Beskrivelse af transducer af piezokeramisk keramisk materiale

Om piezoelektriske keramiske drivermaterialer viser piezoelektrisk keramik høje krav til egenskaberne af piezoelektriske keramiske materialer, såsom højspændings elektrisk belastningskonstant, højt curiepunkt, høj elektromekanisk koblingskoefficient og højfrekvenskonstant. Den mest udbredte piezoelektriske keramik er PZT (bly zirconate titanate) baseret på Pzt-materiale piezoelektrisk keramisk transducer på grund af dens bemærkelsesværdige piezoelektriske effekt er den høj curie-temperatur, stærk strålingsmodstand og nem integration med halvlederintegrationsteknologi. Men det er skadeligt for den menneskelige krop og miljøet. Derfor begyndte folk at lede efter blyfri piezoelektriske keramiske materialer med fremragende ydeevne.

De mest forskede blyfri piezoelektriske keramiske materialer i ind- og udland omfatter hovedsageligt følgende systemer: bariumtitanat-baseret blyfri piezoelektrisk keramik; bariumtitanat-baseret blyfri piezoelektrisk keramik; tantalatbaseret blyfri piezoelektrisk keramik og tantallagdelt struktur blyfri piezoelektrisk keramik.

Bariumtitanatbaseret blyfri piezoelektrisk keramik

Forskningen og anvendelsen af ​​bariumtitanat (BaTiO3) baseret på blyfri piezo keramiske transducere har været ret modne. Curie-temperaturen for BaTiO3-keramik er imidlertid lav (Tc=120), driftstemperaturområdet er snævert, og ydeevnen af ​​piezoelektrisk keramik er moderat. Det er vanskeligt i høj grad at forbedre de piezoelektriske egenskaber ved dopingmodifikation, og der er en faseovergang nær temperatur. Derfor er dens anvendelse af piezoelektrisk keramik begrænset. Barium strontiumtitanat-baseret blyfrit piezoelektrisk keramisk bariumtitanat og Bi0.5Na0.5TiO3 (BNT) er en typisk repræsentant for titanatserien. BNT har karakteristika af afslappet ferroelektrik, som har relativt stor remanent polarisation og ekstremt højt koercitivfelt (7,5 kV/mm), og har en stor piezoelektrisk koefficient (kt, kp omkring 50%), fremragende ydeevne af dielektrikum såsom lille koefficient (240~340) og god akustisk konstant ydeevne (0NPHz = 320 NPHz). På grund af dets høje koercitive elektriske felt og høje elektriske ledningsevne i det ferroelektriske faseområde er polarisering vanskelig, hvilket gør det vanskeligt at fremstille praktisk piezoelektrisk keramik. For at overvinde manglerne ved BNT piezokeramisk polarisering og vanskeligheden ved at sintre til tætte prøver, tilføjer man en række forskellige perovskitstruktur-doteringspar. BNT modificeres. Ved at introducere elementer som Pb, Ba, Ca, Sr, Mn osv., er BNT's tvangsfeltstyrke for høj, og polarisationsvanskeligheden forårsaget af den høje ledningsevne af BNT ferroelektriske fase undgås, og polariseringen af ​​BNT-materiale er vellykket løst.

Den vismutbaserede blyfri piezoelektriske keramik:

Den bismuth-baserede blyfri piezoelektriske keramik omfatter hovedsageligt NaNbO3, KNbO3, LiNbO3 og lignende. De piezo halvkugle keramiske transducere har fordelene ved lav tæthed, høj akustisk hastighed, stor mekanisk kvalitetsfaktor Qm, stor elektromekanisk koblingskoefficient kp, lav dielektrisk konstant, høj piezoelektrisk ydeevne, stor frekvenskonstant osv., så den tantalat-baserede piezoelektriske keramiske enhed er en foretrukken materialefrekvens. På grund af metalmaterialets flygtighed er det imidlertid vanskeligt at opnå piezokeramik med god kompakthed ved en konventionel keramisk proces, som forringer de keramiske egenskaber. Den tætte NaNbO3-KNbO3 keramik kan opnås ved varmpresning eller isostatisk presseproces, og materialets temperaturstabilitet er stærkt forbedret, og den relative densitet kan nå 99%.

