पीजोइलेक्ट्रिक एक्चुएटर के लिए उपयोग किए जाने वाले लेड जिरकोनेट टाइटेनेट (पीजेडटी) का अनुप्रयोग

1 परिचय 

स्मार्ट सामग्रियों में सेंसिंग सामग्री और ड्राइविंग सामग्री शामिल हैं। अवधारणात्मक सामग्री सामग्रियों का एक वर्ग है जिसमें बाहरी या आंतरिक तनाव, तनाव, गर्मी, प्रकाश, बिजली, चुंबकत्व, उज्ज्वल ऊर्जा और रासायनिक मात्रा के लिए संवेदी कार्य होता है। उनका उपयोग विभिन्न सेंसर उपकरण बनाने के लिए किया जा सकता है; ऐसी सामग्रियां जो पर्यावरणीय परिस्थितियों या आंतरिक परिवर्तनों पर प्रतिक्रिया करती हैं और ऐसी क्रियाएं करती हैं जिनका उपयोग विभिन्न प्रकार के ड्राइव डिवाइस बनाने के लिए किया जा सकता है। स्मार्ट डिवाइस एक पीजो एक्चुएटर है जिसमें स्मार्ट सामग्रियों से बना सेंसिंग ड्राइव फ़ंक्शन है। बुद्धिमान संरचना सामग्रियों और उपकरणों से बनी होती है। यह एक सामग्री प्रणाली या संरचनात्मक प्रणाली में सेंसिंग, सिग्नल प्रोसेसिंग, नियंत्रण और ड्राइविंग को एकीकृत करता है। यह पर्यावरण या आंतरिक मापदंडों को समझ सकता है, जानकारी संसाधित कर सकता है, आदेश जारी कर सकता है, निष्पादित कर सकता है और कार्रवाई पूरी कर सकता है। स्व-निदान, स्व-उपचार और अनुकूली कार्यों को प्राप्त करने के लिए। बुद्धिमान सामग्री प्रणालियों और संरचनाओं का अनुप्रयोग बहुत व्यापक है, न केवल रक्षा-रक्षा हथियारों जैसे हवाई जहाज, युद्धपोत आदि में, बल्कि राष्ट्रीय अर्थव्यवस्था के रणनीतिक रूप से महत्वपूर्ण क्षेत्रों में भी, विशेष रूप से उच्च तकनीक क्षेत्रों में। वर्तमान में स्मार्ट सामग्री प्रणालियों और संरचनाओं को पूरा करने वाली मुख्य सामग्रियां आकार मेमोरी सामग्री, पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री (पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक, पीजोइलेक्ट्रिक पॉलिमर सहित), इलेक्ट्रोस्ट्रिक्टिव सामग्री, ऑप्टिकल फाइबर और इलेक्ट्रोरियोलॉजिकल वेरिएंट, मैग्नेटोरियोलॉजिकल वेरिएंट और इसी तरह की हैं। चतुर और परिष्कृत समग्र डिजाइन और निर्माण के साथ इन स्मार्ट सामग्रियों का उपयोग, जिसके परिणामस्वरूप एक ऐसी सामग्री प्रणाली और संरचना बनती है जो संचालित, संवेदी और नियंत्रित होती है।

