Nekoliko problema u pripremi PZT piezoelektrične keramike

PZT piezoelektrična keramika ima karakteristike visoke curie temperature, jaku piezoelektričnost, laku modifikaciju dopinga i dobru stabilnost. Od 1960-ih bio je žarište pozornosti i istraživanja te je dominirao područjem piezoelektrične keramike. Što se tiče procesa pripreme PZT piezoelektrične keramike, sinteza Pzt praha i denzifikacijsko sinteriranje imaju najveći utjecaj na kvalitetu PzT proizvoda. PzT ultrafini prah ima prednosti fine veličine čestica, velike specifične površine i visoke reaktivnosti, što može smanjiti temperaturu sinteriranja, smanjiti isparavanje olova, osigurati točnu stehiometriju i poboljšati performanse PZT proizvoda. Stoga je priprava ultrafinog PZT praha postala podvodna piezo cijev . Fokus istraživanja električne keramike. Posljednjih godina razvijene su mnoge nove metode za proučavanje pripreme ultrafinog PZT praha. Uz tradicionalnu fazno-faznu metodu, metoda čvrste faze uključuje metodu mikrovalnog zračenja, mehaničku kemijsku metodu priključka i reakcijsku metodu sinteriranja. Metoda tekuće faze ima prednosti niske temperature sinteze, jednostavne opreme, lakog rada, niske cijene itd., a koristi se za pripremu PZT praha, kao što je sol-gel metoda, hidrotermalna metoda, metoda taloženja'. Međutim, još uvijek postoje mnogi nedostaci u pripremi i izvedbi PZT piezoelektrične keramike, uključujući aglomeraciju praha, stehiometriju i lako starenje svojstava proizvoda. razlozi za gore navedene probleme i Napredak istraživanja u rješavanju ovih problema raspravlja se kako slijedi, te se iznose neki prijedlozi za razvoj Pzt piezoelektrične keramike.

