چندین مشکل در تهیه سرامیک پیزوالکتریک PZT

سرامیک های پیزوالکتریک PZT دارای ویژگی های دمای کوری بالا، پیزوالکتریک قوی، اصلاح آسان دوپینگ و پایداری خوب هستند. از دهه 1960، کانون توجه و تحقیق بوده است و در زمینه سرامیک های پیزوالکتریک تسلط یافته است. از نظر فرآیند تهیه سرامیک پیزوالکتریک PZT، سنتز پودر Pzt و تف جوشی متراکم بیشترین تأثیر را بر کیفیت محصولات PzT دارد. پودر فوق ریز PzT دارای مزایای اندازه ذرات ریز، سطح ویژه بزرگ و واکنش پذیری بالا است که می تواند دمای تف جوشی را کاهش دهد، تبخیر سرب را کاهش دهد، استوکیومتری دقیق را تضمین کند و عملکرد محصولات PZT را بهبود بخشد. بنابراین، تهیه پودر PZT بسیار ریز تبدیل شده است لوله پیزو زیر آب . تمرکز تحقیقات سرامیک الکتریکی. در سال‌های اخیر، روش‌های جدید زیادی برای مطالعه آماده‌سازی پودر PZT بسیار ریز ایجاد شده است. علاوه بر روش فاز فاز سنتی، روش فاز جامد شامل روش تابش مایکروویو، پورت روش شیمیایی مکانیکی و روش تف جوشی واکنش است. روش فاز مایع دارای مزایای دمای سنتز پایین، تجهیزات ساده، عملکرد آسان، هزینه کم و غیره است و برای تهیه پودر PZT از جمله روش سل-ژل، روش هیدروترمال، روش رسوب استفاده شده است. با این حال هنوز کاستی های زیادی در تهیه و عملکرد سرامیک پیزوالکتریک PZT وجود دارد که از جمله آنها می توان به دلایل خاصیت انباشتگی آسان پودر به دلیل خاصیت آگلومراسیون محصول پودری در بالا بودن محصول آگلومره سازی اشاره کرد. مشکلات و پیشرفت تحقیق حل این مشکلات به شرح زیر مورد بحث قرار گرفته و پیشنهاداتی برای توسعه سرامیک پیزوالکتریک Pzt ارائه شده است.

1 تجمع پودر

تجمع پودری به طور کلی شامل آگلومراسیون نرم و آگلومراسیون سخت است. تراکم نرم با افزایش و تعامل نیروی واندروالس، جاذبه الکترواستاتیکی و نیروی مویرگی بین ذرات با کاهش اندازه ذرات پودر تشکیل می شود. تراکم سخت به دلیل پیوند شیمیایی بین گروه ها است. این عمل یک پیوند اکسیژن پل زدن را تشکیل می دهد و زنجیره اکسیژن پل زدن بین ذرات برهمکنش می کند و تشکیل می شود. مشکل انباشتگی مهمترین عامل مؤثر بر عملکرد عالی پودر PzT بسیار ریز است و همچنین کیفیت محصولات PZT را بسیار تحت تأثیر قرار می دهد. این به این دلیل است که مواد PZT مواد کاربردی هستند. الزامات اساسی برای پودرهای مصنوعی عبارتند از خلوص بالا، فوق ریز، توزیع اندازه ذرات یکنواخت، پراکندگی خوب، دقت استوکیومتری و دوپینگ یکنواخت. علاوه بر این. وقوع تجمع در سنتز بیسموت لوله های سرامیکی پیزو پیزو منجر به کاهش چگالی ظاهری و مورفولوژی ناهموار می شود و تعداد زیادی منافذ را ایجاد می کند که منجر به ایجاد ریزساختار ناهموار می شود که به طور جدی بر تراکم بدنه تف جوشی شده تأثیر می گذارد و همچنین ممکن است منجر به فرآیند زینترینگ دوم شود. تبلور مجدد ثانویه، در نتیجه خواص پیزوالکتریک و ترموالکتریک مقاله PZT را کاهش می دهد. بنابراین، کاهش یا اجتناب از تجمع در سنتز پودر بسیار ریز PzT یک پیش نیاز برای تهیه سرامیک پیزوالکتریک PZT با کارایی بالا است. تراکم در تهیه پودر PZT شامل دو شکل آگلومره نرم و سخت است. مکانیسم تجمع نیز برای روش های مختلف آماده سازی پودر متفاوت است. روش سنتی فاز جامد برای سنتز پودر PZT با آسیاب توپی مکرر و دمای کلسینه بالا مشخص می شود. آسیاب