पीज़ोसेरेमिक सिरेमिक सामग्री ट्रांसड्यूसर का विवरण

पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक चालक सामग्री के बारे में, पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक सामग्री के गुणों पर उच्च आवश्यकताओं को प्रदर्शित करता है जैसे उच्च वोल्टेज विद्युत तनाव स्थिरांक, उच्च क्यूरी बिंदु, उच्च इलेक्ट्रोमैकेनिकल युग्मन गुणांक और उच्च आवृत्ति स्थिरांक। सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल किया जाने वाला पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक PZT (लेड जिरकोनेट टाइटेनेट) पर आधारित है Pzt सामग्री पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक ट्रांसड्यूसर अपने उल्लेखनीय पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव के कारण, यह उच्च क्यूरी तापमान, मजबूत विकिरण प्रतिरोध और अर्धचालक एकीकरण प्रौद्योगिकी के साथ आसान एकीकरण है। लेकिन यह मानव शरीर और पर्यावरण के लिए हानिकारक है। इसलिए, लोगों ने उत्कृष्ट प्रदर्शन के साथ सीसा रहित पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक सामग्री की तलाश शुरू कर दी।

देश और विदेश में सबसे अधिक शोधित सीसा रहित पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक सामग्रियों में मुख्य रूप से निम्नलिखित प्रणालियाँ शामिल हैं: बेरियम टाइटेनेट-आधारित सीसा रहित पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक; बेरियम टाइटेनेट-आधारित सीसा रहित पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक; टैंटलेट-आधारित सीसा रहित पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक और टैंटलम स्तरित संरचना सीसा रहित पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक।

बेरियम टाइटेनेट-आधारित सीसा रहित पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक

सीसा रहित पर आधारित बेरियम टाइटेनेट (BaTiO3) का अनुसंधान और अनुप्रयोग पीजो सिरेमिक ट्रांसड्यूसर काफी परिपक्व हो चुके हैं। हालाँकि, BaTiO3 सिरेमिक का क्यूरी तापमान कम है (Tc=120), ऑपरेटिंग तापमान सीमा संकीर्ण है, और पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक का प्रदर्शन मध्यम है। डोपिंग संशोधन द्वारा पीज़ोइलेक्ट्रिक गुणों में काफी सुधार करना मुश्किल है, और तापमान के निकट एक चरण संक्रमण होता है। इसलिए, पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक का इसका अनुप्रयोग सीमित है। बेरियम स्ट्रोंटियम टाइटेनेट-आधारित सीसा रहित पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक बेरियम टाइटेनेट और Bi0.5Na0.5TiO3 (BNT) टाइटेनेट श्रृंखला का एक विशिष्ट प्रतिनिधि है। बीएनटी में रिलैक्स्ड फेरोइलेक्ट्रिक्स की विशेषताएं हैं, जिसमें अपेक्षाकृत बड़ा अवशेष ध्रुवीकरण और अत्यधिक उच्च बलशाली क्षेत्र (7.5 केवी/मिमी) है, और इसमें एक बड़ा पीजोइलेक्ट्रिक गुणांक (केटी, केपी लगभग 50%) है, ढांकता हुआ का उत्कृष्ट प्रदर्शन जैसे कि छोटा गुणांक (240 ~ 340) और अच्छा ध्वनिक प्रदर्शन (इसकी आवृत्ति स्थिरांक एनपी = 3200 हर्ट्ज)। इसके उच्च प्रबल विद्युत क्षेत्र और फेरोइलेक्ट्रिक चरण क्षेत्र में उच्च विद्युत चालकता के कारण, ध्रुवीकरण मुश्किल है, जिससे व्यावहारिक पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक का उत्पादन करना मुश्किल हो रहा है। बीएनटी पीजो सिरेमिक ध्रुवीकरण की कमियों और घने नमूनों में सिंटरिंग की कठिनाई को दूर करने के लिए, विभिन्न प्रकार के पेरोव्स्काइट संरचना डोपेंट जोड़े जोड़े जाते हैं। बीएनटी को संशोधित किया गया है। पीबी, बीए, सीए, एसआर, एमएन इत्यादि जैसे तत्वों को पेश करने से, बीएनटी की जबरदस्त क्षेत्र ताकत बहुत अधिक है, और बीएनटी फेरोइलेक्ट्रिक चरण की उच्च चालकता के कारण होने वाली ध्रुवीकरण कठिनाई से बचा जाता है, और बीएनटी सामग्री का ध्रुवीकरण सफलतापूर्वक हल हो जाता है।

