Anvendelse af bly zirconate titanate (PZT) brugt til piezoelektrisk aktuator

1 Indledning 

Smarte materialer omfatter sansematerialer og kørematerialer. Perceptuelle materialer er en klasse af materialer, der har en følefunktion for ekstern eller intern stress, belastning, varme, lys, elektricitet, magnetisme, strålingsenergi og kemiske mængder. De kan bruges til at lave forskellige sensorenheder; Materialer, der reagerer på miljøforhold eller interne ændringer og udfører handlinger, der kan bruges til at lave en række forskellige drevenheder. Smart-enheden er en piezo-aktuator med en følende drivfunktion lavet af smarte materialer. Den intelligente struktur er sammensat af materialer og enheder. Den integrerer sansning, signalbehandling, kontrol og kørsel i et materialesystem eller strukturelt system. Det kan fornemme miljøet eller interne parametre, behandle information, udstede kommandoer, udføre og fuldføre handlinger. at opnå selvdiagnose, selvhelbredende og adaptive funktioner. Anvendelsen af ​​intelligente materialesystemer og strukturer er meget omfattende, ikke kun i forsvars-forsvarsvåben som flyvemaskiner, krigsskibe osv., men også i strategisk vigtige områder af den nationale økonomi, især på højteknologiske områder. De vigtigste materialer, der i øjeblikket færdiggør smarte materialesystemer og strukturer, er formhukommelsesmaterialer, piezoelektriske materialer (herunder piezoelektriske keramik, piezoelektriske polymerer), elektrostriktive materialer, optiske fibre og elektroreologiske varianter, magnetoreologiske varianter og lignende. Brugen af ​​disse smarte materialer, kombineret med smart og sofistikeret kompositdesign og fremstilling, hvilket resulterer i et materialesystem og struktur, der er drevet, sanset og kontrolleret.

Piezoelektriske materialer er en stor klasse af materialer i smarte materialesystemer og strukturer. En dielektrisk krystal af piezoelektrisk keramisk transducer med en piezoelektrisk effekt vil blive polariseret og danne en overfladeladning under påvirkning af mekanisk belastning. Hvis en sådan dielektrisk krystal placeres i et elektrisk felt, vil virkningen af ​​det elektriske felt forårsage en relativ forskydning af de positive og negative ladningscentre inde i dielektrikumet for at forårsage deformation. . Da det piezoelektriske materiale har de ovennævnte karakteristika, kan ensartetheden af ​​det følende piezoelement og aktionselementet opnås. Piezoelektriske materialer kan bruges i vid udstrækning i smarte materialer og strukturer, især til selvdiagnosticering af materielle skader, selvtilpasning, vibrationsreduktion og støjkontrol. De udviklede typer af piezoelektriske materialer, herunder enkeltkrystal, polykrystallinsk, mikrokrystallinsk glas, organiske polymerer og kompositmaterialer. Siden 1980'erne, med slutningen af ​​klimakset for piezoelektriske keramiske materialer fra udviklingen af ​​binære systemer til ternære og multikomponentsystemer, har forskningen i piezoelektriske materialer været langsom. Med den hurtige udvikling af videnskab og teknologi har udviklingen og udforskningen under efterspørgslen efter anvendelse givet ny impuls til forskningen i piezoelektriske materialer. Sammen med den utrættelige indsats fra videnskabs- og teknologiarbejdere inden for grundlæggende forskning og forbedring af produktionsprocesser har den nye form for pres været i det sidste årti. Den kontinuerlige fremkomst af elektriske materialer har gjort forskningen i piezoelektriske materialer.