گلوله ای مکرر نه تنها ناخالصی ها را وارد می کند، بلکه سنگ زنی بیش از حد منجر به تشکیل تجمع می شود. به طور خاص، روش مکانیک شیمیایی توسعه یافته عمدتاً از انرژی مکانیکی استفاده می کند که سنتز فاز PZT را تکمیل می کند و زمان توپ به اندازه آسمان است. وارد کردن ناخالصی ها و ایجاد تجمع پودر آسان تر است. دمای کلسیناسیون بیش از حد نیز ممکن است باعث تجمع پودر شود. روش فاز مایع برای سنتز پودر PZT استفاده می شود. از آنجایی که ذرات فاز جامد در فاز مایع تشکیل می شوند، به طور کلی تحت هسته، رشد، ادغام و تراکم قرار می گیرند. بنابراین، ساختار آگلومره ممکن است زمانی تشکیل شود که یک ذره فاز جامد باشد که در فاز مایع تشکیل شده است. به دلیل حرکت قهوه ای، ذرات به یکدیگر نزدیک هستند. هنگامی که انرژی جنبشی بین ذرات بیشتر از سد تشکیل دهنده آگلومرا باشد، بین ذرات حساس تحت عمل حرکت، آنها دوباره یکدیگر را به هم می پیوندند. دوم اینکه در فرآیند جداسازی جامد از مایع، با حذف آخرین قسمت فاز مایع، ذرات فاز جامد به دلیل کشش سطحی به یکدیگر نزدیک می شوند. به خصوص سنتز پودر PZT با آب به عنوان حلال. آثار آبی که در نهایت بین ذرات باقی می‌ماند، ذرات و ذرات را توسط هیدروژن محکم به هم متصل می‌کند. علاوه بر این، پیش ساز پودر PZT تهیه شده به طور کلی در دمای 500 تا 700 درجه سانتیگراد کلسینه می شود که ممکن است باعث تجمع پودر شود و همچنین ممکن است باعث تشدید آگلومره های تشکیل شده به دلیل تف جوشی موضعی شود. مشاهده می شود که پودر P ZT به روش هم رسوبی تهیه می شود. هر مرحله از رسوب همزمان، رشد دانه تا شستشو، خشک کردن، و تکلیس رسوب ممکن است منجر به رشد ذرات و تشکیل آگلومرا شود. با توجه به تشکیل تجمع، کاهش یا جلوگیری از رشد ذرات و تجمع در تهیه پودر PZT بسیار ریز را می توان از جنبه های زیر در نظر گرفت: یکی جداسازی هسته و فرآیند رشد، ترویج هسته سازی، کنترل رشد است. از نرخ بزرگ هسته دهی ده نرخ رشد اطمینان حاصل کنید، یعنی اطمینان حاصل شود که پیش ساز پودر PZT تحت درجه بالایی از فوق خنک کننده یا فوق اشباع بالا تولید می شود. دوم جلوگیری از تجمع پودر PZT است. این شامل نحوه جلوگیری از تشکیل تجمع در حین آماده سازی پودر و نحوه از بین بردن تجمع بعد از تجمع است. روش مهار تجمع در حین تهیه پودر شامل موارد زیر است: (1) انتخاب شرایط واکنش معقول (مانند مقدار PH، غلظت واکنش و دما). (2) درمان ویژه در طول سنتز یا خشک کردن پودر؛ از جمله سورفکتانت فرآیند سنتز پودر اضافه می شود و با یک حلال آلی فیلتر می شود و کشش سطحی سورفکتانت کم است. بنابراین، می توان یک پیش ماده پودر با درجه تراکم سبک تر به دست آورد. یک فرآیند خشک کردن ویژه در فرآیند خشک کردن اتخاذ می شود، به طور عمده خشک کردن انجمادی، خشک کردن فوق بحرانی، و خشک کردن دور مادون قرمز، و غیره. اصل اساسی حذف گاز-مایع با کشش سطحی زیاد است. رابط یا ذرات ثابت هستند و نمی توانند به یکدیگر نزدیک شوند. به عنوان مثال، لیوفیلیزاسیون استفاده از دمای پایین و فشار منفی برای تصعید محیط مایع خام منجمد شده به فاز جامد تحت فشار منفی است، زیرا ذرات فاز جامد در محیط مایع خام منجمد می شوند. و هیچ رابط گاز و مایع با کشش سطحی زیاد در مویرگ بین ذرات وجود ندارد، در نتیجه از مشکل تجمع شدید ناشی از پل مایع جلوگیری می شود.

