Aplikace zirkoničitanu titaničitanu olova (PZT) používaného pro piezoelektrický aktuátor

1 Úvod 

Mezi chytré materiály patří snímací materiály a hnací materiály. Vnímací materiály jsou třídou materiálů, které mají funkci snímání vnějšího nebo vnitřního napětí, napětí, tepla, světla, elektřiny, magnetismu, zářivé energie a chemických veličin. Mohou být použity k výrobě různých senzorových zařízení; Materiály, které reagují na podmínky prostředí nebo vnitřní změny a provádějí akce, které lze použít k výrobě různých pohonných zařízení. Chytré zařízení je piezoelektrický aktuátor s funkcí snímání pohonu vyrobený z chytrých materiálů. Inteligentní struktura se skládá z materiálů a zařízení. Integruje snímání, zpracování signálu, řízení a řízení do materiálového systému nebo konstrukčního systému. Dokáže snímat prostředí nebo vnitřní parametry, zpracovávat informace, vydávat příkazy, provádět a dokončit akce. k dosažení samodiagnostických, samoléčebných a adaptivních funkcí. Uplatnění inteligentních materiálových systémů a struktur je velmi rozsáhlé, a to nejen v obranně-obranných zbraních jako jsou letadla, válečné lodě apod., ale i ve strategicky důležitých oblastech národního hospodářství, zejména v high-tech oborech. Hlavními materiály v současnosti doplňujícími systémy a struktury inteligentních materiálů jsou materiály s tvarovou pamětí, piezoelektrické materiály (včetně piezoelektrické keramiky, piezoelektrických polymerů), elektrostrikční materiály, optická vlákna a elektroreologické varianty, magnetoreologické varianty a podobně. Použití těchto chytrých materiálů v kombinaci s chytrým a sofistikovaným kompozitním designem a výrobou vede k materiálovému systému a struktuře, které jsou poháněny, snímány a kontrolovány.

Piezoelektrické materiály jsou hlavní třídou materiálů v inteligentních materiálových systémech a strukturách. Dielektrický krystal piezoelektrický keramický měnič s piezoelektrickým efektem bude při působení mechanického namáhání polarizován a tvořit povrchový náboj. Pokud je takový dielektrický krystal umístěn v elektrickém poli, působení elektrického pole způsobí relativní posunutí kladných a záporných nábojových center uvnitř dielektrika, což způsobí deformaci. . Protože piezoelektrický materiál má výše uvedené charakteristiky, lze dosáhnout stejnoměrnosti snímacího piezo prvku a akčního prvku. Piezoelektrické materiály mohou být široce používány v chytrých materiálech a konstrukcích, zejména pro autodiagnostiku poškození materiálu, vlastní adaptaci, redukci vibrací a kontrolu hluku. Typy vyvinutých piezoelektrických materiálů včetně monokrystalu, polykrystalického skla, mikrokrystalického skla, organických polymerů a kompozitních materiálů. Od 80. let 20. století, s koncem vyvrcholení piezoelektrických keramických materiálů od vývoje binárních systémů k ternárním a vícesložkovým systémům, je výzkum piezoelektrických materiálů pomalý. S rychlým rozvojem vědy a techniky dal vývoj a průzkum podle požadavků aplikace nový impuls výzkumu piezoelektrických materiálů. Spolu s neutuchajícím úsilím pracovníků vědy a techniky o základní výzkum a zlepšování výrobních procesů jde v posledním desetiletí o nový typ tlaku. Neustálý vývoj elektrických materiálů způsobil výzkum piezoelektrických materiálů.

