استفاده از سرب زیرکونات تیتانات (PZT) مورد استفاده برای محرک پیزوالکتریک

1 مقدمه 

مواد هوشمند شامل مواد حسگر و مواد محرکه است. مواد ادراکی دسته ای از مواد هستند که عملکرد حسی برای تنش خارجی یا درونی، کرنش، گرما، نور، الکتریسیته، مغناطیس، انرژی تابشی و کمیت های شیمیایی دارند. از آنها می توان برای ساخت دستگاه های حسگر مختلف استفاده کرد. موادی که به شرایط محیطی یا تغییرات داخلی پاسخ می دهند و اقداماتی را انجام می دهند که می توان از آنها برای ساخت انواع دستگاه های محرک استفاده کرد. دستگاه هوشمند یک محرک پیزو با عملکرد محرک حسگر است که از مواد هوشمند ساخته شده است. ساختار هوشمند از مواد و وسایل تشکیل شده است. این حسگر، پردازش سیگنال، کنترل و رانندگی را در یک سیستم مواد یا سیستم ساختاری ادغام می کند. می تواند محیط یا پارامترهای داخلی را حس کند، اطلاعات را پردازش کند، دستورات صادر کند، اقدامات را اجرا و تکمیل کند. برای دستیابی به عملکردهای خود تشخیصی، خود درمانی و سازگاری. کاربرد سیستم‌ها و ساختارهای هوشمند مواد، نه تنها در سلاح‌های دفاعی-دفاعی مانند هواپیماها، کشتی‌های جنگی و غیره، بلکه در حوزه‌های مهم استراتژیک اقتصاد ملی، به‌ویژه در زمینه‌های با فناوری پیشرفته، بسیار گسترده است. مواد اصلی که در حال حاضر سیستم‌ها و ساختارهای مواد هوشمند را تکمیل می‌کنند، مواد حافظه شکل، مواد پیزوالکتریک (شامل سرامیک‌های پیزوالکتریک، پلیمرهای پیزوالکتریک)، مواد الکتریکی، فیبرهای نوری و انواع الکترورئولوژیک، انواع مغناطیسی و موارد مشابه هستند. استفاده از این مواد هوشمند، همراه با طراحی و ساخت کامپوزیت هوشمندانه و پیچیده، که منجر به یک سیستم و ساختار مواد می شود که هدایت، حس و کنترل می شود.

مواد پیزوالکتریک یک دسته اصلی از مواد در سیستم ها و ساختارهای مواد هوشمند هستند. یک کریستال دی الکتریک از مبدل سرامیک پیزوالکتریک با اثر پیزوالکتریک قطبی شده و تحت اثر تنش مکانیکی بار سطحی تشکیل می دهد. اگر چنین کریستال دی الکتریکی در میدان الکتریکی قرار گیرد، عمل میدان الکتریکی باعث جابجایی نسبی مراکز بار مثبت و منفی در داخل دی الکتریک می شود و باعث تغییر شکل می شود. . از آنجایی که ماده پیزوالکتریک دارای ویژگی های فوق است، می توان به یکنواختی عنصر پیزو حسگر و عنصر عمل دست یافت. مواد پیزوالکتریک را می توان به طور گسترده در مواد و سازه های هوشمند، به ویژه برای خود تشخیص آسیب مواد، خود انطباق، کاهش ارتعاش و کنترل نویز استفاده کرد. انواع مواد پیزوالکتریک توسعه یافته شامل تک کریستال، پلی کریستال، شیشه میکرو کریستالی، پلیمرهای آلی و مواد کامپوزیتی. از دهه 1980، با پایان یافتن اوج مواد سرامیکی پیزوالکتریک از توسعه سیستم های دوتایی تا سیستم های سه تایی و چند جزئی، تحقیقات روی مواد پیزوالکتریک کند بوده است. با توسعه سریع علم و فناوری، توسعه و اکتشاف تحت تقاضای کاربرد، انگیزه جدیدی به تحقیقات مواد پیزوالکتریک داده است. همراه با تلاش های بی وقفه کارکنان علم و فناوری در تحقیقات اساسی و بهبود فرآیند تولید، نوع جدیدی از فشار در دهه گذشته وارد شده است. ظهور مداوم مواد الکتریکی باعث شده است تا در مورد مواد پیزوالکتریک تحقیق شود.

