Několik problémů při přípravě piezoelektrické keramiky PZT

Piezoelektrická keramika PZT se vyznačuje vysokou Curieovou teplotou, silnou piezoelektrikou, snadnou modifikací dopingu a dobrou stabilitou. Od 60. let minulého století je žhavým bodem pozornosti a výzkumu a dominuje v oblasti piezoelektrické keramiky. Z hlediska procesu přípravy piezoelektrické keramiky PZT má na kvalitu výrobků PzT největší vliv syntéza prášku Pzt a zhušťovací slinování. Ultrajemný prášek PzT má výhody jemné velikosti částic, velkého specifického povrchu a vysoké reaktivity, což může snížit teplotu slinování, snížit těkání olova, zajistit přesnou stechiometrii a zlepšit výkon produktů PZT. Proto se příprava ultrajemného prášku PZT stala podvodní piezo trubice . Těžiště výzkumu elektrokeramiky. V posledních letech bylo vyvinuto mnoho nových metod pro studium ultrajemné práškové přípravy PZT. Kromě tradiční metody fáze-fáze zahrnuje metoda na pevné fázi metodu mikrovlnného záření, mechanicko-chemickou metodu portu a metodu reakčního slinování. Metoda v kapalné fázi má výhody nízké teploty syntézy, jednoduchého vybavení, snadné obsluhy, nízkých nákladů atd., a která se používala pro přípravu prášku PZT, jako je metoda sol-gel, hydrotermální metoda, metoda srážení'. Stále však existuje mnoho nedostatků v přípravě a výkonu piezoelektrické keramiky PZT, včetně aglomerace prášku, stechiometrie a snadného stárnutí, jako jsou diskutované problémy s vývojem a řešením výše uvedených problémů vlastností produktu. jsou předloženy některé návrhy pro vývoj piezoelektrické keramiky Pzt.

