Lyijyzirkonaattititanaatin (PZT) käyttö pietsosähköisessä toimilaitteessa

1 Johdanto 

Älykkäitä materiaaleja ovat anturimateriaalit ja ajomateriaalit. Perseptuaaliset materiaalit ovat materiaaliluokka, joka tunnistaa ulkoisen tai sisäisen jännityksen, jännityksen, lämmön, valon, sähkön, magnetismin, säteilyenergian ja kemialliset suuret. Niistä voidaan valmistaa erilaisia ​​anturilaitteita; Materiaalit, jotka reagoivat ympäristöolosuhteisiin tai sisäisiin muutoksiin ja suorittavat toimintoja, joita voidaan käyttää erilaisten käyttölaitteiden valmistamiseen. Älylaite on älykkäistä materiaaleista valmistettu pietsotoimilaite, jossa on anturikäyttötoiminto. Älykäs rakenne koostuu materiaaleista ja laitteista. Se integroi tunnistuksen, signaalinkäsittelyn, ohjauksen ja ohjauksen materiaalijärjestelmään tai rakenteelliseen järjestelmään. Se voi havaita ympäristön tai sisäiset parametrit, käsitellä tietoja, antaa komentoja, suorittaa ja suorittaa toimintoja. saavuttaa itsediagnoosin, itsensä parantamisen ja mukautumistoiminnot. Älykkäiden materiaalijärjestelmien ja rakenteiden käyttö on erittäin laajaa, ei vain puolustus-puolustusaseissa, kuten lentokoneissa, sota-aluksissa jne., vaan myös kansantalouden strategisesti tärkeillä alueilla, erityisesti korkean teknologian aloilla. Tärkeimmät tällä hetkellä älykkäiden materiaalijärjestelmien ja -rakenteiden viimeistelevät materiaalit ovat muotomuistimateriaalit, pietsosähköiset materiaalit (mukaan lukien pietsosähköiset keramiikka, pietsosähköiset polymeerit), sähköstriktiiviset materiaalit, optiset kuidut ja elektroreologiset variantit, magnetorheologiset variantit ja vastaavat. Näiden älykkäiden materiaalien käyttö yhdistettynä älykkääseen ja hienostuneeseen komposiittisuunnitteluun ja valmistukseen, mikä johtaa materiaalijärjestelmään ja rakenteeseen, jota ohjataan, tunnistetaan ja ohjataan.

Pietsosähköiset materiaalit ovat tärkeä materiaaliluokka älykkäissä materiaalijärjestelmissä ja rakenteissa. Dielektrinen kide Pietsosähköinen keraaminen muunnin , jolla on pietsosähköinen vaikutus, polarisoituu ja muodostaa pintavarauksen mekaanisen rasituksen vaikutuksesta. Jos tällainen dielektrinen kide asetetaan sähkökenttään, sähkökentän toiminta aiheuttaa positiivisten ja negatiivisten varauskeskusten suhteellisen siirtymisen eristeen sisällä aiheuttaen muodonmuutosta. . Koska pietsosähköisellä materiaalilla on edellä mainitut ominaisuudet, voidaan saavuttaa anturipietsoelementin ja toimintaelementin tasaisuus. Pietsosähköisiä materiaaleja voidaan käyttää laajalti älykkäissä materiaaleissa ja rakenteissa, erityisesti materiaalivahinkojen itsediagnosointiin, itsesopeutumiseen, tärinänvaimennuksen ja melunhallintaan. Kehitettyjen pietsosähköisten materiaalien tyypit mukaan lukien yksikide-, monikiteinen, mikrokiteinen lasi, orgaaniset polymeerit ja komposiittimateriaalit. 1980-luvulta lähtien, jolloin pietsosähköisten keraamisten materiaalien huipentuma päättyi binäärijärjestelmien kehittämisestä kolmikomponenttisiin ja monikomponenttisiin järjestelmiin, pietsosähköisten materiaalien tutkimus on ollut hidasta. Tieteen ja tekniikan nopean kehityksen myötä sovelluskehitys ja -tutkimus on antanut uutta pontta pietsosähköisten materiaalien tutkimukselle. Yhdessä tieteen ja teknologian työntekijöiden hellittämättömien ponnistelujen kanssa perustutkimuksessa ja tuotantoprosessien parantamisessa uudenlainen paine on ollut viime vuosikymmenellä. Sähkömateriaalien jatkuva ilmaantuminen on tehnyt pietsosähköisten materiaalien tutkimuksen.