बिस्मथ-आधारित सीसा रहित पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक:

बिस्मथ-आधारित सीसा रहित पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक में मुख्य रूप से NaNbO3, KNbO3, LiNbO3 और इसी तरह के उत्पाद शामिल हैं। पीजो गोलार्ध सिरेमिक ट्रांसड्यूसर में कम घनत्व, उच्च ध्वनिक वेग, बड़े यांत्रिक गुणवत्ता कारक क्यूएम, बड़े इलेक्ट्रोमैकेनिकल युग्मन गुणांक केपी, कम ढांकता हुआ स्थिरांक, उच्च पीजोइलेक्ट्रिक प्रदर्शन, बड़ी आवृत्ति स्थिरांक आदि के फायदे हैं, इसलिए टैंटलेट-आधारित पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक एक आवृत्ति उपकरण और पसंदीदा सामग्री है। हालाँकि, धातु सामग्री की अस्थिरता के कारण, पारंपरिक सिरेमिक प्रक्रिया द्वारा अच्छी कॉम्पैक्टनेस वाले पीजो सिरेमिक प्राप्त करना मुश्किल है, जो सिरेमिक गुणों को खराब करता है। घने NaNbO3-KNbO3 सिरेमिक को गर्म दबाव या आइसोस्टैटिक दबाव प्रक्रिया द्वारा प्राप्त किया जा सकता है, और सामग्री की तापमान स्थिरता में काफी सुधार होता है, और सापेक्ष घनत्व 99% तक पहुंच सकता है।

व्यावहारिक अनुप्रयोगों में, पीज़ोसेरेमिक सिलेंडर सिरेमिक ट्रांसड्यूसर (जैसे हिस्टैरिसीस, क्रीप, आदि) की कुछ अंतर्निहित विशेषताएं उच्च-सटीक विस्थापन नियंत्रण पर बहुत प्रभाव डालती हैं। विस्थापन उत्पादन पर पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक के हिस्टैरिसीस के प्रभाव को कम करने के लिए, विदेशी विद्वानों ने कई मुआवजे के तरीकों का प्रस्ताव दिया है। वर्तमान में, हिस्टैरिसीस को खत्म करने की विधि आम तौर पर नियंत्रण प्रक्रिया में बंद-लूप नियंत्रण है। इस मोड में विस्थापन को मापने और एक जटिल नियंत्रण समायोजन तंत्र बनाने के लिए नियंत्रक के लक्ष्य विस्थापन के साथ तुलना करने के लिए एक अतिरिक्त विस्थापन सेंसर की आवश्यकता होती है। 

