Primjena olovo cirkonat titanata (PZT) koji se koristi za piezoelektrični aktuator

1 Uvod 

Pametni materijali uključuju senzorske materijale i pokretačke materijale. Perceptivni materijali su klasa materijala koji imaju funkciju senzora za vanjski ili unutarnji stres, naprezanje, toplinu, svjetlost, elektricitet, magnetizam, energiju zračenja i kemijske količine. Mogu se koristiti za izradu raznih senzorskih uređaja; Materijali koji reagiraju na uvjete okoline ili unutarnje promjene i izvode radnje koje se mogu koristiti za izradu raznih pogonskih uređaja. Pametni uređaj je piezo aktuator s funkcijom senzorskog pogona izrađen od pametnih materijala. Inteligentna struktura sastoji se od materijala i uređaja. On integrira senzore, obradu signala, kontrolu i vožnju u materijalni sustav ili strukturni sustav. Može osjetiti okolinu ili interne parametre, obrađivati ​​informacije, izdavati naredbe, izvršavati i dovršavati akcije. kako bi se postigla funkcija samodijagnostike, samoiscjeljivanja i adaptacije. Primjena inteligentnih materijalnih sustava i struktura vrlo je široka, ne samo u obrambenom oružju kao što su zrakoplovi, ratni brodovi i sl., već iu strateški važnim područjima nacionalne ekonomije, posebice u područjima visoke tehnologije. Glavni materijali koji trenutno dovršavaju sustave i strukture pametnih materijala su materijali za pamćenje oblika, piezoelektrični materijali (uključujući piezoelektričnu keramiku, piezoelektrične polimere), elektrostrikcijski materijali, optička vlakna i elektroreološke varijante, magnetoreološke varijante i slično. Upotreba ovih pametnih materijala, u kombinaciji s pametnim i sofisticiranim kompozitnim dizajnom i izradom, rezultira materijalnim sustavom i strukturom koja se pokreće, osjeti i kontrolira.

Piezoelektrični materijali glavna su klasa materijala u sustavima i strukturama pametnih materijala. Dielektrični kristal od piezoelektrični keramički pretvornik s piezoelektričnim učinkom bit će polariziran i formirat će površinski naboj pod djelovanjem mehaničkog naprezanja. Ako se takav dielektrični kristal postavi u električno polje, djelovanje električnog polja će uzrokovati relativni pomak središta pozitivnog i negativnog naboja unutar dielektrika što će uzrokovati deformaciju. . Budući da piezoelektrični materijal ima gore navedene karakteristike, može se postići ujednačenost osjetilnog piezo elementa i akcijskog elementa. Piezoelektrični materijali mogu se široko koristiti u pametnim materijalima i strukturama, posebno za samodijagnostiku materijalne štete, samoprilagodbu, smanjenje vibracija i kontrolu buke. Vrste razvijenih piezoelektričnih materijala uključujući monokristal, polikristalno, mikrokristalno staklo, organske polimere i kompozitne materijale. Od 1980-ih, s završetkom vrhunca piezoelektričnih keramičkih materijala od razvoja binarnih sustava do ternarnih i višekomponentnih sustava, istraživanja piezoelektričnih materijala bila su spora. S brzim razvojem znanosti i tehnologije, razvoj i istraživanje pod zahtjevom primjene dalo je novi poticaj istraživanju piezoelektričnih materijala. Zajedno s neprekidnim naporima znanstvenih i tehnoloških radnika u temeljnom istraživanju i poboljšanju proizvodnog procesa, novi tip pritiska pojavio se u prošlom desetljeću. Stalna pojava električnih materijala potaknula je istraživanje piezoelektričnih materijala.

