Склад п'езаэлектрычнага керамічнага матэрыялу

Розныя дыяпазоны прымянення маюць розныя патрабаванні да прадукцыйнасці п'езаэлектрычныя керамічныя матэрыялы . 1 Перовскит п'езаэлектрычны керамічны матэрыял, хімічная формула ABO3, A з'яўляецца станоўчым іёнам з вялікім радыусам, які можа быць +1, +2, +3; B - станоўчы іон з малым радыусам, які можа быць +3, +4, +5, +6. Іённы радыус трох іёнаў A, B і O можа задавальняць наступнай залежнасці для фарміравання структуры ABO3: RA+RO=t√2 (RB+RO, t з'яўляецца каэфіцыентам талерантнасці, звычайна можа ўтвараць кальцый паміж 0,86 і 1,03. Структура тытанавай руды Тыповая рэцэптура: (1) 0,99 [PbTiO3 + 0,04 La2 / 3TiO3] + 0,01 MnO2, тэмпература абпалу 850 °C, тэмпература захавання цяпла 2 гадзіны, тэмпература абпалу 1240 °C, захаванне цяпла 1 гадзіна, Kp=0,096, Qm=1050, Nt=2120 (2) Высокачашчынны (30M-100MC) фарфоравы фільтр. PbTiO3+1%MnO2+1%Pb3O4ε=150, Kp=0,40, Qm=800~1000, тэмпература і час Добрая стабільнасць 3PbTiO3+3,0%CeO2++0,3MnO2+2,53%Nb2O5,ε=230,Qm=1000.

(1) Пры змене Zr:Ti кропка Кюры змяняецца амаль лінейна ад 235 °C да 490 °C, а лінія Tc з'яўляецца кубічнай параэлектрычнай фазай без п'езаэлектрычнага эфекту.

(2) Zr: існуе квазіаднастайная мяжа фаз паблізу Ti=53:47, бок, багаты тытанам, - гэта тэтраганальная сегнетоэлектрычная фаза FT; багаты цырконій бок - гэта высокатэмпературная трыганальная сегнетоэлектрычная фаза FR, тэмпература п'езаэлектрычныя керамічныя пераўтваральнікі падымаюцца, і гэтая мяжа фаз багатая цырконіем. Бок нахілены і перасякае лінію Tc пры 360 °C (што паказвае, што тэмпература Кюры Tc высокая каля мяжы фаз), і параметры элементарнай ячэйкі рэзка змяняюцца каля мяжы фаз. Каля мяжы падзелу фаз паміж тэтраганальнай сегнетоэлектрычнай фазай FT і трыганальнай сегнетоэлектрычнай фазай FR існуе моцны п'езаэлектрычны эфект. Kp, ε мае максімальнае значэнне, а Qm мае вельмі малое значэнне. П'езаэлектрычныя ўласцівасці фарфору PZT паблізу мяжы фаз значна вышэйшыя, чым у фарфору BaTiO3. Паколькі Tc фарфору PZT на мяжы высокая (360 °C), KP і ε стабільныя ў межах 200 °C, што з'яўляецца ідэальным п'езаэлектрычным матэрыялам. Допінг Мадыфікацыя фарфору PZT электронны пьезокерамический пераўтваральнік . Для задавальнення розных мэтаў нам патрэбна п'езаэлектрычная кераміка PZT з рознымі ўласцівасцямі. Па гэтай прычыне мы можам дадаваць розныя іёны, каб замяніць іёны Pb2+ у месцы A або іёны Zr4+, Ti4+ у месцы B. Тым самым паляпшаючы эксплуатацыйныя характарыстыкі матэрыялу.

Іншае замяшчэнне мадыфікаванае жорсткае замяшчэнне мадыфікаванае мяккае замяшчэнне мадыфікаванае гетэравалентнае замяшчэнне эквівалентнае замяшчэнне легіраваны мадыфікаваны PZT (1) эквівалентнае замяшчэнне эквівалентнае замяшчэнне азначае, што радыус Ca2+, Sr2+, Mg2+ меншы, чым у іёна Pb2+ Іоннае замяшчэнне іёнаў Pb2+ прыводзіць да павелічэння дыэлектрычнай пранікальнасці ε PZT п'езакерамічны дыск , павелічэнне электрамеханічнага каэфіцыента сувязі KP і павелічэнне п'езаэлектрычнай пастаяннай d, тым самым паляпшаючы п'езаэлектрычныя ўласцівасці керамікі PZT. Тэрмін «мадыфікацыя мяккага замяшчэння» азначае, што даданне гэтых дабавак можа паменшыць напружанасць каэрцытыўнага поля EC на ↓, а палярызацыя лёгкая, так што ўласцівасці матэрыялу становяцца «мяккімі» пад дзеяннем электрычнага поля або напружання.