1 prášková aglomerace

Aglomerace prášku obecně zahrnuje měkkou aglomeraci a tvrdou aglomeraci. Měkká aglomerace je tvořena zesílením a interakcí van der Waalsovy síly, elektrostatické přitažlivosti a kapilární síly mezi částicemi, když se velikost částic prášku zmenšuje; tvrdá aglomerace je způsobena chemicky vázanou vazbou mezi skupinami. Tato akce vytváří přemosťující kyslíkovou vazbu a přemosťující kyslíkový řetězec mezi částicemi interaguje a tvoří se. Problém aglomerace je nejdůležitějším faktorem ovlivňujícím vynikající výkon ultrajemného prášku PzT a také značně ovlivňuje kvalitu produktů PZT. Materiály PZT jsou totiž funkční materiály. Základní požadavky na syntetické prášky jsou vysoká čistota, ultrajemnost, rovnoměrná distribuce velikosti částic, dobrá disperze, stechiometrická přesnost a rovnoměrné dopování. Navíc. Výskyt aglomerace při syntéze bismutu z piezokeramických trubek PZT povede ke snížení objemové hmotnosti a nerovnoměrné morfologii a zavede velké množství pórů, které mají za následek nerovnoměrnou mikrostrukturu, což vážně ovlivňuje hustotu slinutého tělesa a může také vést k druhému procesu slinování. Sekundární rekrystalizace, čímž se snižují piezoelektrické a termoelektrické vlastnosti výrobku PZT. Proto je snížení nebo zamezení aglomerace při syntéze ultrajemného prášku PzT předpokladem pro přípravu vysoce výkonné piezoelektrické keramiky PZT. Aglomerace při přípravě prášku PZT zahrnuje dvě formy měkké a tvrdé aglomerace. Mechanismus aglomerace je také odlišný pro různé způsoby přípravy prášku. Tradiční metoda na pevné fázi pro syntézu prášku PZT se vyznačuje opakovaným mletím v kulovém mlýnu a vysokou teplotou kalcinace. Opakované mletí v kulovém mlýnu nejen zavádí nečistoty, ale také nadměrné mletí vede k tvorbě aglomerací. Zejména vyvinutá mechanochemická metoda využívá hlavně mechanickou energii k dokončení syntézy fáze PZT a doba koule je dlouhá jako nebe. Je snazší zanést nečistoty a způsobit aglomeraci prášku. Nadměrná teplota kalcinace může také způsobit aglomeraci prášku. K syntéze prášku PZT se používá metoda v kapalné fázi. Protože částice pevné fáze se tvoří v kapalné fázi, obecně podléhají nukleaci, růstu, koalescenci a aglomeraci. Proto může být aglomerovaná struktura vytvořena, když se jedná o částici pevné fáze vytvořené v kapalné fázi. Kvůli Brownovu pohybu jsou částice blízko sebe. Když je kinetická energie mezi částicemi větší než bariéra tvořící aglomerát, mezi jemnými částicemi působením pohybu se opět vzájemně spojí. Za druhé, v procesu separace pevná látka-kapalina s odstraněním poslední části kapalné fáze jsou částice pevné fáze přiblíženy k sobě v důsledku povrchového napětí. Zejména syntéza prášku PZT s vodou jako rozpouštědlem. Stopy vody, které nakonec zůstanou mezi částicemi, spojí částice a částice pevně dohromady vodíkem. Kromě toho se připravený práškový prekurzor PZT obecně kalcinuje při 500 až 700 ° C, což může také způsobit aglomeraci prášku a může také způsobit, že vytvořené aglomeráty zhorší tvorbu aglomerovaných struktur v důsledku místního slinování. Je vidět, že prášek P ZT se připravuje koprecipitační metodou. Každá fáze koprecipitace, růstu zrn až po oplachování, sušení a kalcinaci sraženiny může vést k růstu částic a tvorbě aglomerátů. Podle tvorby aglomerace lze snížení nebo zamezení růstu částic a aglomeraci při přípravě ultrajemného prášku PZT zvažovat z následujících hledisek: jedním je oddělení procesu tvorby zárodků a růstu, podpora tvorby zárodků, kontrola růstu; zajistit vysokou rychlost nukleace deset rychlostí růstu, to znamená zajistit, aby byl prekurzor prášku PZT generován při velkém stupni podchlazení nebo vysokém přesycení. Druhým je zamezení aglomerace prášku PZT. To zahrnuje jak inhibovat tvorbu aglomerace během přípravy prášku a jak eliminovat aglomeraci po aglomeraci. Způsob inhibice aglomerace během přípravy prášku zahrnuje: (1) výběr vhodných reakčních podmínek (jako je hodnota PH, reakční koncentrace a teplota); (2) speciální úprava během syntézy nebo sušení prášku; včetně procesu syntézy prášku se přidá povrchově aktivní látka a filtruje se s organickým rozpouštědlem a povrchové napětí povrchově aktivní látky je nízké. Proto lze získat práškový prekurzor s lehčím stupněm aglomerace; v procesu sušení je použit speciální proces sušení, zejména lyofilizace, superkritické sušení a sušení v infračerveném paprsku atd. Základním principem je odstranění plyn-kapalina s velkým povrchovým napětím. Rozhraní nebo částice jsou pevné a nemohou být blízko sebe. Například lyofilizace spočívá v použití nízké teploty a podtlaku k sublimaci surového kapalného média zmrazeného na pevnou fázi pod negativním tlakem, protože částice pevné fáze jsou zmrazeny v surovém kapalném médiu. A v kapiláře mezi částicemi není žádné rozhraní plyn-kapalina s velkým povrchovým napětím, čímž se předchází problému silné aglomerace způsobené kapalinovým můstkem.

(3) Vyberte nejlepší podmínky kalcinace nebo použijte speciální procesy, jako je použití mikrovlnného ohřevu bez přenosu tepla, vysoká energetická účinnost a další charakteristiky k nahrazení tradiční vysokoteplotní elektrické pece při 600 °C. c .Byl získán jednosložkový prášek PZT. Způsoby pro eliminaci aglomerace po vytvoření aglomerátů jsou ukládání nebo sedimentace, mletí a ultrazvukové zpracování, přidání dispergačního činidla a podobně. Například Wang Xicheng ' používá kovové alkoxidy a dusičnany jako suroviny, přísně kontroluje vytváření koprecipitace, promývání a podmínky výběru disperze, používá technologii lyofilizace a poté podstupuje přiměřený proces kalcinace, aby se vytvořilo jednotné složení bez tvrdé aglomerace. Tělo, jediná perovskitová fáze, vysoká slinovací aktivita mikronového lisování (52postatický tvarovaný  za studena) Pzder (cIP) technologie, zhušťovacího slinování lze dosáhnout při 800 ° C a je dosaženo jeho relativní hustoty.

