Opis piezokeramičkog pretvarača keramičkog materijala

O piezoelektričnim keramičkim pokretačkim materijalima, piezoelektrična keramika postavlja visoke zahtjeve za svojstva piezoelektričnih keramičkih materijala kao što su visokonaponska konstanta električnog naprezanja, visoka curie točka, visoki koeficijent elektromehaničke sprege i visoka frekvencijska konstanta. Najraširenija piezoelektrična keramika je PZT (olovni cirkonat titanat) baziran na Pzt materijal piezoelektrični keramički pretvornik zbog svog izvanrednog piezoelektričnog učinka, visoke curie temperature, jake otpornosti na zračenje i jednostavne integracije s tehnologijom integracije poluvodiča. Ali to je štetno za ljudsko tijelo i okoliš. Stoga su ljudi počeli tražiti piezoelektrične keramičke materijale bez olova s ​​izvrsnim performansama.

Bezolovni piezoelektrični keramički materijali koji se najviše istražuju u zemlji i inozemstvu uglavnom uključuju sljedeće sustave: piezoelektrična keramika bez olova na bazi barijeva titanata; bezolovna piezoelektrična keramika na bazi barijevog titanata; bezolovna piezoelektrična keramika na bazi tantalata i bezolovna piezoelektrična keramika sa slojevitom strukturom tantala.

Piezoelektrična keramika bez olova na bazi barij-titanata

Istraživanje i primjena barijevog titanata (BaTiO3) na bezolovnoj osnovi piezo keramički pretvarači bili su prilično zreli. Međutim, Curiejeva temperatura BaTiO3 keramike je niska (Tc=120), raspon radnih temperatura je uzak, a performanse piezoelektrične keramike su umjerene. Teško je uvelike poboljšati piezoelektrična svojstva modifikacijom dopinga, a postoji i fazni prijelaz blizu temperature. Stoga je njegova primjena piezoelektrične keramike ograničena. Bezolovni piezoelektrični keramički barij-stroncij-titanat i Bi0,5Na0,5TiO3 (BNT) tipičan je predstavnik serije titanata. BNT ima karakteristike opuštenog feroelektrika, koji ima relativno veliku zaostalu polarizaciju i izuzetno visoko koercitivno polje (7,5kV/mm), i ima veliki piezoelektrični koeficijent (kt, kp oko 50%), izvrsne performanse dielektrika kao što je mali koeficijent (240~340) i dobre akustičke performanse (njegova frekvencijska konstanta NP=3200Hz). Zbog visokog koercitivnog električnog polja i visoke električne vodljivosti u području feroelektrične faze, polarizacija je teška, što otežava proizvodnju praktične piezoelektrične keramike. Kako bi se prevladali nedostaci BNT piezo keramičke polarizacije i poteškoće sinteriranja u guste uzorke, dodaju se različiti parovi dopanata perovskitne strukture. BNT je modificiran. Uvođenjem elemenata kao što su Pb, Ba, Ca, Sr, Mn itd., jakost koercitivnog polja BNT-a je previsoka, a polarizacijske poteškoće uzrokovane visokom vodljivošću feroelektrične faze BNT-a su izbjegnute, a polarizacija BNT materijala uspješno je riješena.

Piezoelektrična keramika bez olova na bazi bizmuta:

Piezoelektrična keramika bez olova na bazi bizmuta uglavnom uključuje NaNbO3, KNbO3, LiNbO3 i slično. The piezo hemisferski keramički pretvornici imaju prednosti niske gustoće, velike akustične brzine, velikog mehaničkog faktora kvalitete Qm, velikog elektromehaničkog koeficijenta sprege kp, niske dielektrične konstante, visokih piezoelektričnih performansi, velike frekvencijske konstante itd., tako da je piezoelektrična keramika na bazi tantalata frekvencijski uređaj i preferirani materijal. Međutim, zbog hlapljivosti metalnog materijala, teško je dobiti piezo keramiku koja ima dobru kompaktnost konvencionalnim postupkom keramike, koji pogoršava svojstva keramike. Gusta NaNbO3-KNbO3 keramika može se dobiti postupkom vrućeg prešanja ili izostatičkog prešanja, a temperaturna stabilnost materijala je znatno poboljšana, a relativna gustoća može doseći 99%.