(3) بهترین شرایط کلسینه را انتخاب کنید یا از فرآیندهای ویژه استفاده کنید، مانند استفاده از گرمایش مایکروویو بدون انتقال حرارت، راندمان انرژی بالا و سایر ویژگی‌ها برای جایگزینی کوره الکتریکی سنتی با دمای بالا، در دمای 600 درجه سانتی‌گراد، پودر PZT تک جزیی به دست آمد. روش های از بین بردن تجمع پس از تشکیل آگلومراها رسوب یا ته نشینی، سنگ زنی و عملیات اولتراسونیک، افزودن یک دیسپرس کننده و موارد مشابه است. به عنوان مثال، وانگ شیچنگ از آلکوکسید فلز و نیترات به عنوان مواد خام استفاده می کند، تولید همزمان رسوب، شستشو، و شرایط انتخاب پراکندگی را به شدت کنترل می کند، از فناوری خشک کردن انجمادی استفاده می کند، و سپس تحت فرآیند کلسیناسیون معقول قرار می گیرد تا ترکیبی یکنواخت و بدون تراکم سخت تشکیل دهد. میکروپودر  با استفاده از فناوری پرس ایزواستاتیک سرد (cIP) تشکیل می شود، تف جوشی چگالی می تواند در 800 درجه سانتیگراد به دست آید و چگالی نسبی آن حاصل می شود.

تأثیر استوکیومتری بر کیفیت محصولات PZT عمدتاً شامل جنبه‌های z است: اول، تبخیر سرب در طی فرآیند پخت سرامیک‌های پیزوالکتریک PZT باعث می‌شود که اجزا از استوکیومتری دقیق منحرف شوند و عملکرد محصولات کاهش یابد. از سوی دیگر، zr/ در اجزاء. نوسان Ti بر ثبات عملکرد محصول PzT تأثیر می گذارد. تبخیر سرب عموماً به دلیل دمای پخت بالای سرامیک های پیزوالکتریک PZT در نظر گرفته می شود. اکسید سرب دارای فشار بخار اشباع نسبتاً بالایی در محیط با دمای بالا است که منجر به تبخیر سرب می شود. هرچه فشار بخار اشباع بیشتر باشد، سرب راحت‌تر تبخیر می‌شود و zr با افزایش / Ti، دمای پخت سرامیک‌های پیزوالکتریک PZT افزایش می‌یابد و فشار بخار اشباع اکسید سرب به تدریج افزایش می‌یابد. اتلاف سرب جدی‌تر می‌شود، بنابراین سرامیک‌های پیزوالکتریک با zr/Ti PzT بالا به سختی تف جوشی می‌شوند و فشار جزئی اکسیژن بسیار کم در حین پخت منجر به تبخیر سرب می‌شود. ماده PZT تهیه شده با روش فاز جامد معمولی به دلیل فعالیت کم پودر مصنوعی، دمای پخت معمولاً 1200 دارد. ایجاد مقدار زیادی تبخیر سرب آسان است، عملکرد محصول بالا نیست، بنابراین روش فاز جامد محصولات PZT برای پاسخگویی به الزامات عملکرد بالا در زمینه کاربرد دشوار است. در حال حاضر اقدامات اصلی محققان مواد در داخل و خارج از کشور برای تبخیر سرب به شرح زیر است: ابتدا سرب بیش از حد به سنتز پودر اضافه می شود. سرب اضافی اضافه می شود. در