Vliv stechiometrické stechiometrie na kvalitu výrobků PZT zahrnuje zejména aspekty z: Za prvé, těkání olova během procesu slinování piezoelektrické keramiky PZT způsobuje odchylku součástí od přesné stechiometrie a snižuje se výkonnost výrobků; na druhé straně zr/ ve složkách. Kolísání Ti ovlivňuje stabilitu výkonu produktu PzT. Těkavost olova je obecně považována za důsledek vysoké teploty slinování piezoelektrické keramiky PZT. Oxid olovnatý má relativně vysoký tlak nasycených par v prostředí s vysokou teplotou, což vede k těkání olova. Čím vyšší je tlak nasycených par, tím snadněji se olovo odpařuje a zr s rostoucím /Ti se zvyšuje teplota slinování piezoelektrické keramiky PZT a postupně se zvyšuje tlak nasycených par oxidu olovnatého. Ztráta olova bude vážnější, takže piezoelektrická keramika s vysokým zr/Ti PzT se obtížněji spéká a příliš nízký parciální tlak kyslíku během slinování povede k těkání olova. Materiál PZT připravený konvenční metodou na pevné fázi má teplotu spékání obecně 1200 °C v důsledku nízké aktivity syntetického prášku. Je snadné způsobit velké množství těkání olova, výkon produktu není vysoký, takže metoda PZT produktů na pevné fázi obtížně splňuje vysoké požadavky na výkon v oblasti použití. V současné době jsou hlavní opatření, která přijímají materiáloví výzkumníci doma i v zahraničí pro těkání olova, následující: Nejprve se do syntézy prášku přidává nadměrné množství olova. Je přidáno přebytečné olovo. V počáteční fázi slinování lze v důsledku tvorby kapalné fáze zvětšit kontaktní plochu reaktantů, urychlit rychlost difúze zirkonia, titanu a dopantů a zlepšit stejnoměrnost produktu; vytvořená kapalná fáze může také urychlit difúzní pohyb rozpouštění a srážení, což vede k přeskupení a těsnému shlukování částic, urychluje zhuštění produktu. Pokud je však množství přidaného olova příliš velké, přebytečné olovo se na jedné straně usadí na krystalu, což sníží výkon produktu. Na druhou stranu to snadno způsobí, že místní koncentrace titanu v PzT složce bude příliš vysoká a rozpustnost v kapalné fázi oxidu olovnatého je velká, suchý zrOz. Rozpustnost, což má za následek vysoký lokální obsah titanu v produktu PZT po slinování, zejména na hranici zrn. Tím je ovlivněna jednotnost mikrostruktury produktu a snížena výkonnost produktu. Přídavek přebytečného olova ovlivňuje mechanické vlastnosti piezoelektrických keramických součástí PZT: když je ve výrobku nadměrný obsah olova, lomový režim je transgranulární lom. Za druhé, v procesu slinování produktu se podle mechanismu těkání olova přijímá přiměřený systém slinování a zvláštní opatření. Široce se používá k přidání vrstvy slinovací atmosféry a dvouvrstvé vizmutové techniky ke spékání a řízení slinovací atmosféry tak, aby byla oxidační atmosférou. To sníží těkání olova a zabrání zčernání produktu. V redukční atmosféře se Ti snadno redukuje na T1 ̈, aby produkt ztmavl.