1 aglomeracija praha

Aglomeracija praha općenito uključuje meku aglomeraciju i tvrdu aglomeraciju. Mekana aglomeracija nastaje pojačavanjem i međudjelovanjem van der Waalsove sile, elektrostatskog privlačenja i kapilarne sile između čestica kako se veličina čestica praha smanjuje; tvrda aglomeracija je zbog kemijski povezane veze između skupina. Djelovanjem se stvara premošćujuća kisikova veza, a lanac premošćujućeg kisika između čestica nastaje međudjelovanjem. Problem aglomeracije najvažniji je čimbenik koji utječe na izvrsne performanse ultrafinog PzT praha, a također uvelike utječe na kvalitetu PzT proizvoda. To je zato što su PZT materijali funkcionalni materijali. Osnovni zahtjevi za sintetske prahove su visoka čistoća, ultrafini, jednolika raspodjela veličine čestica, dobra disperzija, stehiometrijska točnost i jednoliko dopiranje. Osim toga. Pojava aglomeracije u sintezi bizmuta piezo keramičke cijevi PZT dovest će do smanjenja nasipne gustoće i neujednačene morfologije, te će uvesti veliki broj pora što rezultira nejednolikom mikrostrukturom, ozbiljno utječući na gustoću sinteriranog tijela, a također može dovesti do drugog procesa sinteriranja. Sekundarna rekristalizacija, čime se smanjuju piezoelektrična i termoelektrična svojstva PZT proizvoda. Stoga je smanjenje ili izbjegavanje aglomeracije u sintezi ultrafinog PzT praha preduvjet za pripremu visokoučinkovite PZT piezoelektrične keramike. Aglomeracija u pripremi PZT praha uključuje dva oblika meke i tvrde aglomeracije. Mehanizam aglomeracije također je različit za različite metode pripreme praha. Tradicionalna metoda čvrste faze za sintetiziranje PZT praha karakterizirana je ponovljenim mljevenjem s kuglicom i visokom temperaturom kalcinacije. Ponavljano mljevenje kuglicama ne samo da unosi nečistoće, već i prekomjerno mljevenje dovodi do stvaranja aglomeracija. Konkretno, razvijena mehanokemijska metoda uglavnom koristi mehaničku energiju i dovršava sintezu PZT faze, a vrijeme lopte je dugo kao nebo. Lakše je unijeti nečistoće i uzrokovati aglomeraciju praha. Previsoka temperatura kalcinacije također može uzrokovati aglomeraciju praha. Metoda tekuće faze koristi se za sintezu PZT praha. Budući da se čestice čvrste faze formiraju u tekućoj fazi, one općenito prolaze kroz nukleaciju, rast, koalescenciju i aglomeraciju. Stoga se aglomerirana struktura može formirati kada se radi o česticama čvrste faze formiranim u tekućoj fazi. Zbog Brownovog gibanja, čestice su blizu jedna drugoj. Kada je kinetička energija između čestica veća od barijere koja tvori aglomerat, između nježnih čestica pod djelovanjem gibanja one se ponovno spajaju. Drugo, u procesu odvajanja kruto-tekuće, s eliminacijom zadnjeg dijela tekuće faze, čestice krute faze se zbog površinske napetosti približavaju jedna drugoj. Posebno sinteza PZT praha s vodom kao otapalom. Tragovi vode koji eventualno ostanu između čestica će pomoću vodika čvrsto povezati čestice i čestice. Osim toga, pripremljeni praškasti prekursor PZT općenito se kalcinira na 500 do 700° C, što također može uzrokovati aglomeraciju praha, a također može uzrokovati da formirani aglomerati pogoršaju stvaranje aglomeriranih struktura zbog lokalnog sinteriranja. Vidi se da je prah P ZT pripremljen metodom koprecipitacije. Svaka faza koprecipitacije, rast zrna do ispiranja, sušenje i kalcinacija taloga može rezultirati rastom čestica i stvaranjem aglomerata. Prema formiranju aglomeracije, smanjenje ili izbjegavanje rasta čestica i aglomeracije u pripremi ultrafinog PZT praha može se razmotriti sa sljedećih aspekata: jedan je odvajanje procesa nukleacije i rasta, promicanje nukleacije, kontrola rasta; osigurati veliku stopu nukleacije deset stopa rasta, odnosno osigurati da se prethodnik PZT praha stvara pod velikim stupnjem superhlađenja ili visoke supersaturacije. Drugi je sprječavanje aglomeracije PZT praha. To uključuje kako spriječiti stvaranje aglomeracije tijekom pripreme praha i kako eliminirati aglomeraciju nakon aglomeracije. Metoda za inhibiciju aglomeracije tijekom pripreme praha uključuje: (1) odabir razumnih reakcijskih uvjeta (kao što je PH vrijednost, reakcijska koncentracija i temperatura, ); (2) poseban tretman tijekom sinteze praha ili sušenja; uključujući proces sinteze praha tenzid se dodaje i filtrira s organskim otapalom, a površinska napetost tenzida je niska. Stoga se može dobiti praškasti prekursor s lakšim stupnjem aglomeracije; poseban postupak sušenja usvojen je u procesu sušenja, uglavnom sušenje smrzavanjem, superkritično sušenje i sušenje daleko infracrveno, itd. Osnovno načelo je eliminirati plin-tekućinu s velikom površinskom napetosti. Sučelje, odnosno čestice su fiksirane i ne mogu biti blizu jedna drugoj. Na primjer, liofilizacija je upotreba niske temperature i negativnog tlaka za sublimaciju sirovog tekućeg medija smrznutog u krutu fazu pod negativnim tlakom, budući da su čestice krute faze zamrznute u sirovom tekućem mediju. I ne postoji sučelje plin-tekućina s velikom površinskom napetosti u kapilari između čestica, čime se izbjegava problem ozbiljne aglomeracije uzrokovane tekućim mostom.

(3) Odaberite najbolje uvjete kalcinacije ili upotrijebite posebne postupke, kao što je uporaba mikrovalnog grijanja bez prijenosa topline, visoka energetska učinkovitost i druge karakteristike za zamjenu tradicionalne visokotemperaturne električne peći, na 600. c . Dobiven je jednokomponentni PZT prah. Metode za uklanjanje aglomeracije nakon stvaranja aglomerata su taloženje ili sedimentacija, mljevenje i ultrazvučna obrada, dodavanje disperzanta i slično. Na primjer, Wang Xicheng ' koristi metalni alkoksid i nitrat kao sirovine, strogo kontrolira stvaranje suprecipitacije, ispiranje i uvjete odabira disperzije, usvaja tehnologiju sušenja zamrzavanjem, a zatim se podvrgava razumnom procesu kalcinacije kako bi se formirao jednoličan sastav bez čvrste aglomeracije. Tijelo, jedna faza perovskita, visoka aktivnost sinteriranja PzT mikronske veličine (52/48) mikroprah  se formira tehnologijom hladnog izostatičkog prešanja (cIP), denzifikacijsko sinteriranje se može postići na 800 ° c, a postiže se njegova relativna gustoća.