पीज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री स्मार्ट सामग्री प्रणालियों और संरचनाओं में सामग्रियों का एक प्रमुख वर्ग है। का एक ढांकता हुआ क्रिस्टल पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव वाले पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक ट्रांसड्यूसर को ध्रुवीकृत किया जाएगा और यांत्रिक तनाव की कार्रवाई के तहत एक सतह चार्ज बनाया जाएगा। यदि ऐसे ढांकता हुआ क्रिस्टल को विद्युत क्षेत्र में रखा जाता है, तो विद्युत क्षेत्र की क्रिया से ढांकता हुआ के अंदर सकारात्मक और नकारात्मक चार्ज केंद्रों के सापेक्ष विस्थापन के कारण विरूपण होगा। . चूंकि पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री में उपरोक्त विशेषताएं हैं, इसलिए सेंसिंग पीजो तत्व और क्रिया तत्व की एकरूपता प्राप्त की जा सकती है। पीजोइलेक्ट्रिक सामग्रियों का व्यापक रूप से स्मार्ट सामग्रियों और संरचनाओं में उपयोग किया जा सकता है, विशेष रूप से सामग्री क्षति स्व-निदान, स्व-अनुकूलन, कंपन में कमी और शोर नियंत्रण के लिए। एकल क्रिस्टल, पॉलीक्रिस्टलाइन, माइक्रोक्रिस्टलाइन ग्लास, कार्बनिक पॉलिमर और मिश्रित सामग्री सहित पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री के प्रकार विकसित हुए। 1980 के दशक के बाद से, बाइनरी सिस्टम से टर्नरी और मल्टी-कंपोनेंट सिस्टम के विकास से पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक सामग्रियों के चरमोत्कर्ष के अंत के साथ, पीजोइलेक्ट्रिक सामग्रियों पर अनुसंधान धीमा हो गया है। विज्ञान और प्रौद्योगिकी के तेजी से विकास के साथ, अनुप्रयोग की मांग के तहत विकास और अन्वेषण ने पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री के अनुसंधान को नई गति दी है। बुनियादी अनुसंधान और उत्पादन प्रक्रिया में सुधार में विज्ञान और प्रौद्योगिकी कार्यकर्ताओं के निरंतर प्रयासों के साथ, पिछले दशक में नए प्रकार का दबाव रहा है। विद्युत सामग्रियों के निरंतर उद्भव ने पीज़ोइलेक्ट्रिक सामग्रियों के अनुसंधान को आगे बढ़ाया है।

2 पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री का अवलोकन

में पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक क्रिस्टल , सकारात्मक और नकारात्मक आयनों की व्यवस्था की विषमता और इकाई के सकारात्मक और नकारात्मक आरोपों के गुरुत्वाकर्षण के केंद्र की गैर-संयोग एक विद्युत द्विध्रुवीय क्षण बनाती है। ये विद्युत द्विध्रुव क्षण एक डोमेन संरचना बनने के लिए एक निश्चित दिशा में संरेखित होते हैं, और डोमेन क्रिस्टल पर अव्यवस्थित होते हैं। ध्रुवीकरण प्रभाव एक दूसरे को रद्द कर देते हैं, सामग्री में ध्रुवीकरण शून्य होता है, और डीसी विद्युत क्षेत्र द्वारा ध्रुवीकृत डोमेन की ध्रुवीकरण दिशा एक ही दिशा में होती है। जब कोई बाहरी बल पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री पर विरूपण पैदा करने के लिए कार्य करता है, तो सामग्री सकारात्मक और नकारात्मक रूप से बंधी होती है। चार्ज की पिच छोटी हो जाती है और ध्रुवीकरण की तीव्रता भी कम हो जाती है। मूल रूप से इलेक्ट्रोड पर अधिशोषित मुक्त चार्ज आंशिक रूप से जारी होता है, और डिस्चार्ज घटना होती है, जिसे सकारात्मक पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव कहा जाता है; पीज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री के दो ध्रुवों पर एक निश्चित तीव्रता वाला विद्युत क्षेत्र लागू किया जाता है, और ऑन-चिप पर सकारात्मक और नकारात्मक चार्ज अंतर बड़ा हो जाता है, ध्रुवीकरण की तीव्रता भी बड़ी हो जाती है, और कुछ मुक्त चार्ज इलेक्ट्रोड पर सोख लिए जाते हैं जिससे चार्जिंग घटना होती है। विद्युत आवेश बाहरी यांत्रिक ऊर्जा को आउटपुट करने के लिए सर्किट में चलता है, जिसे व्युत्क्रम पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव कहा जाता है।

2.3 पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री तैयार करने की विधि

विभिन्न पीज़ोइलेक्ट्रिक सामग्रियों के लिए, उसके अनुप्रयोग, विशेषताओं के अनुसार एक उपयुक्त तैयारी विधि का चयन किया जाता है। तैयारी के दौरान होने वाले चरण के अनुसार तैयारी विधि को ठोस चरण विधि, तरल चरण विधि और गैस चरण विधि में विभाजित किया जाता है।

2.3.1 ठोस चरण विधि

जब पीजेडटी पीजो पारंपरिक ठोस चरण विधि द्वारा तैयार किया जाता है, तो 1200 डिग्री सेल्सियस से अधिक सिंटरिंग तापमान पीबीओ के अस्थिरता का कारण बनेगा। स्टोइकोमेट्रिक अनुपात को नियंत्रित करना मुश्किल है, जिससे सामग्री की सूक्ष्म संरचना और विद्युत गुणों को नियंत्रित करना मुश्किल हो जाता है। यह कच्चे माल, सरल प्रक्रिया और पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री के लिए उपयुक्त है। जहां प्रदर्शन आवश्यकताएं अधिक नहीं हैं.