مرحله اولیه پخت، به دلیل تشکیل فاز مایع، می توان سطح تماس واکنش دهنده ها را افزایش داد، سرعت انتشار زیرکونیوم، تیتانیوم و ناخالصی ها را تسریع کرد و یکنواختی محصول را بهبود بخشید. فاز مایع تشکیل‌شده همچنین می‌تواند حرکت انتشار انحلال و بارش را تسریع کند، به بازآرایی و بسته‌بندی ذرات منجر شود، تراکم محصول را تسریع کند. اما زمانی که مقدار سرب اضافه شده بیش از حد باشد، سرب اضافی از یک طرف روی کریستال رسوب می کند که باعث کاهش عملکرد محصول می شود. از طرف دیگر، به راحتی باعث می شود که غلظت موضعی تیتانیوم در جزء PzT بیش از حد بالا باشد و حلالیت در اکسید سرب فاز مایع، zrOz خشک بزرگ است. حلالیت، بنابراین منجر به محتوای تیتانیوم محلی بالای محصول PZT پس از تف جوشی، به ویژه در مرز دانه می شود. در نتیجه یکنواختی ریزساختار محصول را تحت تاثیر قرار داده و عملکرد محصول را کاهش می دهد. افزودن سرب اضافی بر خواص مکانیکی اجزای سرامیکی پیزوالکتریک PZT تأثیر می گذارد: هنگامی که محصول بیش از حد سرب دارد، حالت شکست یک شکستگی ترانس دانه ای است. دوم، در فرآیند پخت محصول، با توجه به مکانیسم تبخیر سرب، یک سیستم پخت معقول و اقدامات ویژه اتخاذ می شود. به طور گسترده ای برای افزودن یک ورق اتمسفر تف جوشی و یک تکنیک بیسموت دو لایه به تف جوشی و کنترل اتمسفر زینترینگ به عنوان یک جو اکسید کننده استفاده می شود. این امر باعث کاهش تبخیر سرب و جلوگیری از سیاه شدن محصول می شود. در یک جو کاهنده، Ti به راحتی به T1 کاهش می یابد تا محصول تیره شود.

سوم این است که مقدار مناسبی از مواد ناخالص اضافه کنید. دوپینگ تبخیر سرب را کاهش می دهد و از طرف دیگر عملکرد محصول PzT را بهبود می بخشد. چهارم مطالعه بیشتر سنتز پودر PZT با فعالیت بالا است، به طوری که سرامیک های پیزوالکتریک PZT را می توان در دمای پایین تر از دمای سرب متراکم و تف جوشی کرد. علاوه بر این، مکانیسم تبخیر سرب باید بیشتر مورد مطالعه قرار گیرد. دمای تبخیر اکسید سرب در سنتز هیدروترمال پودر PzT 924.71 است. ج و دمای واکنش بین ذرات ̈ . دمای واکنش بین ذرات پودر PZT سنتز فاز جامد در دمای 26 درجه سانتی گراد 47 درجه سانتی گراد بود. دمای اکسیداسیون اکسید سرب 29 درجه سانتیگراد است. کمترین دمای یوتکتیک سیستم PZT 838 است. مشاهده می شود که با توجه به مکانیسم تبخیر سرب و روش تهیه پودر PZT باید اقدامات فرآیندی منطقی برای کاهش تبخیر سرب و بهبود عملکرد محصولات PZT انجام شود.

