ترکیب مواد سرامیکی پیزوالکتریک

محدوده برنامه های مختلف دارای الزامات عملکرد متفاوتی هستند مواد سرامیکی پیزوالکتریک 1 ماده سرامیکی پیزوالکتریک پروسکایت، فرمول شیمیایی ABO3 است، A یک یون مثبت با شعاع بزرگ است که می تواند +1، +2، +3 باشد. B یک یون مثبت با شعاع کوچک است که می تواند +3، +4، +5، +6 باشد. شعاع یونی سه یون A، B و O می تواند رابطه زیر را برای تشکیل ساختار ABO3 برآورده کند: RA+RO=t√2 (RB+RO، t یک فاکتور تحمل است، عموماً می تواند کلسیم را بین 0.86 و 1.03 تشکیل دهد. ساختار سنگ تیتانیوم فرمول معمولی: (1) 0.99/0bT 0.99 3TiO3] + 0.01 MnO2، دمای کلسیناسیون 850 درجه سانتیگراد، حفظ حرارت برای 2 ساعت، دمای پخت 1240 درجه سانتیگراد، حفظ حرارت برای 1 ساعت ε = 0.096، Qm = 1050، فیلتر Nt = 2120 (2120 در مولار) بالا. PbTiO3+1wt%MnO2+1wt%Pb3O4ε=150، Kp=0.40، Qm=800~1000، دما و زمان پایداری خوب 3PbTiO3+3.0wt%CeO2++0.3MnO2+2.53O50,00.

(1) با تغییر Zr:Ti، نقطه کوری تقریباً به صورت خطی از 235 درجه سانتیگراد به 490 درجه سانتیگراد تغییر می کند، و خط Tc یک فاز پاراالکتریک مکعبی بدون اثر پیزوالکتریک است.

(2) Zr: یک مرز فاز شبه همگن در نزدیکی Ti=53:47 وجود دارد، سمت غنی از تیتانیوم فاز فروالکتریک چهارضلعی FT است. طرف غنی از زیرکونیوم فاز فروالکتریک مثلثی درجه حرارت بالا FR است، دمای مبدل‌های سرامیکی پیزوالکتریک بالا می‌روند و این مرز فاز غنی از زیرکونیوم است. طرف شیب‌دار است و خط Tc را در دمای 360 درجه سانتی‌گراد قطع می‌کند (نشان می‌دهد که دمای کوری Tc نزدیک مرز فاز بالا است)، و پارامترهای سلول واحد به طور ناگهانی در نزدیکی مرز فاز تغییر می‌کنند. یک اثر پیزوالکتریک قوی در نزدیکی مرز فاز بین فاز فروالکتریک چهارضلعی FT و فاز فروالکتریک تریگونال FR وجود دارد. Kp، ε دارای حداکثر مقدار و Qm مقدار بسیار کمی دارد. خواص پیزوالکتریک پرسلن PZT در نزدیکی مرز فاز بسیار بالاتر از چینی BaTiO3 است. از آنجایی که Tc چینی PZT در مرز بالا است (360 درجه سانتیگراد)، KP و ε هر دو در دمای 200 درجه سانتیگراد پایدار هستند که یک ماده پیزوالکتریک ایده آل است. اصلاح دوپینگ چینی PZT مبدل الکترونیکی پیزو سرامیک . برای رسیدن به اهداف مختلف، ما به سرامیک پیزوالکتریک PZT با خواص مختلف نیاز داریم. به همین دلیل، می‌توانیم یون‌های مختلفی را برای جایگزینی یون Pb2+ در محل A یا یون Zr4+، Ti4+ در محل B اضافه کنیم. در نتیجه عملکرد مواد را بهبود می بخشد.

جایگزینی جایگزین سخت تغییر یافته دیگر جایگزینی نرم اصلاح شده جایگزینی جایگزین ناهم ظرفیتی جایگزینی معادل با دوپ شده اصلاح شده PZT (1) جایگزینی معادل جایگزینی معادل به این معنی است که شعاع Ca2+, Sr2+, Mg2+ کوچکتر از یون Pb2+ است. PZT دیسک سرامیکی پیزو ، افزایش ضریب جفت الکترومکانیکی KP، و افزایش ثابت پیزوالکتریک d، در نتیجه خواص پیزوالکتریک سرامیک PZT را بهبود می بخشد. اصطلاح 'اصلاح جایگزینی نرم' به این معنی است که افزودن این مواد افزودنی می تواند قدرت میدان اجباری EC را ↓ کاهش دهد، و پلاریزاسیون آسان است، به طوری که خواص مواد تحت تاثیر میدان الکتریکی یا تنش، 'نرم' می شود.

