Прымяненне тытаната цырканату свінцу (PZT), які выкарыстоўваецца для п'езаэлектрычнага прывада

1 Уводзіны 

Разумныя матэрыялы ўключаюць сэнсарныя і рухаючыя матэрыялы. Перцэпцыйныя матэрыялы - гэта клас матэрыялаў, якія маюць функцыю адчування знешняга або ўнутранага напружання, дэфармацыі, цяпла, святла, электрычнасці, магнетызму, прамянёвай энергіі і хімічных велічынь. З іх можна вырабляць розныя сэнсарныя прылады; Матэрыялы, якія рэагуюць на ўмовы навакольнага асяроддзя або ўнутраныя змены і выконваюць дзеянні, якія можна выкарыстоўваць для вырабу розных прывадных прылад. Разумная прылада ўяўляе сабой п'езапрывад з функцыяй адчувальнага прывада, зроблены з разумных матэрыялаў. Разумная структура складаецца з матэрыялаў і прылад. Ён аб'ядноўвае зандзіраванне, апрацоўку сігналаў, кіраванне і кіраванне ў матэрыяльную сістэму або структурную сістэму. Ён можа адчуваць навакольнае асяроддзе або ўнутраныя параметры, апрацоўваць інфармацыю, выдаваць каманды, выконваць і завяршаць дзеянні. для дасягнення самодіагностікі, самааднаўлення і адаптацыйных функцый. Прымяненне інтэлектуальных матэрыяльных сістэм і структур вельмі шырокае не толькі ў абаронна-абарончых узбраеннях, такіх як самалёты, ваенныя караблі і г.д., але і ў стратэгічна важных галінах нацыянальнай эканомікі, асабліва ў галінах высокіх тэхналогій. Асноўнымі матэрыяламі, якія ў цяперашні час завяршаюць сістэмы і структуры разумных матэрыялаў, з'яўляюцца матэрыялы з памяццю формы, п'езаэлектрычныя матэрыялы (уключаючы п'езаэлектрычную кераміку, п'езаэлектрычныя палімеры), электрастрыкцыйныя матэрыялы, аптычныя валакна і электрарэалагічныя варыянты, магнітарэалагічныя варыянты і да т.п. Выкарыстанне гэтых разумных матэрыялаў у спалучэнні з разумным і складаным кампазітным дызайнам і вырабам стварае матэрыяльную сістэму і структуру, якія рухаюцца, адчуваюцца і кантралююцца.

П'езаэлектрычныя матэрыялы - гэта асноўны клас матэрыялаў у сістэмах і структурах разумных матэрыялаў. Дыэлектрычны крышталь п'езаэлектрычны керамічны пераўтваральнік з п'езаэлектрычным эфектам будзе палярызаваны і ўтварае павярхоўны зарад пад дзеяннем механічнага ўздзеяння. Калі такі крышталь дыэлектрыка змясціць у электрычнае поле, дзеянне электрычнага поля выкліча адноснае зрушэнне цэнтраў станоўчага і адмоўнага зарадаў унутры дыэлектрыка, што прывядзе да дэфармацыі. . Паколькі п'езаэлектрычны матэрыял мае вышэйпералічаныя характарыстыкі, можа быць дасягнута аднастайнасць адчувальнага п'езаэлемента і элемента дзеяння. П'езаэлектрычныя матэрыялы могуць быць шырока выкарыстаны ў разумных матэрыялах і структурах, асабліва для самадыягностыкі матэрыяльных пашкоджанняў, самаадаптацыі, зніжэння вібрацыі і кантролю шуму. Тыпы распрацаваных п'езаэлектрычных матэрыялаў, уключаючы монакрышталічнае, полікрышталічнае, мікракрышталічнае шкло, арганічныя палімеры і кампазітныя матэрыялы. З 1980-х гадоў, з заканчэннем кульмінацыі п'езаэлектрычных керамічных матэрыялаў ад развіцця бінарных сістэм да трайных і шматкампанентных сістэм, даследаванні п'езаэлектрычных матэрыялаў ідуць павольна. З хуткім развіццём навукі і тэхнікі распрацоўка і даследаванне ў адпаведнасці з попытам прымянення далі новы імпульс даследаванню п'езаэлектрычных матэрыялаў. Разам з нястомнымі намаганнямі работнікаў навукі і тэхнікі ў фундаментальных даследаваннях і ўдасканаленні вытворчага працэсу ў апошняе дзесяцігоддзе з'явіўся новы тып ціску. Бесперапыннае з'яўленне электратэхнічных матэрыялаў зрабіла даследаванні п'езаэлектрычных матэрыялаў.

