Апісанне п'езакерамічнага пераўтваральніка керамічнага матэрыялу

Што тычыцца п'езаэлектрычных керамічных драйвераў, п'езаэлектрычная кераміка прад'яўляе высокія патрабаванні да ўласцівасцей п'езаэлектрычных керамічных матэрыялаў, такіх як канстанта электрычнай дэфармацыі высокага напружання, высокая кропка Кюры, высокі каэфіцыент электрамеханічнага ўзаемадзеяння і канстанта высокай частоты. Найбольш шырока выкарыстоўваная п'езаэлектрычная кераміка - PZT (тытанат цырканата свінцу) на аснове П'езаэлектрычны керамічны пераўтваральнік з матэрыялу Pzt з-за яго выдатнага п'езаэлектрычнага эфекту, высокай тэмпературы Кюры, моцнай радыяцыйнай устойлівасці і лёгкай інтэграцыі з тэхналогіяй інтэграцыі паўправаднікоў. Але гэта шкодна для чалавечага цела і навакольнага асяроддзя. Таму людзі пачалі шукаць бессвінцовыя п'езаэлектрычныя керамічныя матэрыялы з выдатнымі характарыстыкамі.

Найбольш вывучаныя бессвінцовыя п'езаэлектрычныя керамічныя матэрыялы ў краіне і за мяжой у асноўным уключаюць наступныя сістэмы: бессвінцовая п'езаэлектрычная кераміка на аснове тытаната барыю; бессвинцовая п'езаэлектрычная кераміка на аснове тытаната барыю; бессвінцовая п'езаэлектрычная кераміка на аснове тантала і бессвінцовая п'езаэлектрычная кераміка са слаістай структурай тантала.

Бессвинцовая п'езаэлектрычная кераміка на аснове тытаната барыю

Даследаванне і прымяненне тытаната барыю (BaTiO3) на аснове без свінцу Пьезокерамические пераўтваральнікі былі даволі спелымі. Аднак тэмпература Кюры керамікі BaTiO3 нізкая (Tc=120), дыяпазон працоўных тэмператур вузкі, а характарыстыкі п'езаэлектрычнай керамікі ўмераныя. Цяжка значна палепшыць п'езаэлектрычныя ўласцівасці шляхам мадыфікацыі допінгу, і існуе фазавы пераход каля тэмпературы. Такім чынам, яго прымяненне п'езаэлектрычнай керамікі абмежавана. П'езаэлектрычны керамічны тытанат барыю і стронцыю на аснове тытаната стронцыю без свінцу і Bi0.5Na0.5TiO3 (BNT) з'яўляецца тыповым прадстаўніком серыі тытанатаў. BNT мае характарыстыкі расслабленага сегнетоэлектрыка, які мае адносна вялікую рэшткавую палярызацыю і надзвычай высокае каэрцытыўнае поле (7,5 кВ/мм), а таксама мае вялікі п'езаэлектрычны каэфіцыент (kt, kp каля 50%), выдатныя характарыстыкі дыэлектрыка, такія як малы каэфіцыент (240~340) і добрыя акустычныя характарыстыкі (яго канстанта частоты NP=3200 Гц). З-за высокага каэрцытыўнага электрычнага поля і высокай электраправоднасці ў вобласці сегнетоэлектрычнай фазы палярызацыя складаная, што ўскладняе вытворчасць практычнай п'езаэлектрычнай керамікі. Для таго, каб пераадолець недахопы палярызацыі п'езакерамікі BNT і цяжкасці спякання ў шчыльныя ўзоры, дадаюць разнастайныя пары дабавак са структурай пераўскіту. BNT мадыфікуецца. Дзякуючы ўвядзенню такіх элементаў, як Pb, Ba, Ca, Sr, Mn і г.д., напружанасць каэрцытыўнага поля BNT занадта высокая, і цяжкасці палярызацыі, выкліканыя высокай праводнасцю сегнетоэлектрычнай фазы BNT, ухіляюцца, і палярызацыя матэрыялу BNT паспяхова вырашана.

Бессвинцовая п'езаэлектрычная кераміка на аснове вісмута:

Бессвинцовая п'езаэлектрычная кераміка на аснове вісмута ў асноўным уключае NaNbO3, KNbO3, LiNbO3 і таму падобнае. The п'езапаўшарныя керамічныя пераўтваральнікі маюць такія перавагі, як нізкая шчыльнасць, высокая хуткасць гуку, вялікі механічны каэфіцыент якасці Qm, вялікі электрамеханічны каэфіцыент сувязі kp, нізкая дыэлектрычная пранікальнасць, высокая п'езаэлектрычная прадукцыйнасць, вялікая канстанта частоты і г.д., таму п'езаэлектрычная кераміка на аснове танталата з'яўляецца частатнай прыладай і пераважным матэрыялам. Аднак з-за лятучасці металічнага матэрыялу цяжка атрымаць п'езакераміку з добрай кампактнасцю з дапамогай звычайнага керамічнага працэсу, які пагаршае ўласцівасці керамікі. Шчыльную кераміку NaNbO3-KNbO3 можна атрымаць метадам гарачага прэсавання або працэсу ізастатычнага прэсавання, і тэмпературная стабільнасць матэрыялу значна паляпшаецца, а адносная шчыльнасць можа дасягаць 99%.