(الف) La3+، Bi3+، Sb3+، و غیره جایگزین یون A-site Pb+2 (دوپینگ دهنده). Nb5+، Ta5+، Sb5+، W6+، و غیره. جایگزینی یونهای B-position Zr4+، Ti4+ (دوپینگ دهنده). خواص چینی PZT اصلاح شده با جایگزینی نرم دارای تغییرات زیر است: قدرت میدان اجباری EC کاهش می یابد ↓، ضریب کیفیت مکانیکی Qm کاهش می یابد. ثابت دی الکتریک ε افزایش می یابد ↑، تلفات دی الکتریک tan δ افزایش می یابد، ضریب جفت الکترومکانیکی KP هنگامی که ↑ افزایش می یابد، مقاومت پیری افزایش می یابد و مقاومت عایق ρ افزایش می یابد ↑. دلیل این امر این است که افزودن آنها منجر به تشکیل کمبود Pb2 + می شود. به عنوان مثال، اگر هر دو La3+ جایگزین 3 Pb2+ شود، به منظور حفظ تعادل قیمت برق، تعداد کاتیون‌ها در موقعیت A در ساختار پروسکایت کاهش می‌یابد و یک جای خالی A ایجاد می‌شود. به دلیل عدم وجود Pb2+، حرکت دامنه آسان می شود و حتی قدرت میدان الکتریکی کوچک یا تنش مکانیکی می تواند باعث حرکت دیواره های دامنه شود. 

در نتیجه، ثابت دی الکتریک و ضریب انطباق الاستیک افزایش می یابد مبدل های سرامیکی پیزوسرامیکی Pzt رخ می دهد و همزمان افت دی الکتریک و تلفات مکانیکی افزایش می یابد و Qm کاهش می یابد. علاوه بر این، از آنجایی که هدایت دامنه‌ها آسان است، تعداد دامنه‌های جهت‌دار در جهت میدان الکتریکی افزایش می‌یابد، در نتیجه پلاریزاسیون افزایش می‌یابد، به طوری که اثر پیزوالکتریک تا حد زیادی افزایش می‌یابد که با افزایش مقدار Kp نشان داده می‌شود. از آنجایی که مقاومت فرمان دامنه کوچک می شود، میدان اجباری برای معکوس کردن قطبش برای غلبه بر مقاومت کوچک است و خط برگشت تقریباً مستطیلی است. علاوه بر این، به دلیل عدم وجود Pb2+، استرس داخلی ناشی از فرمان 90 دامنه بافر می شود، به طوری که کرنش باقی مانده کوچک می شود. به عبارت دیگر، از آنجایی که دیوارهای دامنه به راحتی جابجا می شوند، استرس داخلی دامنه ها به راحتی آزاد می شود، بنابراین عملکرد پیری خوب است. افزودنی‌های 'نرم' معمولاً برای اصلاح افزودنی‌ها استفاده می‌شوند.

(ب) به عنوان مثال، مواد مبدل آکوستیک زیر آب نوع پذیرنده اغلب با La2O3 و Nb2O5 به منظور افزایش مقدار Kp و ثابت دی الکتریک دوپ می شوند. Pb0.95Sr0.05(Zr0.52Ti0.48)O3+0.9%La2O3+0.9%Nb2O5، Kp=0.60، ε=2100، Qm=80، پایداری خوب، مقاومت حجمی 1012 اهم 'نرم' افزودنی معمولاً از 5% تجاوز نمی کند. b اصلاح جایگزینی سخت، به اصطلاح «اصلاح جایگزینی سخت» به این معنی است که افزودن این مواد افزودنی می‌تواند قدرت میدان اجباری EC را افزایش دهد و پلاریزاسیون دشوار می‌شود، بنابراین خواص مواد تحت تأثیر میدان الکتریکی یا تنش «سخت» می‌شوند.

(الف) K+، Na+، و غیره جایگزین یون‌های A-site Pb2+ (دوپینگ گیرنده).

(ب) یون‌های Zr4+ و Ti4+ (پذیرنده دوپ شده) جایگزین B در Fe2+، Co2+، Mn2+ (یا Fe3+، Co3+، Mn3+)، Ni2+، Mg2+، Al3+، Cr3+ و موارد مشابه.

خواص چینی PZT اصلاح شده با جایگزینی سخت دارای تغییرات زیر است: قدرت میدان اجباری EC افزایش می یابد ↑ ضریب کیفیت مکانیکی Qm افزایش می یابد ↑. ثابت دی الکتریک ε کاهش می یابد، تلفات دی الکتریک tan δ کاهش می یابد ↓، ضریب جفت الکترومکانیکی KP کاهش می یابد کوچک ↓، مقاومت پیری کاهش می یابد، و مقاومت عایق ρ کاهش می یابد.

سرامیک پیزوالکتریک پروسکایت سه تایی

با تغییر نسبت Zr/Ti و ترکیب مقدار کمی از مواد افزودنی، اگرچه برخی خواص را می توان بهبود بخشید، اما به دلیل گستره وسیعتر و وسیعتر مواد پیزوالکتریک، نیاز به مواد بیشتر و بیشتر می شود و تنها سیستمهای دوتایی نمی توانند الزامات استفاده را برآورده کنند. بنابراین یک سیستم سه تایی وجود دارد. مواد سرامیکی پیزوالکتریک پروسکایت سه تایی به محلول جامد تشکیل شده از یک ترکیب کامپوزیت پروسکایت و تیتانات زیرکونات سرب اشاره دارد.