5 دوپینگ

مطالعات نشان داده اند که عملکرد محصول PZT ارتباط تنگاتنگی دارد. در حال حاضر، برای مطالعه مواد PZT، zr/Ti عمدتاً در محدوده 53/47 و 95/5 متمرکز است. با این حال، تنها تکیه بر zr/T-های مختلف برای بهبود عملکرد محصولات PZT نمی تواند نیازهای محصولات PZT را در زمینه های مختلف برآورده کند. همچنین لازم است محصولات را با انتخاب مقدار مناسبی از مواد ناخالص بر اساس zr/Tl بهبود بخشید. ضمن کاهش اثر نوسانات zr/Ti بر پایداری عملکرد مقالات pzt. افزودنی می تواند به طور متقابل در شبکه کریستالی اصلی حل شود و می تواند در مرز دانه به شکل فاز دوم رسوب کند. زمانی که متقابل قابل حل نباشد. به عنوان فاز دوم، مرز دانه تحت تأثیر قرار می گیرد، که بر نیروی پیوند یا خاصیت مرز دانه بین دانه های کریستال تأثیر می گذارد. اثرات اصلی دوپینگ شامل ایجاد جاهای خالی، ممانعت از رشد دانه، تشکیل فاز مایع گاوی و گسترش محدوده دمایی تف جوشی است. در عین حال، با توجه به نقش ناخالص در سرامیک پیزوالکتریک PZT، می توان آن را به سه نوع دوپینگ دهنده، دوپینگ پذیرنده و دوپینگ ترکیب یونی متغیر تقسیم کرد. در مطالعه اصلاح دوپینگ سرامیک های پیزوالکتریک PZT، La، Mn2- و Nb در مقادیر زیادی مورد مطالعه قرار گرفته اند. اثر Nbzos دوپ شده بر مواد PzT65/35 تهیه شده به روش فاز جامد مورد بررسی قرار گرفت. مشخص شد که افزودن نیوبیم به طور قابل توجهی باعث تراکم و تف جوشی شده و رشد نیوبیم را با افزایش محتوای نیوبیم ناشی از Nb0 مهار می کند. تقویت عمل الکترواستاتیکی هشت وجهی باعث می شود که کرنش سلول واحد لوزی PzT کرنش شود. سلول واحد تمایل به کشیده شدن روی سطح دارد که باعث می شود محصول به راحتی قطبی شود و همچنین به بهبود خاصیت ضد پیری آن کمک می کند. حد 'حلالیت' در ماده PZT 7 مول است. هنگامی که مقدار آن کمتر از 7 باشد، آلومینیوم و شبکه کریستال پروسکایت کاملاً محلول هستند. در این مرحله محصول کاملاً در فاز پروسکایت است. ویژگی های ناخالصی دهنده را نشان می دهد. هنگامی که به مقدار بیش از 7 مول اضافه شود، روتنیوم اضافی با سرب یا تیتانیوم واکنش داده و منجر به تولید فاز دوم مانند فاز فلوریت می شود که خواص دی الکتریک و پیزوالکتریک محصول را کاهش می دهد. اثر بر ریزساختار و خواص پیزوالکتریک مواد PZT، و وضعیت ظرفیت منگنز در مواد PZT توسط EsR تعیین شد. نتایج نشان می دهد که حلالیت منگنز در مواد Pz-butyl عمدتاً به صورت Mn و Mn5+ است. 1.5nlol'، زمانی که منگنز دارد 15 مول، منگنز اضافی در مرز دانه انباشته می شود و فعالیت پیزوالکتریک محصول را کاهش می دهد. به طور خلاصه، برای انواع مختلف ناخالصی ها، تمرکز تحقیق بر حل کامل فاز کریستالی اصلی PZT با جستجوی مقدار اضافه مناسب، بهبود خواص محصول، اجتناب از دوپینگ بیش از حد و تجزیه مرز دانه یا تشکیل فاز دوم است. برای کاهش عملکرد محصول. علاوه بر این، تحقیقات فعلی اصلاح دوپینگ، شی دوپینگ عمدتاً بر روی روش فاز جامد برای تهیه مواد PZT متمرکز شده و با فاز جامد اکسید دوپ شده است، بنابراین اطمینان از یکنواختی اجزا و استوکیومتری دقیق دشوار است. نحوه دستیابی به دوپینگ همگن یکی از جهت گیری های تحقیقاتی آینده سرامیک پیزوالکتریک PZT خواهد بود.