Třetím je přidání přiměřeného množství dopantů. Doping snižuje těkání olova a na druhé straně zlepšuje výkonnost produktu PzT. Čtvrtým je další studium syntézy vysoce aktivního prášku PZT, aby bylo možné piezoelektrickou keramiku PZT zhušťovat a slinovat při teplotě nižší, než je teplota olova. Kromě toho je třeba dále studovat mechanismus těkání olova. Teplota těkání oxidu olovnatého při hydrotermální syntéze prášku PzT je 924,71. c, a reakční teplotu mezi částicemi ̈ . Reakční teplota mezi práškovými částicemi PZT syntézy na pevné fázi při 26 ° C byla 47. c. Oxidační teplota oxidu olovnatého je 29 ° C; nejnižší eutektická teplota systému P ZT je 838. c. Je vidět, že je třeba přijmout přiměřená procesní opatření podle mechanismu těkání olova a způsobu přípravy prášku PZT, aby se snížilo těkání olova a zlepšily se vlastnosti produktů PZT.

5 Doping

Studie ukázaly, že výkonnost produktu PZT úzce souvisí. V současné době se pro studium materiálů PZT zr/Ti koncentruje především v rozmezí 53/47 a 95/5. Avšak spoléhání se pouze na různé zr/T- ke zlepšení výkonu produktů PZT nemůže splnit požadavky produktů PZT v různých oblastech. Je také nutné zlepšit produkty výběrem vhodného množství příměsí na bázi zr/Tl. při současném snížení vlivu kolísání zr/Ti na výkonnostní stabilitu výrobků pzt. Aditivum může být vzájemně rozpustné v hlavní krystalové mřížce a může se vysrážet na hranici zrn ve formě druhé fáze. když je vzájemně rozpustné, lze výkon nebo strukturu hlavní krystalické fáze měnit podle množství přídavku; když není vzájemně rozpustný. Jako druhá fáze je ovlivněna hranice zrn, která ovlivňuje vazebnou sílu nebo vlastnost hranice zrn mezi krystalovými zrny. Mezi hlavní účinky dopingu patří tvorba vakancí, inhibice růstu zrn, tvorba bovinní kapalné fáze a rozšiřování teplotního rozsahu slinování. Současně lze podle úlohy dopantu v piezoelektrické keramice PZT rozdělit na tři typy: donorový doping, akceptorový doping a variabilní iontový doping. Ve studii dopingové modifikace piezoelektrické keramiky PZT byly ve velkém množství studovány La, Mn2- a Nb. Byl studován vliv dopovaného Nbzos na materiál PzT65/35 připravený metodou na pevné fázi. Bylo zjištěno, že přídavek niobu významně podpořil zhuštění a slinování a inhiboval růst niobu se zvýšením obsahu niobu v důsledku Nb0. Zesílení oktaedrického elektrostatického působení způsobuje namáhání kmene kosočtverečné základní buňky PzT. Základní buňka má tendenci být na povrchu napnutá, což usnadňuje polarizaci produktu a také přispívá ke zlepšení jeho vlastností proti stárnutí. Hranice 'rozpustnosti' v materiálu PZT je 7 mol%. Když je množství menší než 7. jsou hliník a krystalická mřížka perovskitu zcela vzájemně rozpustné. V tomto okamžiku je produkt zcela ve fázi perovskitu. Vykazuje vlastnosti dárcovských nečistot; když se přidá v množství větším než 7 mol, přebytek ruthenia bude reagovat s olovem nebo titanem, což vede k produkci druhé fáze, jako je fluoritová fáze, která snižuje dielektrické a piezoelektrické vlastnosti výrobku. Vliv na mikrostrukturu a piezoelektrické vlastnosti PZT materiálů a valenční stav manganu v PZT materiálech byl stanoven pomocí EsR. Výsledky ukazují, že rozpustnost manganu v Pz-butylových materiálech je převážně ve formě Mn a Mn5+. 1,5nlol', při obsahu manganu 15 mol, přebytek Mn se bude hromadit na hranici zrn, čímž se sníží piezoelektrická aktivita produktu. Souhrnně lze říci, že u různých typů příměsí je výzkum zaměřen na úplné rozpuštění hlavní krystalické fáze PZT hledáním vhodného přídavného množství, zlepšením vlastností produktu, zabráněním nadměrnému dopování a rozkladu hranic zrn nebo vytvořením druhé fáze. Ke snížení výkonu produktu. Kromě toho se současný výzkum modifikace dopingu zaměřuje především na metodu přípravy materiálu PZT na pevné fázi a je dotován oxidovou pevnou fází, takže je obtížné zajistit jednotnost složek a přesnou stechiometrii. Jak dosáhnout homogenního dopingu bude jedním z budoucích směrů výzkumu piezoelektrické keramiky PZT.