2 Агляд п'езаэлектрычных матэрыялаў

У ст п'езаэлектрычная кераміка крышталь , асіметрыя размяшчэння станоўчых і адмоўных іёнаў і несупадзенне цэнтра цяжару станоўчых і адмоўных зарадаў блока ўтвараюць электрычны дыпольны момант. Гэтыя электрычныя дыпольныя моманты выраўноўваюцца ў пэўным кірунку, каб стаць даменнай структурай, і дамены неўпарадкаваны на крышталі. эфекты палярызацыі кампенсуюць адзін аднаго, палярызацыя ў матэрыяле роўная нулю, і кірунак палярызацыі дамена, палярызаванага электрычным полем пастаяннага току, імкнецца быць у тым жа кірунку. Калі знешняя сіла дзейнічае на п'езаэлектрычны матэрыял, выклікаючы дэфармацыю, матэрыял станоўча і адмоўна звязаны. Крок зарада становіцца менш, і інтэнсіўнасць палярызацыі таксама становіцца менш. Свабодны зарад, першапачаткова адсарбаваны на электродзе, часткова вызваляецца, і адбываецца з'ява разраду, якое называецца станоўчым п'езаэлектрычным эфектам; электрычнае поле пэўнай інтэнсіўнасці прыкладваецца да двух полюсаў п'езаэлектрычнага матэрыялу, і на чыпе - гэта тое, што адлегласць паміж станоўчымі і адмоўнымі зарадамі павялічваецца, інтэнсіўнасць палярызацыі таксама становіцца большай, і некаторыя свабодныя зарады адсарбуюцца на электродах, каб выклікаць з'яву зарадкі. Электрычны зарад рухаецца ў ланцугу, каб вывесці механічную энергію вонкі, што называецца зваротным п'езаэлектрычным эфектам.

2.3 Спосаб атрымання п'езаэлектрычнага матэрыялу

Для розных п'езаэлектрычных матэрыялаў прыдатны метад падрыхтоўкі выбіраецца ў залежнасці ад прымянення, характарыстык. Метад падрыхтоўкі дзеліцца на метад цвёрдай фазы, метад вадкай фазы і метад газавай фазы ў залежнасці ад фазы фазы, якая ўзнікае падчас падрыхтоўкі.

2.3.1 Метад цвёрдай фазы

Калі PZT п'еза вырабляецца традыцыйным цвёрдафазным метадам, тэмпература спякання вышэй за 1200 °C прывядзе да выпарэння PbO. Цяжка кантраляваць стэхіаметрычнае суадносіны, што робіць мікраструктуру і электрычныя ўласцівасці матэрыялу цяжкімі для кантролю. Ён падыходзіць для сыравіны, простых працэсаў і п'езаэлектрычных матэрыялаў. Дзе патрабаванні да прадукцыйнасці невысокія.

2.3.2 Метад вадкай фазы

Падрыхтоўка п'езаэлектрычных матэрыялаў вадкафазным метадам у цяперашні час з'яўляецца найбольш часта выкарыстоўваным метадам, уключаючы метад суасаджэння, метад гідратэрмальнага сінтэзу, золь-гель метад, метад алкоксидного гідролізу і таму падобнае. Метад суасаджэння дазваляе нізкатэмпературным спяканнем атрымаць п'езаэлектрычны матэрыял, які мае шчыльнасць больш высокую, чым тэарэтычная. Метад суасаджэння выкарыстоўваў метад запраграмаванага абпалу пры тэмпературы 700 градусаў для падрыхтоўкі парашка BaT iO3 з памерам часціц 60 нм. Даследчыкі ў Злучаных Штатах выкарысталі метад суасаджэння ў спалучэнні з працэсам сублимационной сушкі для сінтэзу нанапамернага парашка PZ T пры 800 градусах. Спяканне дало матэрыял з тэарэтычнай шчыльнасцю 98%. У даследаванні ў якасці папярэднікаў рэагентаў выкарыстоўваліся N b2 O 5 і T a 2 O5, а керамічныя парашкі KT aN b O3 былі падрыхтаваны гідратэрмальным метадам і тэрмічным метадам растваральніка. Вывучана спечаная п'езаэлектрычная кераміка. Каэфіцыент сувязі дасягае 0,5, а п'езаэлектрычны каэфіцыент d 33 знаходзіцца ў межах 150 ~ 450p C / N. Аднак гідратэрмальны метад патрабуе больш высокай тэмпературы і ціску, а інвестыцыі ў абсталяванне вялікія, што абмяжоўвае прымяненне метаду. Метад золь-гель з'яўляецца найбольш часта выкарыстоўваным метадам вадкафазнага метаду. Высокаэфектыўныя плёнкі могуць быць атрыманы золь-гелем у спалучэнні з рознымі працэсамі фармавання і спякання.

2.3. 3 газафазны метад

Метад газавай фазы падыходзіць для падрыхтоўкі нанапамерных п'езаэлектрычных плёнак, галоўным чынам для фізічнага асаджэння з паравай фазы і хімічнага асаджэння з паравай фазы. Сярод іх найбольш часта выкарыстоўваецца метад напылення. Ніжні электрод AP t / T i быў нанесены на падкладку Si 2 / S i метадам мэтавага напылення, а плёнка PZT таўшчынёй каля 800 мм была падрыхтавана метадам радыёчастотнага (RF) напылення. Хімічнае асаджэнне з паравай фазы можа дакладна кантраляваць хімічны склад прадукту рэакцыі, і яго зручна легіраваць, але цяжка атрымаць прыдатны матэрыял для крыніцы газу, які не падыходзіць для недарагога падрыхтоўкі плёнкі ў вялікіх аб'ёмах і практычна выкарыстоўваецца менш.