توضیحات مبدل مواد سرامیکی پیزوسرامیک

در مورد مواد محرک سرامیک پیزوالکتریک، سرامیک پیزوالکتریک الزامات بالایی را در مورد خواص مواد سرامیکی پیزوالکتریک مانند ثابت کرنش الکتریکی ولتاژ بالا، نقطه کوری بالا، ضریب جفت الکترومکانیکی بالا و ثابت فرکانس بالا نشان می دهد. پرکاربردترین سرامیک پیزوالکتریک PZT (سرب زیرکونات تیتانات) بر پایه مبدل سرامیکی پیزوالکتریک مواد Pzt به دلیل اثر پیزوالکتریک قابل توجه آن، دمای کوری بالا، مقاومت در برابر تشعشع قوی و ادغام آسان با فناوری یکپارچه سازی نیمه هادی است. اما برای بدن انسان و محیط زیست مضر است. بنابراین، مردم شروع به جستجوی مواد سرامیکی پیزوالکتریک بدون سرب با عملکرد عالی کردند.

بیشترین تحقیق در مورد مواد سرامیک پیزوالکتریک بدون سرب در داخل و خارج از کشور عمدتاً شامل سیستم های زیر است: سرامیک پیزوالکتریک بدون سرب بر پایه باریم تیتانات. سرامیک پیزوالکتریک بدون سرب بر پایه تیتانات باریم؛ سرامیک های پیزوالکتریک بدون سرب بر پایه تانتالات و سرامیک های پیزوالکتریک بدون سرب ساختار لایه ای تانتالیم.

سرامیک پیزوالکتریک بدون سرب بر پایه تیتانات باریم

تحقیق و کاربرد باریم تیتانات (BaTiO3) بر پایه بدون سرب مبدل های سرامیکی پیزو کاملا بالغ بوده اند. با این حال، دمای کوری سرامیک‌های BaTiO3 کم است (Tc=120)، محدوده دمای عملیاتی باریک است و عملکرد سرامیک‌های پیزوالکتریک متوسط ​​است. بهبود خواص پیزوالکتریک با اصلاح دوپینگ دشوار است و یک انتقال فاز نزدیک به دما وجود دارد. بنابراین کاربرد آن از سرامیک های پیزوالکتریک محدود است. باریم تیتانات سرامیک پیزوالکتریک بدون سرب بر پایه باریم استرانسیوم تیتانات و Bi0.5Na0.5TiO3 (BNT) نماینده معمولی سری تیتانات است. BNT دارای ویژگی‌های فروالکتریک آرام است که دارای قطبش پسماند نسبتاً بزرگ و میدان اجباری بسیار بالا (7.5 کیلو ولت بر میلی‌متر) است و دارای ضریب پیزوالکتریک بزرگ (kt، kp حدود 50%)، عملکرد عالی دی الکتریک مانند ضریب کوچک (240 ~ 340) و عملکرد آکوستیک خوب 320Pz است. به دلیل میدان الکتریکی اجباری بالا و رسانایی الکتریکی بالا در ناحیه فاز فروالکتریک، پلاریزاسیون دشوار است، که تولید سرامیک های پیزوالکتریک عملی را دشوار می کند. به منظور غلبه بر کاستی‌های پلاریزاسیون پیزو سرامیکی BNT و دشواری تف جوشی در نمونه‌های متراکم، تعدادی از جفت‌های ناخالص ساختار پروسکایت اضافه می‌شود. BNT اصلاح شده است. با معرفی عناصری مانند Pb، Ba، Ca، Sr، Mn و غیره، قدرت میدان اجباری BNT بسیار زیاد است و از دشواری پلاریزاسیون ناشی از رسانایی بالای فاز فروالکتریک BNT جلوگیری می‌شود و پلاریزاسیون مواد BNT با موفقیت حل می‌شود.

سرامیک های پیزوالکتریک بدون سرب مبتنی بر بیسموت:

سرامیک های پیزوالکتریک بدون سرب مبتنی بر بیسموت عمدتاً شامل NaNbO3، KNbO3، LiNbO3 و موارد مشابه هستند. را مبدل های سرامیکی نیمکره پیزو دارای مزایای چگالی کم، سرعت صوتی بالا، ضریب کیفیت مکانیکی بزرگ Qm، ضریب جفت الکترومکانیکی بزرگ kp، ثابت دی الکتریک پایین، عملکرد پیزوالکتریک بالا، ثابت فرکانس بزرگ و غیره هستند، بنابراین دستگاه پیزوالکتریک مبتنی بر تانتالات و مواد سرامیکی فرکانس ترجیحی یک دستگاه است. با این حال، به دلیل فرار مواد فلزی، دستیابی به سرامیک پیزو با فشردگی خوب توسط یک فرآیند سرامیکی معمولی دشوار است که خواص سرامیکی را بدتر می کند. سرامیک های متراکم NaNbO3-KNbO3 را می توان با پرس گرم یا فرآیند پرس ایزواستاتیک به دست آورد و پایداری دمایی ماده تا حد زیادی بهبود می یابد و چگالی نسبی می تواند به 99٪ برسد.