(а) La3+, Bi3+, Sb3+ і г.д. замяняюць іён Pb+2 у месцы А (донарнае легіраванне); Nb5+, Ta5+, Sb5+, W6+ і інш. Замяшчэнне іонаў Zr4+, Ti4+ у пазіцыі B (донарнае легіраванне). Уласцівасці фарфору PZT, мадыфікаванага мяккай заменай, маюць наступныя змены: напружанасць каэрцытыўнага поля EC памяншаецца ↓, механічная якасць Qm памяншаецца ↓; дыэлектрычная пранікальнасць ε павялічваецца ↑, дыэлектрычныя страты tan δ павялічваюцца ↑, электрамеханічны каэфіцыент сувязі KP Пры павелічэнні ↑ павышаецца ўстойлівасць да старэння і ўдзельнае супраціўленне ізаляцыі ρ павялічваецца ↑. Прычына гэтага ў тым, што іх даданне прыводзіць да адукацыі дэфіцыту Pb2+. Напрыклад, калі кожныя два La3+ замяняюць 3 Pb2+, каб падтрымліваць баланс цаны на электраэнергію, колькасць катыёнаў у пазіцыі А ў структуры перовскита памяншаецца, і ўтвараецца вакансія А. З-за адсутнасці Pb2+ рух дамена становіцца лёгкім, і нават невялікая напружанасць электрычнага поля або механічнае напружанне могуць выклікаць рух даменных сценак. 

У выніку павялічваецца дыэлектрычная пранікальнасць і каэфіцыент пругкай згодлівасці Узнікаюць п'езакерамічныя керамічныя пераўтваральнікі Pzt , і ў той жа час дыэлектрычныя страты і механічныя страты павялічваюцца, а Qm памяншаецца. Больш за тое, паколькі кіраваць даменамі лёгка, колькасць даменаў, арыентаваных у кірунку электрычнага поля, павялічваецца, тым самым павялічваючы палярызацыю, так што п'езаэлектрычны эфект значна павялічваецца, што адлюстроўваецца павелічэннем значэння Kp. Паколькі супраціўленне руля дамена становіцца малым, прымусовае поле для змены палярызацыі для пераадолення супраціву невялікае, а зваротная лінія амаль прастакутная. Акрамя таго, з-за адсутнасці Pb2+ ўнутранае напружанне, выкліканае 90-даменным кіраваннем, буферызуецца, так што рэшткавая дэфармацыя становіцца невялікай. Іншымі словамі, паколькі даменныя сценкі лёгка перамяшчаюцца, унутранае напружанне даменаў лёгка здымаецца, таму прадукцыйнасць старэння добрая. «Мяккія» дабаўкі - гэта звычайна выкарыстоўваюцца мадыфікуючыя дабаўкі.

(b) Напрыклад, матэрыял падводнага акустычнага пераўтваральніка прымаючага тыпу часта легіраваны La2O3 і Nb2O5, каб павялічыць значэнне Kp і дыэлектрычную пранікальнасць. Pb0,95Sr0,05(Zr0,52Ti0,48)O3+0,9%La2O3+0,9%Nb2O5, Kp=0,60, ε=2100, Qm=80, добрая стабільнасць, удзельнае аб'ёмнае супраціўленне 1012 Ом «мяккая» дабаўка Колькасць звычайна не перавышае 5%. b Мадыфікацыя жорсткага замяшчэння, так званая 'мадыфікацыя жорсткага замяшчэння' азначае, што дабаўленне гэтых дадаткаў можа павялічыць напружанасць каэрцытыўнага поля EC, і палярызацыя становіцца цяжкай, таму ўласцівасці матэрыялу становяцца 'жорсткімі' пад дзеяннем электрычнага поля або стрэсу.

(а) K+, Na+ і г.д., якія замяшчаюць іёны Pb2+ у месцы А (акцэптарнае легіраванне);

(b) Іоны Zr4+ і Ti4+ (дапаваныя акцэптарам), замешчаныя на B у Fe2+, Co2+, Mn2+ (або Fe3+, Co3+, Mn3+), Ni2+, Mg2+, Al3+, Cr3+ і таму падобнае.

Уласцівасці фарфору PZT, мадыфікаванага жорсткай заменай, маюць наступныя змены: напружанасць каэрцытыўнага поля EC павялічваецца ↑, механічны каэфіцыент якасці Qm павялічваецца ↑; дыэлектрычная пранікальнасць ε памяншаецца, дыэлектрычныя страты tan δ памяншаюцца ↓, каэфіцыент электрамеханічнай сувязі KP памяншаецца Малы ↓, устойлівасць да старэння зніжаецца, а ўдзельнае супраціўленне ізаляцыі ρ памяншаецца.

Тройная перовскитная п'езаэлектрычная кераміка

Змяняючы суадносіны Zr/Ti і ўключаючы невялікую колькасць дабавак, хоць некаторыя ўласцівасці можна палепшыць, з-за ўсё больш шырокага дыяпазону п'езаэлектрычных матэрыялаў патрабаванні да матэрыялаў становяцца ўсё вышэй і вышэй, і толькі бінарныя сістэмы не могуць адпавядаць патрабаванням для выкарыстання. Такім чынам, ёсць трохкомпонентная сістэма. Так званы трайны перовскитный п'езаэлектрычны керамічны матэрыял адносіцца да цвёрдага раствора, утворанага з кампазітнага злучэння перовскита і тытаната цырканата свінцу.