2 مروری بر مواد پیزوالکتریک

در کریستال سرامیک پیزوالکتریک ، عدم تقارن آرایش یون های مثبت و منفی و عدم تطابق مرکز ثقل بارهای مثبت و منفی واحد یک گشتاور دوقطبی الکتریکی را تشکیل می دهد. این گشتاورهای دوقطبی الکتریکی در یک جهت معین قرار می گیرند تا به یک ساختار دامنه تبدیل شوند و دامنه ها بر روی کریستال بی نظم می شوند. اثرات پلاریزاسیون یکدیگر را خنثی می کنند، قطبش در ماده صفر است، و جهت قطبش حوزه قطبش شده توسط میدان الکتریکی DC در یک جهت است. هنگامی که یک نیروی خارجی بر روی ماده پیزوالکتریک وارد می شود تا تغییر شکل ایجاد کند، ماده به صورت مثبت و منفی محدود می شود. گام بار کوچکتر می شود و شدت قطبش نیز کوچکتر می شود. بار آزاد جذب شده بر روی الکترود تا حدی آزاد می شود و پدیده تخلیه رخ می دهد که به آن اثر پیزوالکتریک مثبت می گویند. یک میدان الکتریکی با شدت معین به دو قطب ماده پیزوالکتریک اعمال می‌شود و روی تراشه این است که فاصله بار مثبت و منفی بزرگ‌تر می‌شود، شدت قطبش نیز بزرگ‌تر می‌شود و مقداری بارهای آزاد روی الکترودها جذب می‌شوند تا پدیده شارژ را ایجاد کنند. بار الکتریکی در مدار حرکت می کند تا انرژی مکانیکی را از خارج تولید کند که به آن اثر پیزوالکتریک معکوس گفته می شود.

2.3 روش تهیه مواد پیزوالکتریک

برای مواد مختلف پیزوالکتریک، یک روش آماده سازی مناسب با توجه به کاربرد، ویژگی های آن انتخاب می شود. روش آماده سازی به روش فاز جامد، روش فاز مایع و روش فاز گاز با توجه به فاز فازی که در حین آماده سازی رخ می دهد تقسیم می شود.

2.3.1 روش فاز جامد

هنگامی که PZT پیزو با روش سنتی فاز جامد تهیه می شود، دمای تف جوشی بالاتر از 1200 درجه سانتی گراد باعث تبخیر PbO می شود. کنترل نسبت استوکیومتری دشوار است که کنترل ریزساختار و خواص الکتریکی مواد را دشوار می کند. برای مواد خام، فرآیند ساده و مواد پیزوالکتریک مناسب است. جایی که الزامات عملکرد بالا نیست.

2.3.2 روش فاز مایع

تهیه مواد پیزوالکتریک به روش فاز مایع در حال حاضر متداول ترین روشی است که شامل روش رسوب همزمان، روش سنتز هیدروترمال، روش سل-ژل، روش هیدرولیز آلکوکسید و موارد مشابه می باشد. روش رسوب همزمان، تف جوشی در دمای پایین را قادر می سازد تا یک ماده پیزوالکتریک با چگالی بالاتر از چگالی تئوری به دست آید. روش رسوب همزمان از روش بو دادن برنامه ریزی شده با دمای 700 درجه برای تهیه پودر BaT iO3 با اندازه ذرات 60 نانومتر استفاده کرد. محققان در ایالات متحده از یک روش رسوب همزمان با فرآیند خشک کردن انجمادی برای سنتز پودر PZ T در اندازه نانو در دمای 800 درجه استفاده کردند. تف جوشی ماده ای با چگالی نظری 98 درصد به دست آورد. در این تحقیق از Nb2 O 5 و T a 2 O 5 به عنوان واکنش دهنده های پیش ساز استفاده شد و پودرهای سرامیکی KT aN b O 3 به روش هیدروترمال و روش حرارتی حلال تهیه شد. سرامیک های پیزوالکتریک متخلخل مورد مطالعه قرار گرفتند. ضریب کوپلینگ به 0.5 می رسد و ضریب پیزوالکتریک d 33 بین 150 ~ 450p C / N است. با این حال، روش هیدروترمال به دما و فشار بالاتری نیاز دارد و سرمایه گذاری تجهیزات زیاد است که کاربرد روش را محدود می کند. روش سل-ژل متداول ترین روش مورد استفاده در روش فاز مایع است. فیلم های با کارایی بالا را می توان توسط سل-ژل ترکیب شده با فرآیندهای قالب گیری و تف جوشی مختلف تهیه کرد.

2.3. روش 3 فاز گازی

روش فاز گاز برای تهیه فیلم های پیزوالکتریک در مقیاس نانو، عمدتاً رسوب بخار فیزیکی و رسوب بخار شیمیایی مناسب است. در این میان روش کندوپاش پرکاربردترین روش است. الکترود پایینی AP t/Ti بر روی بستر Si 2/Si با روش کندوپاش هدف قرار گرفت و یک فیلم PZT با ضخامت حدود 800 میلی‌متر با کندوپاش فرکانس رادیویی (RF) تهیه شد. رسوب بخار شیمیایی می تواند ترکیب شیمیایی محصول واکنش را دقیقاً کنترل کند و دوپ کردن آن راحت است، اما به دست آوردن یک ماده منبع گاز مناسب که برای تهیه فیلم کم هزینه و حجم زیاد مناسب نیست و عملاً کمتر استفاده می شود دشوار است.