در کاربردهای عملی، برخی از ویژگی‌های ذاتی مبدل سرامیکی سیلندر پیزوسرامیک (مانند هیسترزیس، خزش و غیره) تأثیر زیادی بر کنترل جابجایی با دقت بالا دارند. به منظور کاهش تأثیر پسماند سرامیک‌های پیزوالکتریک بر خروجی جابجایی، محققان خارجی روش‌های جبران‌سازی زیادی را پیشنهاد کرده‌اند. در حال حاضر، روش حذف پسماند به طور کلی کنترل حلقه بسته در فرآیند کنترل است. این حالت به یک سنسور جابجایی اضافی برای اندازه گیری جابجایی و مقایسه آن با جابجایی هدف کنترل کننده نیاز دارد تا یک مکانیسم تنظیم کنترل پیچیده را تشکیل دهد. 

تحت عمل میدان الکتریکی متناوب، مبدل های پیزو پلاریزه اولتراسونیک به دلیل کاهش فعالیت دیواره دامنه فروالکتریک، تخریب فروالکتریک ماکروسکوپیک را نشان می دهند. ریز ترک ها، لایه لایه شدن یا شکستگی اغلب در مواد و خستگی ناشی از میدان رخ می دهد. دلیل ذاتی عمدتاً به دلیل تفاوت در رابط با خواص است. ضریب انبساط حرارتی در سطح مشترک بین پیزو سرامیک و الکترود متفاوت است یا یک واکنش شیمیایی وجود دارد که بر عملکرد خستگی سرامیک پیزوالکتریک تأثیر منفی می گذارد. نیروی پیوند رابط با ترکیب پودر الکترود در مواد سرامیکی یا ترکیب پودر سرامیک و الکترود اصلی بسیار بهبود می یابد. میدان الکتریکی و دما عوامل خارجی اصلی هستند که بر عملکرد خستگی تأثیر می‌گذارند. با مطالعه دو عامل می توان دریافت که میدان از شدت میدان اجباری قوی تر است یا فرکانس زیاد است که باعث خستگی الکتریکی می شود. علاوه بر این، در یک محدوده دمایی خاص، مقاومت خستگی با افزایش دما افزایش می یابد. هنگامی که دما از یک مقدار بحرانی خاص فراتر رود، ماده وارد فاز پارامغناطیس می شود و پدیده خستگی ناپدید می شود.

انتظار می‌رود نمایشگرهای سرامیکی پیزوالکتریک بر کاستی‌های نمایشگرهای جریان اصلی فعلی که مستعد تداخل الکترومغناطیسی، نقاط مرده، حکاکی و غیره هستند، غلبه کنند و چشم‌انداز بازار گسترده‌ای دارند. آرایه محرک نمایشگرهای سرامیکی پیزوالکتریک را می توان با فرآیند قالب سیلیکونی یا فرآیند رسوب الکتروفورتیک ساخت و سرامیک پیزوالکتریک مبتنی بر سرب را می توان با یک سرامیک پیزوالکتریک بدون سرب از ساختار مبتنی بر تانتالیت و ساختار تانتالیوم جایگزین کرد. با وجود پیشرفت هایی در توسعه نمایشگرهای سرامیکی پیزوالکتریک، هنوز تعدادی از مسائل کلیدی فناوری فرآیند وجود دارد که باید به آنها توجه شود:

(1) اگرچه عملکرد برخی از سرامیک‌های پیزوالکتریک بدون سرب عالی است، اما هنوز شکاف بزرگی در مقایسه با سرامیک‌های پیزوالکتریک مبتنی بر PZT وجود دارد و خواص پیزوالکتریک باید با اندازه‌گیری اصلاح و بهبود فرآیند بهبود بیشتری یابد.

(2) برای اینکه دقت پسماند و جبران خزش مبدل فشار پیزوالکتریک مطابق با الزامات کنترل موقعیت یابی با دقت فوق العاده بالا باشد، دانشمندان باید جبران اصلاح یا کنترل مؤثر را از طریق آزمایشات برای کاهش محرک سرامیکی پیزوالکتریک مطالعه کنند. تأثیر خزش بر دقت موقعیت‌یابی؛

(3) در حال حاضر، تحقیقات خستگی ناشی از میدان بیشتر بر میدان الکتریکی و میدان دما متمرکز است، اما تحقیقات در زمینه تحت کوپلینگ چند میدانی وجود ندارد، اما دستگاه های سرامیکی پیزوالکتریک واقعی در شرایط کوپلینگ چند میدانی کار می کنند، بنابراین لازم است مطالعه مکانیسم خستگی ناشی از میدان تحت کوپلینگ چند میدانی تقویت شود.