वैकल्पिक विद्युत क्षेत्र की कार्रवाई के तहत, अल्ट्रासोनिक ध्रुवीकृत पीजो ट्रांसड्यूसर फेरोइलेक्ट्रिक डोमेन दीवार गतिविधि में कमी के कारण मैक्रोस्कोपिक फेरोइलेक्ट्रिक गिरावट प्रदर्शित करेंगे। सूक्ष्म दरारें, प्रदूषण या फ्रैक्चर अक्सर सामग्री और क्षेत्र-प्रेरित थकान के कारण होते हैं। आंतरिक कारण मुख्य रूप से गुणों के साथ इंटरफ़ेस में अंतर के कारण है। पीजो सिरेमिक और इलेक्ट्रोड के बीच इंटरफेस पर थर्मल विस्तार गुणांक अलग है या कोई रासायनिक प्रतिक्रिया होती है, जो पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक के थकान प्रदर्शन पर प्रतिकूल प्रभाव डालती है। सिरेमिक सामग्री में इलेक्ट्रोड पाउडर को शामिल करने या सिरेमिक पाउडर और मूल इलेक्ट्रोड को शामिल करने से इंटरफ़ेस बॉन्डिंग बल में काफी सुधार होता है। विद्युत क्षेत्र और तापमान मुख्य बाहरी कारक हैं जो थकान प्रदर्शन को प्रभावित करते हैं। दो कारकों के अध्ययन से पाया जा सकता है कि क्षेत्र बलपूर्वक क्षेत्र की ताकत से अधिक मजबूत है या आवृत्ति अधिक है, जिससे विद्युत थकान होगी। इसके अलावा, एक निश्चित तापमान सीमा में, बढ़ते तापमान के साथ थकान प्रतिरोध बढ़ता है। जब तापमान एक निश्चित महत्वपूर्ण मूल्य से अधिक हो जाता है, तो सामग्री अनुचुंबकीय चरण में प्रवेश करती है और थकान की घटना गायब हो जाती है।

पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक डिस्प्ले से वर्तमान मुख्यधारा डिस्प्ले की कमियों को दूर करने की उम्मीद है जो विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप, मृत धब्बे, नक़्क़ाशी आदि के प्रति संवेदनशील हैं और बाजार की व्यापक संभावनाएं रखते हैं। पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक डिस्प्ले के एक्चुएटर ऐरे को सिलिकॉन मोल्ड प्रक्रिया या इलेक्ट्रोफोरेटिक जमाव प्रक्रिया द्वारा निर्मित किया जा सकता है, और सीसा-आधारित पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक को टैंटलेट-आधारित और टैंटलम-संरचित संरचना के सीसा रहित पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक द्वारा प्रतिस्थापित किया जा सकता है। पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक डिस्प्ले के विकास में कुछ प्रगति के बावजूद, अभी भी कई प्रमुख प्रक्रिया प्रौद्योगिकी मुद्दे हैं जिन पर ध्यान देने की आवश्यकता है:

(1) हालांकि कुछ सीसा रहित पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक का प्रदर्शन उत्कृष्ट है, फिर भी पीजेडटी-आधारित पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक की तुलना में एक बड़ा अंतर है, और संशोधन और प्रक्रिया में सुधार को मापकर पीजोइलेक्ट्रिक गुणों में और सुधार किया जाना चाहिए;

(2) पीजोइलेक्ट्रिक दबाव ट्रांसड्यूसर की हिस्टैरिसीस और क्रीप क्षतिपूर्ति सटीकता को अल्ट्रा-हाई प्रिसिजन पोजिशनिंग नियंत्रण की आवश्यकताओं को बेहतर ढंग से पूरा करने के लिए, वैज्ञानिकों को पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक ड्राइवर को कम करने के लिए प्रयोगों के माध्यम से सुधार मुआवजे या प्रभावी नियंत्रण का और अध्ययन करने की आवश्यकता है। स्थिति सटीकता पर रेंगने का प्रभाव;

(3) वर्तमान में, क्षेत्र-प्रेरित थकान अनुसंधान ज्यादातर विद्युत क्षेत्र और तापमान क्षेत्र पर केंद्रित है, लेकिन बहु-क्षेत्र युग्मन के तहत क्षेत्र पर अनुसंधान की कमी है, लेकिन वास्तविक पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक उपकरण बहु-क्षेत्र युग्मन स्थितियों के तहत काम करते हैं, इसलिए बहु-क्षेत्र युग्मन के तहत क्षेत्र-प्रेरित थकान तंत्र के अध्ययन को मजबूत करना आवश्यक है।