I praktiske applikationer har nogle iboende egenskaber ved keramiske transducere med piezokeramisk cylinder (såsom hysterese, krybning osv.) stor indflydelse på højpræcisionsforskydningskontrol. For at reducere indflydelsen af ​​hysterese af piezoelektrisk keramik på forskydningsoutput har udenlandske forskere foreslået mange kompensationsmetoder. På nuværende tidspunkt er metoden til at eliminere hysterese generelt lukket sløjfestyring i kontrolprocessen. Denne tilstand kræver en ekstra forskydningssensor til at måle forskydningen og sammenligne den med styreenhedens målforskydning for at danne en kompleks kontroljusteringsmekanisme. 

Under påvirkning af vekslende elektrisk felt vil ultralydspolariserede piezotransducere udvise makroskopisk ferroelektrisk nedbrydning på grund af faldet i ferroelektrisk domænevægsaktivitet. Mikrorevner, delaminering eller brud forekommer ofte materialet og felt-induceret træthed. Den iboende årsag skyldes hovedsageligt forskellen i grænsefladen med egenskaber. Den termiske ekspansionskoefficient ved grænsefladen mellem piezokeramikken og elektroden er anderledes, eller der er en kemisk reaktion, som negativt påvirker træthedsydelsen af ​​den piezoelektriske keramik. Grænsefladebindingskraften forbedres væsentligt ved at inkorporere elektrodepulveret i det keramiske materiale eller ved at inkorporere det keramiske pulver og den originale elektrode. Elektrisk felt og temperatur er de vigtigste eksterne faktorer, der påvirker træthedsydelsen. En undersøgelse af to faktorer kan konstatere, at feltet er stærkere end tvangsfeltstyrken eller frekvensen er høj, hvilket vil forårsage elektrisk træthed. Derudover stiger træthedsmodstanden i et bestemt temperaturområde med stigende temperatur. Når temperaturen overstiger en vis kritisk værdi, går materialet ind i den paramagnetiske fase, og træthedsfænomenet forsvinder.

Piezoelektriske keramiske skærme forventes at overvinde manglerne ved nuværende mainstream-skærme, der er modtagelige for elektromagnetisk interferens, døde punkter, ætsning osv., og har brede markedsudsigter. Aktuatorarrayet af piezoelektriske keramiske displays kan fremstilles ved en siliciumstøbeproces eller en elektroforetisk aflejringsproces, og en blybaseret piezoelektrisk keramik kan erstattes af en blyfri piezoelektrisk keramik med en tantalatbaseret og tantalstruktureret struktur. På trods af nogle fremskridt i udviklingen af ​​piezoelektriske keramiske skærme er der stadig en række vigtige procesteknologiske problemer, der skal løses:

(1) Selvom ydeevnen af ​​nogle blyfri piezoelektriske keramik er fremragende, er der stadig et stort hul sammenlignet med PZT-baseret piezoelektrisk keramik, og de piezoelektriske egenskaber bør forbedres yderligere ved at måle modifikation og procesforbedring;

(2) For at gøre hysteresen og krybekompensationsnøjagtigheden af ​​den piezoelektriske tryktransducer bedre til at opfylde kravene til positioneringskontrol med ultrahøj præcision, skal forskerne yderligere studere korrektionskompensationen eller effektiv kontrol gennem eksperimenter for at reducere den piezoelektriske keramiske driver. Krybningens indflydelse på positioneringsnøjagtigheden;

(3) På nuværende tidspunkt fokuserer feltinduceret træthedsforskning for det meste på det elektriske felt og temperaturfelt, men forskningen på feltet under multi-field kobling mangler, men de faktiske piezoelektriske keramiske enheder arbejder under multi-field koblingsforhold, så det er nødvendigt at styrke studiet af den felt-inducerede træthedsmekanisme under multi-field kobling.