У практычных прымяненнях некаторыя характэрныя характарыстыкі п'езакерамічнага цыліндравага керамічнага пераўтваральніка (напрыклад, гістарэзіс, паўзучасць і г.д.) аказваюць вялікі ўплыў на высокадакладны кантроль перамяшчэння. Каб паменшыць уплыў гістэрэзісу п'езаэлектрычнай керамікі на выхад зрушэння, замежныя навукоўцы прапанавалі мноства метадаў кампенсацыі. У цяперашні час метадам ліквідацыі гістэрэзісу з'яўляецца, як правіла, замкнёнае кіраванне ў працэсе кіравання. Гэты рэжым патрабуе дадатковага датчыка перамяшчэння для вымярэння зрушэння і параўнання яго з мэтавым зрушэннем кантролера для фарміравання складанага механізму рэгулявання кіравання. 

Пад дзеяннем пераменнага электрычнага поля ультрагукавыя палярызаваныя п'езаператваральнікі будуць дэманстраваць макраскапічную сегнетоэлектрычную дэградацыю з-за зніжэння актыўнасці сегнетоэлектрычнай даменнай сценкі. Мікратрэшчыны, расслаенне або пераломы часта ўзнікаюць у матэрыяле і стомленасці, выкліканай полем. Унутраная прычына ў асноўным звязана з розніцай у інтэрфейсе з уласцівасцямі. Каэфіцыент цеплавога пашырэння на мяжы паміж п'езакерамікай і электродам адрозніваецца, або адбываецца хімічная рэакцыя, якая негатыўна ўплывае на характарыстыкі п'езаэлектрычнай керамікі на стомленасць. Сіла злучэння паміж межамі значна паляпшаецца шляхам уключэння электроднага парашка ў керамічны матэрыял або ўключэння керамічнага парашка і арыгінальнага электрода. Электрычнае поле і тэмпература з'яўляюцца асноўнымі знешнімі фактарамі, якія ўплываюць на характарыстыкі стомленасці. Даследаванне двух фактараў можа выявіць, што поле мацнейшае за напружанасць каэрцытыўнага поля або высокая частата, што прывядзе да электрычнай стомленасці. Акрамя таго, у пэўным дыяпазоне тэмператур супраціў стомленасці ўзрастае з павышэннем тэмпературы. Калі тэмпература перавышае пэўнае крытычнае значэнне, матэрыял пераходзіць у парамагнітную фазу і з'ява стомленасці знікае.

Чакаецца, што п'езаэлектрычныя керамічныя дысплеі ліквідуюць недахопы сучасных асноўных дысплеяў, успрымальных да электрамагнітных перашкод, мёртвых зон, тручэння і г.д., і маюць шырокія рынкавыя перспектывы. Прывадная сістэма п'езаэлектрычных керамічных дысплеяў можа быць выраблена з дапамогай крэмніевай формы або працэсу электрафарэтычнага нанясення, а п'езаэлектрычная кераміка на аснове свінцу можа быць заменена бессвінцовай п'езаэлектрычнай керамікай са структурай на аснове танталата і тантала. Нягледзячы на ​​пэўны прагрэс у распрацоўцы п'езаэлектрычных керамічных дысплеяў, усё яшчэ існуе шэраг ключавых праблем, звязаных з тэхналагічнымі працэсамі, якія неабходна вырашыць:

(1) Нягледзячы на ​​тое, што характарыстыкі некаторых бессвінцовых п'езаэлектрычных керамічных вырабаў выдатныя, усё яшчэ існуе вялікі разрыў у параўнанні з п'езаэлектрычнымі керамічнымі вырабамі на аснове PZT, і п'езаэлектрычныя ўласцівасці павінны быць дадаткова палепшаны шляхам мадыфікацыі вымярэнняў і паляпшэння працэсу;

(2) Каб гістарэзіс і дакладнасць кампенсацыі паўзучасці п'езаэлектрычнага пераўтваральніка ціску лепш адпавядалі патрабаванням звышвысокадакладнага кіравання пазіцыянаваннем, навукоўцам неабходна дадаткова вывучыць кампенсацыю карэкцыі або эфектыўнае кіраванне з дапамогай эксперыментаў па зніжэнні п'езаэлектрычнага керамічнага драйвера. Уплыў паўзучасці на дакладнасць пазіцыянавання;

(3) У цяперашні час даследаванні стомленасці, выкліканай полем, у асноўным засяроджваюцца на электрычным полі і тэмпературным полі, але даследаванняў поля пад шматполевай сувяззю не хапае, але фактычныя п'езаэлектрычныя керамічныя прылады працуюць ва ўмовах шматполевай сувязі, таму неабходна ўзмацніць вывучэнне механізму стомленасці, выкліканай полем, пры шматпалявой сувязі.