2 Oversigt over piezoelektriske materialer

I den piezoelektrisk keramikkrystal , asymmetrien af ​​arrangementet af de positive og negative ioner og ikke-sammenfaldet af tyngdepunktet af enhedens positive og negative ladninger danner et elektrisk dipolmoment. Disse elektriske dipolmomenter er justeret i en bestemt retning for at blive en domænestruktur, og domænerne er uordnede på krystallen. polarisationseffekterne ophæver hinanden, polariseringen i materialet er nul, og polarisationsretningen af ​​domænet polariseret af det elektriske DC-felt har tendens til at være i samme retning. Når en ekstern kraft virker på det piezoelektriske materiale for at forårsage deformation, er materialet positivt og negativt bundet. Ladningens tonehøjde bliver mindre, og polarisationsintensiteten bliver også mindre. Den frie ladning, der oprindeligt er adsorberet på elektroden, frigives delvist, og udladningsfænomenet opstår, som kaldes den positive piezoelektriske effekt; et elektrisk felt med en vis intensitet påføres de to poler af det piezoelektriske materiale, og på chippen bliver den positive og negative ladningsafstand større, polarisationsintensiteten bliver også større, og nogle frie ladninger adsorberes på elektroderne for at forårsage opladningsfænomen. Den elektriske ladning bevæger sig i kredsløbet for at udsende mekanisk energi eksternt, hvilket kaldes på den omvendte piezoelektriske effekt.

2.3 Fremstillingsmetode for piezoelektrisk materiale

For forskellige piezoelektriske materialer vælges en passende fremstillingsmetode i henhold til dens anvendelse, egenskaber. Fremstillingsmetoden er opdelt i en fastfasemetode, en flydende fasemetode og en gasfasemetode alt efter den fase af fasen, der opstår under tilberedning.

2.3.1 Fastfasemetoden

Når PZT piezo fremstilles ved den traditionelle fastfasemetode, vil sintringstemperaturen højere end 1200 °C forårsage fordampning af PbO. Det er svært at kontrollere det støkiometriske forhold, hvilket gør materialets mikrostruktur og elektriske egenskaber svære at kontrollere. Det er velegnet til råmaterialer, enkel proces og piezoelektriske materialer. Hvor ydeevnekravene ikke er høje.

2.3.2 Væskefasemetode

Fremstillingen af ​​piezoelektriske materialer ved væskefasemetoden er i øjeblikket den mest almindeligt anvendte metode, herunder co-præcipitationsmetode, hydrotermisk syntesemetode, sol-gel-metode, alkoxidhydrolysemetode og lignende. Samudfældningsmetoden muliggør lavtemperatursintring for at opnå et piezoelektrisk materiale med en højere densitet end den teoretiske densitet. Samudfældningsmetoden brugte en 700 graders temperaturprogrammeret ristningsmetode til at fremstille BaT iO3-pulver med en partikelstørrelse på 60nm. Forskerne i USA brugte en co-fældningsmetode kombineret med en frysetørringsproces til at syntetisere PZ T-pulver i nanostørrelse ved 800 grader. Sintring gav et materiale med en teoretisk densitet på 98%. I undersøgelsen blev N b2 O 5 og Ta 2 O5 brugt som precursor-reaktanter, og KT aN b O3 keramiske pulvere blev fremstillet ved hydrotermisk metode og solvent termisk metode. Den sintrede piezoelektriske keramik blev undersøgt. Koblingskoefficienten når 0,5, og den piezoelektriske koefficient d 33 er mellem 150 ~ 450p C / N. Den hydrotermiske metode kræver dog højere temperatur og tryk, og udstyrsinvesteringen er stor, hvilket begrænser anvendelsen af ​​metoden. Sol-gel metoden er den mest almindeligt anvendte metode i væskefasemetoden. Højtydende film kan fremstilles med sol-gel kombineret med forskellige støbe- og sintringsprocesser.

2.3. 3 gasfase metode

Gasfasemetoden er velegnet til fremstilling af piezoelektriske film i nanoskala, hovedsageligt fysisk dampaflejring og kemisk dampaflejring. Blandt dem er sputtermetoden den mest almindeligt anvendte metode. APt/Ti-bundelektroden blev afsat på Si2/Si-substratet ved en målforstøvningsmetode, og en PZT-film med en tykkelse på ca. 800 mm blev fremstillet ved radiofrekvensforstøvning (RF). Kemisk dampaflejring kan præcist kontrollere den kemiske sammensætning af reaktionsproduktet, og det er praktisk at dope, men det er vanskeligt at opnå et passende gaskildemateriale, som ikke er egnet til lavpris, stort volumen fremstilling af en film, og som praktisk talt bruges mindre.