4. Stárnutí

Stárnutí se týká charakteristiky, že parametry elektrického výkonu článků PZT se mění s časem. Víme, že piezoelektrická keramika PZT patří ABO. Struktura perovskitu se skládá ze tří krystalických fází kubické, tetragonální a romboedrické. Podle zr/T1 lze vyrobit různé krystalové fáze a aktivovaným kationtem je iont typu A. Pod Curieovou teplotou vstupují ionty typu A nebo B do určité polohy, produkují spontánní polarizaci a tvoří domény, ale úhel mezi sousedními doménami může být pouze 90 nebo 180. To je způsobeno buď Spontánní polarizace struktury feroelektrické domény umožňuje orientaci ekvivalentní k ose feroelektrické polarizační osy v prototypové struktuře těla feroelektrika. Současně je struktura feroelektrické domény také omezena spontánním namáháním krystalu. Fáze musí zajistit, že spontánní deformace generovaná sousedními doménami v doménových stěnách může být kompatibilní, takže úhel sousedních domén F může být pouze 90 nebo 180. Současně musí být slinuté piezokeramické výrobky pod silným stejnosměrným proudem. Působením pole je spontánní polarizace každé domény nucena být zarovnána, čímž se generuje zbytková polarizace, to znamená, že vykazuje piezoelektrický efekt. Polarizované PZT piezoelektrický keramický disk je nucen pronásledovat vnitrobuněčnou poruchu v důsledku polarizačního elektrického pole. Uspořádání 90 prověšení a 180. doménového řízení, řádné uspořádání a osa spontánní polarizace v základní buňce je o něco delší než osa nespontánní polarizace a deformační šachta generuje velké vnitřní napětí při otáčení. Po odstranění vnějšího elektrického pole toto vnitřní napětí způsobí vnitřní nerovnováhu základní buňky. a uložit více vnitřní energie, což vede k otočení o 90. Nová doména je obnovena do neuspořádaného uspořádání před polarizací, aby se postupně uvolnilo vnitřní napětí. Zbytková polarizace tedy souvisí s těmito . Podle toho se budou měnit i neuspořádané a postupně klesající dielektrické a piezoelektrické parametry. Je vidět, že porucha nových domén je kořenem mechanismu stárnutí. Zákony stárnutí obecně zahrnují lineární, nelineární a postupné. Existují tři typy téměř lineárního. Mezi faktory ovlivňující stárnutí výrobků PZT patří vnější a vnitřní faktory. Vnější faktory souvisí s prostředím použití. Vnitřní faktory, jako je teplota a vlhkost, úzce souvisí se strukturou domény a pohybem domény, což je způsobeno vysokým elektrickým polem. Proces polarizační inverze je dokončen pohybem doménových stěn a generováním a pohybem nových doménových stěn. Struktura domény je úzce spjata s mikrostrukturou po slinování, jako je velikost zrna, hranice zrn atd. Když je velikost zrna malá. Když je velikost stěny domény podobná, vývoj struktury feroelektrické domény a pohyb stěny domény bude znemožněn. Konkrétně, jak se zvětšuje velikost zrna, objemový podíl hranice zrn klesá a vazba mezi hranicí zrn a stěnou domény se zmenšuje. Orientace domény je obtížnější a pohyb stěny domény je silně potlačen, takže polarizace zbytků a dielektrická konstanta se zvyšují s rostoucí velikostí zrna a síla koercitivního pole klesá. Tloušťka a vlastnosti hranice zrn mají také vliv na doménovou strukturu. Hranice zrn je příznivá pro vývoj domény přes hranici zrn a zlepšuje piezoelektřinu produktu.