2 Yleiskatsaus pietsosähköisistä materiaaleista

Vuonna pietsosähköinen keramiikkakide , positiivisten ja negatiivisten ionien järjestelyn epäsymmetria ja yksikön positiivisten ja negatiivisten varausten painopisteiden epäyhtenäisyys muodostavat sähköisen dipolimomentin. Nämä sähköiset dipolimomentit kohdistetaan tiettyyn suuntaan, jotta niistä tulee domeenirakenne, ja domeenit ovat epäjärjestyneet kiteessä. polarisaatiovaikutukset kumoavat toisensa, materiaalin polarisaatio on nolla ja DC-sähkökentän polarisoiman alueen polarisaatiosuunta pyrkii olemaan samassa suunnassa. Kun ulkoinen voima vaikuttaa pietsosähköiseen materiaaliin aiheuttaen muodonmuutosta, materiaali sitoutuu positiivisesti ja negatiivisesti. Varauksen sävelkorkeus pienenee ja myös polarisaation intensiteetti pienenee. Alun perin elektrodiin adsorboitunut vapaa varaus vapautuu osittain ja tapahtuu purkausilmiö, jota kutsutaan positiiviseksi pietsosähköiseksi efektiksi; tietyn voimakkuuden sähkökenttä kohdistetaan pietsosähköisen materiaalin kahteen napaan, ja sirulla on positiivinen ja negatiivinen varausetäisyys kasvaa, polarisaatiointensiteetti myös kasvaa, ja jotkut vapaat varaukset adsorboituvat elektrodeihin aiheuttaen latausilmiön. Sähkövaraus liikkuu piirissä tuottamaan mekaanista energiaa ulospäin, jota kutsutaan käänteispietsosähköiseksi efektiksi.

2.3 Pietsosähköisen materiaalin valmistusmenetelmä

Eri pietsosähköisille materiaaleille valitaan sopiva valmistusmenetelmä sen käyttökohteen, ominaisuuksien mukaan. Valmistusmenetelmä on jaettu kiinteäfaasimenetelmään, nestefaasimenetelmään ja kaasufaasimenetelmään valmistuksen aikana esiintyvän faasin mukaan.

2.3.1 Kiinteäfaasimenetelmä

Kun PZT-pietsoa valmistetaan perinteisellä kiinteäfaasimenetelmällä, yli 1200 °C:n sintrauslämpötila aiheuttaa PbO:n haihtumista. Stökiömetristä suhdetta on vaikea hallita, mikä tekee materiaalin mikrorakenteen ja sähköisten ominaisuuksien hallinnan vaikeaksi. Se sopii raaka-aineille, yksinkertaisille prosesseille ja pietsosähköisille materiaaleille. Kun suorituskykyvaatimukset eivät ole korkeat.

2.3.2 Nestefaasimenetelmä

Pietsosähköisten materiaalien valmistus nestefaasimenetelmällä on tällä hetkellä yleisimmin käytetty menetelmä, mukaan lukien yhteissaostusmenetelmä, hydroterminen synteesimenetelmä, sooli-geelimenetelmä, alkoksidihydrolyysimenetelmä ja vastaavat. Yhteisaostusmenetelmä mahdollistaa matalan lämpötilan sintrauksen, jolloin saadaan pietsosähköistä materiaalia, jonka tiheys on suurempi kuin teoreettinen tiheys. Yhteisaostusmenetelmässä käytettiin 700 asteen lämpötilaohjelmoitua paahtomenetelmää BaT iO3 -jauheen valmistukseen, jonka hiukkaskoko oli 60 nm. Yhdysvaltalaiset tutkijat käyttivät yhteissaostusmenetelmää yhdistettynä pakastekuivausprosessiin nanokokoisen PZ T -jauheen syntetisoimiseksi 800 asteessa. Sintraus antoi materiaalin, jonka teoreettinen tiheys oli 98 %. Tutkimuksessa käytettiin lähtöainereagenssina N b2 O 5:tä ja T a 2 O5:tä ja KT aN b O3 keraamisia jauheita valmistettiin hydrotermisellä menetelmällä ja liuotinlämpömenetelmällä. Sintrattua pietsosähköistä keramiikkaa tutkittiin. Kytkentäkerroin saavuttaa arvon 0,5 ja pietsosähköinen kerroin d 33 on välillä 150 ~ 450p C/N. Hydroterminen menetelmä vaatii kuitenkin korkeampaa lämpötilaa ja painetta ja laiteinvestointi on suuri, mikä rajoittaa menetelmän soveltamista. Sooli-geeli -menetelmä on yleisimmin käytetty menetelmä nestefaasimenetelmässä. Suorituskykyisiä kalvoja voidaan valmistaa sooligeelillä yhdistettynä erilaisiin muovaus- ja sintrausprosesseihin.

2.3. 3 kaasufaasimenetelmä

Kaasufaasimenetelmä soveltuu nanomittakaavan pietsosähköisten kalvojen valmistukseen, pääasiassa fysikaaliseen höyrypinnoitukseen ja kemialliseen höyrypinnoitukseen. Niistä sputterointimenetelmä on yleisimmin käytetty menetelmä. APt/Ti-pohjaelektrodi kerrostettiin Si2/Si-substraatille kohdesputterointimenetelmällä, ja PZT-kalvo, jonka paksuus oli noin 800 mm, valmistettiin radiotaajuisella (RF) sputteroinnilla. Kemiallinen höyrypinnoitus voi tarkasti ohjata reaktiotuotteen kemiallista koostumusta, ja se on kätevä doping, mutta on vaikeaa saada sopivaa kaasulähdemateriaalia, joka ei sovellu edulliseen, suuren volyymin kalvon valmistukseen ja jota käytetään käytännössä vähemmän.