2 Přehled piezoelektrických materiálů

V piezoelektrický keramický krystal , asymetrie uspořádání kladných a záporných iontů a neshoda těžiště kladných a záporných nábojů jednotky tvoří elektrický dipólový moment. Tyto elektrické dipólové momenty jsou uspořádány v určitém směru, aby se staly doménovou strukturou, a domény jsou na krystalu neuspořádané. polarizační efekty se navzájem ruší, polarizace v materiálu je nulová a směr polarizace domény polarizované stejnosměrným elektrickým polem má tendenci být ve stejném směru. Když vnější síla působí na piezoelektrický materiál, aby způsobila deformaci, materiál je pozitivně a negativně vázán. Rozteč náboje se zmenšuje a intenzita polarizace se také zmenšuje. Volný náboj původně adsorbovaný na elektrodě se částečně uvolní a dojde k jevu výboje, který se nazývá pozitivní piezoelektrický jev; elektrické pole určité intenzity je aplikováno na dva póly piezoelektrického materiálu a na čipu se kladný a záporný nábojový rozteč zvětší, intenzita polarizace se také zvětší a některé volné náboje se adsorbují na elektrodách, aby způsobily nabíjecí jev. Elektrický náboj se pohybuje v obvodu a vydává mechanickou energii externě, což se nazývá inverzní piezoelektrický jev.

2.3 Způsob přípravy piezoelektrického materiálu

Pro různé piezoelektrické materiály se volí vhodný způsob přípravy podle jeho použití, vlastností . Způsob přípravy se dělí na metodu v pevné fázi, metodu v kapalné fázi a metodu v plynné fázi podle fáze fáze, ke které dochází během přípravy.

2.3.1 Metoda na pevné fázi

Když se PZT piezo připravuje tradiční metodou na pevné fázi, teplota slinování vyšší než 1200 °C způsobí těkání PbO. Je obtížné řídit stechiometrický poměr, což ztěžuje kontrolu mikrostruktury a elektrických vlastností materiálu. Je vhodný pro suroviny, jednoduchý proces a piezoelektrické materiály. Kde požadavky na výkon nejsou vysoké.

2.3.2 Metoda v kapalné fázi

Příprava piezoelektrických materiálů metodou v kapalné fázi je v současnosti nejpoužívanější metodou, včetně metody koprecipitace, metody hydrotermální syntézy, metody sol-gel, metody hydrolýzy alkoxidu a podobně. Metoda koprecipitace umožňuje nízkoteplotní slinování pro získání piezoelektrického materiálu s vyšší hustotou, než je teoretická hustota. Koprecipitační metoda používala metodu pražení při teplotě 700 stupňů k přípravě prášku BaT iO3 s velikostí částic 60 nm. Vědci ve Spojených státech použili koprecipitační metodu kombinovanou s procesem lyofilizace k syntéze prášku PZ T nano velikosti při 800 stupních. Slinováním se získal materiál s teoretickou hustotou 98 %. Ve studii byly jako prekurzorové reaktanty použity N b2 O 5 a T a 2 O5 a keramické prášky KT aN b O3 byly připraveny hydrotermální metodou a rozpouštědlovou termální metodou. Byla studována slinutá piezoelektrická keramika. Koeficient vazby dosahuje 0,5 a piezoelektrický koeficient d 33 je mezi 150 ~ 450 p C / N. Hydrotermální metoda však vyžaduje vyšší teplotu a tlak a investice do zařízení jsou velké, což omezuje použití metody. Metoda sol-gel je nejběžněji používanou metodou v metodě kapalné fáze. Vysoce výkonné filmy mohou být připraveny sol-gel kombinovaným s různými formovacími a slinovacími procesy.

2.3. 3 metoda v plynné fázi

Metoda v plynné fázi je vhodná pro přípravu piezoelektrických filmů v nanoměřítku, zejména fyzikální napařovací a chemickou parní depozici. Mezi nimi je nejčastěji používaná metoda naprašování. Spodní elektroda APt/Ti byla nanesena na substrát Si2/Si metodou terčového naprašování a PZT film o tloušťce přibližně 800 mm byl připraven radiofrekvenčním (RF) naprašováním. Chemickou depozicí z plynné fáze lze přesně řídit chemické složení reakčního produktu a je vhodné dopovat, ale je obtížné získat vhodný materiál zdroje plynu, který není vhodný pro nízkonákladovou velkoobjemovou přípravu filmu a prakticky se méně používá.