2.3.2 द्रव चरण विधि

तरल चरण विधि द्वारा पीजोइलेक्ट्रिक सामग्रियों की तैयारी वर्तमान में सबसे अधिक इस्तेमाल की जाने वाली विधि है, जिसमें सह-अवक्षेपण विधि, हाइड्रोथर्मल संश्लेषण विधि, सोल-जेल विधि, एल्कोऑक्साइड हाइड्रोलिसिस विधि और इसी तरह शामिल हैं। सह-अवक्षेपण विधि सैद्धांतिक घनत्व की तुलना में अधिक घनत्व वाली पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री प्राप्त करने के लिए कम तापमान वाले सिंटरिंग को सक्षम बनाती है। सह-अवक्षेपण विधि में 60nm कण आकार के साथ BaT iO3 पाउडर तैयार करने के लिए 700 डिग्री तापमान पर प्रोग्राम की गई रोस्टिंग विधि का उपयोग किया गया। संयुक्त राज्य अमेरिका के शोधकर्ताओं ने 800 डिग्री पर नैनो-आकार के पीजेड टी पाउडर को संश्लेषित करने के लिए फ्रीज-सुखाने की प्रक्रिया के साथ संयुक्त सह-अवक्षेपण विधि का उपयोग किया। सिंटरिंग ने 98% सैद्धांतिक घनत्व वाली सामग्री दी। अध्ययन में, N b2 O 5 और T a 2 O5 का उपयोग पूर्ववर्ती अभिकारकों के रूप में किया गया था, और KT aN b O3 सिरेमिक पाउडर हाइड्रोथर्मल विधि और विलायक थर्मल विधि द्वारा तैयार किए गए थे। सिंटेड पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक का अध्ययन किया गया। युग्मन गुणांक 0.5 तक पहुंचता है, और पीजोइलेक्ट्रिक गुणांक डी 33 150 ~ 450पी सी/एन के बीच है। हालांकि, हाइड्रोथर्मल विधि के लिए उच्च तापमान और दबाव की आवश्यकता होती है, और उपकरण निवेश बड़ा होता है, जो विधि के अनुप्रयोग को सीमित करता है। तरल चरण विधि में सोल-जेल विधि सबसे अधिक उपयोग की जाने वाली विधि है। विभिन्न मोल्डिंग और सिंटरिंग प्रक्रियाओं के साथ संयुक्त सोल-जेल द्वारा उच्च प्रदर्शन वाली फिल्में तैयार की जा सकती हैं।

2.3. 3 गैस चरण विधि

गैस चरण विधि नैनो-स्केल पीज़ोइलेक्ट्रिक फिल्मों की तैयारी के लिए उपयुक्त है, मुख्य रूप से भौतिक वाष्प जमाव और रासायनिक वाष्प जमाव। उनमें से, स्पटरिंग विधि सबसे अधिक इस्तेमाल की जाने वाली विधि है। एपी टी / टी आई बॉटम इलेक्ट्रोड को लक्ष्य स्पटरिंग विधि द्वारा सी 2 / एस आई सब्सट्रेट पर जमा किया गया था, और लगभग 800 मिमी की मोटाई वाली एक पीजेडटी फिल्म रेडियो फ्रीक्वेंसी (आरएफ) स्पटरिंग द्वारा तैयार की गई थी। रासायनिक वाष्प जमाव प्रतिक्रिया उत्पाद की रासायनिक संरचना को सटीक रूप से नियंत्रित कर सकता है, और इसे डोप करना सुविधाजनक है, लेकिन उपयुक्त गैस स्रोत सामग्री प्राप्त करना मुश्किल है, जो फिल्म की कम लागत, बड़ी मात्रा में तैयारी के लिए उपयुक्त नहीं है, और व्यावहारिक रूप से कम उपयोग किया जाता है।