4. پیری

پیری به این ویژگی اشاره دارد که پارامترهای عملکرد الکتریکی محصولات PZT با زمان تغییر می کند. می دانیم که سرامیک های پیزوالکتریک PZT متعلق به ABO هستند. ساختار پروسکایت شامل سه فاز کریستالی مکعبی، چهار ضلعی و لوزی است. با توجه به zr/T1، فازهای کریستالی مختلفی را می توان تولید کرد و کاتیون فعال شده یون نوع A است. در زیر دمای کوری، یون‌های نوع A یا نوع B وارد یک موقعیت خاص می‌شوند و قطبش خود به خود ایجاد می‌کنند و حوزه‌هایی را تشکیل می‌دهند، اما زاویه بین حوزه‌های مجاور فقط می‌تواند 90 یا 180 باشد. ساختار نمونه اولیه بدنه فروالکتریک در همان زمان، ساختار حوزه فروالکتریک نیز توسط کرنش خود به خودی کریستال محدود می شود. فاز باید اطمینان حاصل کند که کرنش خود به خودی ایجاد شده توسط حوزه های مجاور در دیواره های دامنه می تواند سازگار باشد، بنابراین زاویه حوزه های مجاور F فقط می تواند 90 یا 180 باشد. در عین حال، محصولات پیزو سرامیکی متخلخل باید در جریان مستقیم قوی باشند. تحت عمل میدان، پلاریزاسیون خود به خودی هر حوزه مجبور به تراز شدن می شود، در نتیجه قطبش باقیمانده ایجاد می شود، یعنی یک اثر پیزوالکتریک نشان می دهد. PZT قطبی شده دیسک سرامیکی پیزوالکتریک به دلیل میدان الکتریکی قطبش مجبور به تعقیب اختلال درون سلولی می شود. چیدمان فرمان دامنه 90 و 180. ترتیب منظم و محور قطبش خود به خودی در سلول واحد کمی طولانی تر از محور قطبش غیر خود به خودی است و چاه کرنش در هنگام چرخش تنش داخلی زیادی ایجاد می کند. پس از حذف میدان الکتریکی خارجی، این تنش داخلی باعث عدم تعادل داخلی سلول واحد می شود. و انرژی داخلی بیشتری ذخیره می کند که منجر به 90 تبدیل شده است. دامنه جدید قبل از پلاریزاسیون به آرایش نامرتب بازگردانده می شود تا به تدریج استرس داخلی را از بین ببرد. بنابراین، قطبش باقیمانده مربوط به این موارد است. با اختلال و به تدریج کاهش، پارامترهای دی الکتریک و پیزوالکتریک بر این اساس تغییر خواهند کرد. مشاهده می شود که اختلال در حوزه های جدید ریشه مکانیسم پیری است. قوانین پیری به طور کلی شامل خطی، غیرخطی و تدریجی است. سه نوع نزدیک به خطی وجود دارد. عوامل موثر بر پیری محصولات PZT شامل عوامل خارجی و داخلی است. عوامل خارجی به محیط استفاده مربوط می شود. عوامل داخلی مانند دما و رطوبت ارتباط تنگاتنگی با ساختار دامنه و حرکت دامنه دارند که به دلیل میدان الکتریکی زیاد است. فرآیند وارونگی پلاریزاسیون با حرکت دیوارهای دامنه و تولید و حرکت دیوارهای دامنه جدید تکمیل می شود. ساختار دامنه ارتباط نزدیکی با ریزساختار پس از تف جوشی دارد مانند اندازه دانه، مرز دانه و غیره. وقتی اندازه دانه کوچک باشد. وقتی اندازه دیواره دامنه مشابه باشد، توسعه ساختار دامنه فروالکتریک و حرکت دیواره دامنه مانع می شود. به طور خاص، با افزایش اندازه دانه، کسر حجمی مرز دانه کاهش می‌یابد و جفت شدن بین مرز دانه و دیواره دامنه کاهش می‌یابد. جهت گیری دامنه دشوارتر است و حرکت دیواره دامنه به شدت سرکوب می شود، بنابراین قطبش باقیمانده و ثابت دی الکتریک با افزایش اندازه دانه افزایش می یابد و قدرت میدان اجباری کاهش می یابد. ضخامت و خواص مرز دانه نیز بر ساختار دامنه تأثیر دارد. مرز دانه برای توسعه دامنه در سراسر مرز دانه مطلوب است و پیزوالکتریکی محصول را بهبود می بخشد.