2 Pregled piezoelektričnih materijala

u piezoelektrična keramika kristal , asimetrija rasporeda pozitivnih i negativnih iona i nepoklapanje težišta pozitivnog i negativnog naboja jedinice tvore električni dipolni moment. Ovi električni dipolni momenti su poravnati u određenom smjeru kako bi postali struktura domene, a domene su neuredne na kristalu. efekti polarizacije se međusobno poništavaju, polarizacija u materijalu je nula, a smjer polarizacije domene polarizirane istosmjernim električnim poljem teži biti u istom smjeru. Kada vanjska sila djeluje na piezoelektrični materijal i uzrokuje deformaciju, materijal je pozitivno i negativno vezan. Korak naboja postaje manji, a intenzitet polarizacije također postaje manji. Slobodni naboj izvorno adsorbiran na elektrodi se djelomično oslobađa i javlja se fenomen pražnjenja, koji se naziva pozitivni piezoelektrični učinak; električno polje određenog intenziteta primjenjuje se na dva pola piezoelektričnog materijala, a razmak između pozitivnih i negativnih naboja na čipu postaje veći, intenzitet polarizacije također postaje veći, a neki slobodni naboji adsorbiraju se na elektrodama da izazovu fenomen naboja. Električni naboj se kreće u krugu kako bi proizveo mehaničku energiju prema van, što se naziva inverznim piezoelektričnim učinkom.

2.3 Metoda pripreme piezoelektričnog materijala

Za različite piezoelektrične materijale, odgovarajuća metoda pripreme odabire se prema njihovoj primjeni, karakteristikama. Metoda pripreme podijeljena je na metodu čvrste faze, metodu tekuće faze i metodu plinovite faze prema fazi faze koja se javlja tijekom pripreme.

2.3.1 Metoda čvrste faze

Kada se PZT piezo priprema tradicionalnom metodom čvrste faze, temperatura sinteriranja viša od 1200 °C uzrokovat će isparavanje PbO. Teško je kontrolirati stehiometrijski omjer, što otežava kontrolu mikrostrukture i električnih svojstava materijala. Pogodan je za sirovine, jednostavne procese i piezoelektrične materijale. Gdje zahtjevi za performansama nisu visoki.

2.3.2 Metoda tekuće faze

Priprema piezoelektričnih materijala metodom tekuće faze trenutno je najčešće korištena metoda, uključujući metodu koprecipitacije, metodu hidrotermalne sinteze, sol-gel metodu, metodu alkoksidne hidrolize i slično. Metoda koprecipitacije omogućuje niskotemperaturno sinteriranje kako bi se dobio piezoelektrični materijal koji ima veću gustoću od teorijske. Metoda koprecipitacije koristila je metodu programiranog prženja na temperaturi od 700 stupnjeva za pripremu praha BaT iO3 s veličinom čestica od 60 nm. Istraživači u Sjedinjenim Državama koristili su metodu koprecipitacije u kombinaciji s postupkom sušenja smrzavanjem kako bi sintetizirali PZ T prah nano veličine na 800 stupnjeva. Sinteriranjem je dobiven materijal teorijske gustoće od 98%. U istraživanju su kao prekurzorski reaktanti korišteni N b2 O 5 i T a 2 O5, a keramički prahovi KT aN b O3 pripremljeni su hidrotermalnom metodom i termičkom metodom otapala. Proučavana je sinterirana piezoelektrična keramika. Koeficijent spajanja doseže 0,5, a piezoelektrični koeficijent d 33 je između 150 ~ 450p C / N. Međutim, hidrotermalna metoda zahtijeva višu temperaturu i tlak, a ulaganje u opremu je veliko, što ograničava primjenu metode. Sol-gel metoda je najčešće korištena metoda u metodi tekuće faze. Filmovi visokih performansi mogu se pripremiti sol-gelom u kombinaciji s različitim postupcima kalupljenja i sinteriranja.

2.3. 3 metoda plinske faze

Metoda plinske faze prikladna je za pripremu piezoelektričnih filmova u nanorazmjerima, uglavnom fizičko taloženje iz pare i kemijsko taloženje iz pare. Među njima, metoda raspršivanja je najčešće korištena metoda. AP t / T i donja elektroda nanesena je na Si 2 / S i supstrat metodom ciljnog raspršivanja, a PZT film debljine oko 800 mm pripremljen je radiofrekvencijskim (RF) raspršivanjem. Kemijsko taloženje iz pare može precizno kontrolirati kemijski sastav produkta reakcije i pogodno je dopirati, ali je teško dobiti odgovarajući materijal za izvor plina, koji nije prikladan za jeftinu pripremu filma velikog volumena i praktički se manje koristi.