U praktičnim primjenama, neke inherentne karakteristike piezokeramičkog cilindričnog keramičkog pretvornika (kao što su histereza, puzanje, itd.) imaju veliki utjecaj na visokopreciznu kontrolu pomaka. Kako bi se smanjio utjecaj histereze piezoelektrične keramike na izlaz pomaka, strani su znanstvenici predložili mnoge metode kompenzacije. Trenutačno je metoda uklanjanja histereze općenito upravljanje zatvorenom petljom u procesu upravljanja. Ovaj način rada zahtijeva dodatni senzor pomaka za mjerenje pomaka i usporedbu s ciljnim pomakom regulatora kako bi se formirao složeni mehanizam za podešavanje kontrole. 

Pod djelovanjem izmjeničnog električnog polja, ultrazvučni polarizirani piezo pretvarači pokazat će makroskopsku feroelektričnu degradaciju zbog smanjenja aktivnosti stijenke feroelektrične domene. Mikropukotine, raslojavanje ili lom često nastaju zbog zamora materijala i polja. Intrinzični razlog je uglavnom zbog razlike u sučelju sa svojstvima. Koeficijent toplinskog širenja na sučelju između piezo keramike i elektrode je različit ili postoji kemijska reakcija, koja nepovoljno utječe na performanse piezoelektrične keramike na zamor. Sila povezivanja sučelja znatno se poboljšava ugradnjom praha elektrode u keramički materijal ili ugradnjom keramičkog praha i originalne elektrode. Električno polje i temperatura glavni su vanjski čimbenici koji utječu na performanse zamora. Proučavanjem dva čimbenika može se utvrditi da je polje jače od jakosti koercitivnog polja ili je frekvencija visoka, što će uzrokovati električni zamor. Osim toga, u određenom temperaturnom području otpornost na zamor raste s porastom temperature. Kada temperatura prijeđe određenu kritičnu vrijednost, materijal prelazi u paramagnetsku fazu i fenomen zamora nestaje.

Očekuje se da će piezoelektrični keramički zasloni prevladati nedostatke trenutačnih mainstream zaslona koji su osjetljivi na elektromagnetske smetnje, mrtve točke, jetkanje, itd., te imaju široke tržišne izglede. Niz pokretača piezoelektričnih keramičkih zaslona može se proizvesti postupkom silicij kalupa ili postupkom elektroforetskog taloženja, a piezoelektrična keramika na bazi olova može se zamijeniti piezoelektričnom keramikom bez olova sa strukturom na bazi tantalata i tantala. Unatoč određenom napretku u razvoju piezoelektričnih keramičkih zaslona, ​​još uvijek postoji niz ključnih problema procesne tehnologije kojima se treba pozabaviti:

(1) Iako su performanse neke bezolovne piezoelektrične keramike izvrsne, još uvijek postoji veliki jaz u usporedbi s piezoelektričnom keramikom na bazi PZT-a, a piezoelektrična svojstva trebala bi se dodatno poboljšati modifikacijom mjerenja i poboljšanjem procesa;

(2) Kako bi točnost histereze i kompenzacije puzanja piezoelektričnog pretvarača tlaka bolje zadovoljila zahtjeve kontrole pozicioniranja ultravisoke preciznosti, znanstvenici moraju dodatno proučiti kompenzaciju korekcije ili učinkovitu kontrolu kroz eksperimente za smanjenje piezoelektričnog keramičkog pokretača. Utjecaj puzanja na točnost pozicioniranja;

(3) Trenutačno se istraživanje zamora izazvanog poljem uglavnom fokusira na električno polje i temperaturno polje, ali nedostaju istraživanja o polju pod spregom više polja, ali stvarni piezoelektrični keramički uređaji rade u uvjetima sprege više polja, tako da je potrebno pojačati proučavanje mehanizma zamora izazvanog poljem pod spregom više polja.