في ظروف الاستقطاب. من الناحية النظرية، عندما يتجاوز المجال الكهربائي المطبق شدة المجال القسري، يجب تحويل معظم المجالات وإعادة ترتيب الاستقطاب واستقطابها بالكامل، ولكن في ظل هذا المجال الكهربائي، حتى لو تم استقطابه لفترة طويلة، لا يمكن الحصول عليه. خصائص كهرضغطية أفضل. من أجل جعل الخواص الكهرضغطية للمادة مطبقة بالكامل، يجب إضافة المجال الكهربائي إلى شدة مجال التشبع، والتي تبلغ 3 إلى 4 أضعاف شدة المجال القسري. لذلك، فإن المجال الكهربائي القسري هو الحد الأدنى للمجال الكهربائي الذي يتم اختياره أثناء الاستقطاب، ويمكن اعتبار شدة مجال التشبع أنه يتم تحديد الحد الأعلى لشدة المجال في وقت الاستقطاب، وإذا تم تجاوز شدة مجال التشبع، يمكن العثور على الانهيار بسهولة. بعد دراسة شاملة، تم تحديد معلمات عملية الاستقطاب المثالية لمرشح السيراميك الكهرضغطي 6.5 ميجاهرتز: قوة المجال الكهربائي للاستقطاب 2.2 كيلو فولت/مم، ودرجة حرارة الاستقطاب 130 درجة مئوية. وعلى هذا الأساس يتم تحديد القطب. الوقت 15 دقيقة. أظهرت النتائج التجريبية أنه عندما يتجاوز زمن الاستقطاب 15 دقيقة، فإن التأثير على الأداء الكهرضغطي ليس واضحا. وقد وجد أيضًا في التجربة أن استخدام عجينة الفضة الموصلة ذات درجة الحرارة المنخفضة بدلاً من عجينة الفضة ذات درجة الحرارة العالية شائعة الاستخدام في عملية تلبيد الفضة يمكن أن يحسن الخواص الكهروإجهادية والميكانيكية لصفائح السيراميك إلى حد ما، ولكن قوة الترابط أقل والتكلفة أعلى. عالية وغير مناسبة للإنتاج الصناعي. في تجربة عملية الحرق، وجد أن صفيحة السيراميك الانضغاطي لديها درجة حرارة تزيد عن 1250 درجة مئوية ومدة بقاء تزيد عن ساعتين وكانت عرضة للانهيار أثناء الاستقطاب، مما يؤدي إلى زيادة الشقوق. وذلك لأنه كلما ارتفعت درجة حرارة الحرق وزادت مدة الاحتفاظ، كلما حدث تبلور أكثر شدة، بحيث تصبح الحبيبات الصغيرة حبيبات كبيرة، مما يؤدي عادة إلى زيادة مسامية السيراميك وانخفاض كثافة السيراميك. فهو يقلل من القوة الميكانيكية وثابت العزل الكهربائي، وفي الوقت نفسه يقلل من عامل الجودة الميكانيكية للسيراميك الضغطي.

 عند وصول التسليم، تتم مصادقة التسليم. إذا نجحت، يتم تسليم الموارد المخصصة في مرحلة الإعداد إلى وحدة الوصول إلى البروتوكول ويبدأ الاتصال بوحدة التحكم. في هذا الوقت، يعتبر التحكم في المكالمة أن المكالمة هي مكالمة طرفية عادية. عندما تقوم وحدة الوصول إلى البروتوكول بإبلاغ HOM بأن الجهاز قد وصل بالفعل إلى الرسالة، يمكن اعتبار المحول في حالة مستقرة. إذا كانت المحطة التي تم تشغيلها تتطلب عمليات تسليم أخرى، مثل التسليم الداخلي أو التسليم اللاحق، فيمكن إكمالها وفقًا لوصف وظيفة HO. تجدر الإشارة إلى أن نهايات OT المبدلة لا علاقة لها بنهايات OT الخاصة بالمكالمة. يمكن أن تكون النهاية T والنهاية O للمكالمة هي النهاية O المبدلة أو النهاية T المبدلة. بعد البحث في تسليم GSM وUMTS، إذا كانت هناك عمليات تسليم GSM وUMTS في برنامج softswitch المحمول، فهناك العديد من أوجه التشابه بين عملية إرسال الإشارات والتحكم في الوسائط، وخاصة رسائل تسليم BSSAP وRANAP. في عملية تصميم جهاز الحالة، يتم اعتبار تنفيذ دمج البروتوكولين، وأخيرًا اعتماد مخطط تنفيذ الفصل. إن عملية إرسال الإشارات لبروتوكول واحد قيد التسليم ليست معقدة، ويأتي تعقيد التسليم أساسًا من تعاون البروتوكولات على واجهات متعددة ومختلفة. لا يمكن تبسيط دمج الرسائل المتعلقة بالتسليم في بروتوكولي جزء تطبيق النظام الفرعي للمحطة الأساسية (BSSAP) وجزء تطبيق شبكة الوصول الراديوي (RANAP) إلى حد كبير لتصميم جهاز حالة التسليم، وسيكون أيضًا لـ BSSAP. يضيف التصميم المتكيف مع بروتوكول RANAP تعقيدًا. بالإضافة إلى ذلك، سيؤدي الدمج إلى تكرار الرسائل والمعلمات أو فقدان الوظائف.