Utjecaj stehiometrijske stehiometrije na kvalitetu PZT proizvoda uglavnom uključuje z aspekte: Prvo, isparavanje olova tijekom procesa sinteriranja PZT piezoelektrične keramike uzrokuje odstupanje komponenti od točne stehiometrije i učinak proizvoda je smanjen; s druge strane, zr/ u komponentama. Fluktuacija Ti utječe na stabilnost performansi PzT proizvoda. Općenito se smatra da je isparavanje olova posljedica visoke temperature sinteriranja PZT piezoelektrične keramike. Olovni oksid ima relativno visok tlak zasićene pare u okruženju visoke temperature, što dovodi do isparavanja olova. Što je viši tlak zasićene pare, olovo lakše ispari, a zr s povećanjem /Ti, temperatura sinteriranja PZT piezoelektrične keramike raste, a tlak zasićene pare olovnog oksida postupno raste. Gubitak olova postat će ozbiljniji, pa je piezoelektričnu keramiku s visokim zr/Ti PzT teže sinterirati, a prenizak parcijalni tlak kisika tijekom sinteriranja dovest će do isparavanja olova. PZT materijal pripremljen konvencionalnom metodom čvrste faze ima temperaturu sinteriranja od općenito 1200 zbog niske aktivnosti sintetskog praha. Lako je izazvati isparavanje velike količine olova, performanse proizvoda nisu visoke, tako da je metoda čvrste faze proizvoda PZT teško zadovoljiti zahtjeve visokih performansi u području primjene. Trenutačno, glavne mjere koje poduzimaju istraživači materijala u zemlji i inozemstvu za isparavanje olova su sljedeće: Prvo, prekomjerno olovo se dodaje u sintezu praha. Dodan je višak olova. U početnoj fazi sinteriranja, zbog formiranja tekuće faze, područje kontakta reaktanata može se povećati, brzina difuzije cirkonija, titana i dodataka može se ubrzati, a jednolikost proizvoda može se poboljšati; formirana tekuća faza također može ubrzati difuzijsko kretanje otapanja i taloženja, pogoduje preraspodjeli i zbijenom pakiranju čestica, ubrzava zgušnjavanje proizvoda. Međutim, kada je količina dodanog olova prevelika, višak olova će se taložiti na kristalu s jedne strane, što će smanjiti učinkovitost proizvoda. S druge strane, lako će uzrokovati da lokalna koncentracija titana u PzT komponenti bude previsoka, a topljivost u olovnom oksidu tekuće faze je velika suha zrOz. Topivost, što rezultira visokim lokalnim sadržajem titana u PZT proizvodu nakon sinteriranja, posebno na granici zrna. Time utječe na ujednačenost mikrostrukture proizvoda i smanjuje učinkovitost proizvoda. Dodatak viška olova utječe na mehanička svojstva PZT piezoelektričnih keramičkih komponenti: kada proizvod ima prekomjeran višak olova, način loma je transgranularni lom. Drugo, u procesu sinteriranja proizvoda, u skladu s mehanizmom isparavanja olova, usvaja se razuman sustav sinteriranja i posebne mjere. Naširoko se koristi za dodavanje sloja atmosfere sinteriranja i dvoslojnu tehniku ​​bizmuta za sinteriranje i kontrolu atmosfere sinteriranja da bude oksidirajuća atmosfera. To će smanjiti isparavanje olova i spriječiti crnjenje proizvoda. Pod redukcijskom atmosferom, Ti se lako reducira do T1 ̈ kako bi proizvod potamnio.

Treći je dodavanje odgovarajuće količine dopanata. Doping smanjuje isparavanje olova i s druge strane poboljšava učinkovitost PzT proizvoda. Četvrti je daljnje proučavanje sinteze visokoaktivnog PZT praha, tako da se PZT piezoelektrična keramika može zgusnuti i sinterirati na temperaturi nižoj od temperature olova. Osim toga, mehanizam isparavanja olova ostaje za daljnje proučavanje. Temperatura isparavanja olovnog oksida u hidrotermalnoj sintezi praha PzT je 924,71. c, a temperatura reakcije između čestica ̈ . Reakcijska temperatura između čestica praha P ZT sinteze čvrste faze na 26 ° C bila je 47. c. Temperatura oksidacije olovnog oksida je 29 ° C; najniža eutektička temperatura sustava P ZT je 838. c. Može se vidjeti da se moraju poduzeti razumne procesne mjere u skladu s mehanizmom isparavanja olova i metodom pripreme PZT praha kako bi se smanjilo isparavanje olova i poboljšala učinkovitost PZT proizvoda.

5 Doping

Studije su pokazale da je učinak PZT proizvoda usko povezan. Trenutno je za proučavanje PZT materijala zr/Ti uglavnom koncentriran u rasponu od 53/47 i 95/5. Međutim, oslanjanje samo na različite zr/T- radi poboljšanja performansi PZT proizvoda ne može zadovoljiti zahtjeve PZT proizvoda u različitim područjima. Također je potrebno poboljšati proizvode odabirom odgovarajuće količine dopanata na bazi zr/Tl. dok se smanjuje učinak fluktuacija zr/Ti na stabilnost performansi pzt članaka. Aditiv može biti međusobno topljiv u glavnoj kristalnoj rešetki i može se istaložiti na granici zrna u obliku druge faze. kada je međusobno topljiv, izvedba ili struktura glavne kristalne faze može se promijeniti prema količini dodatka; kada nije međusobno topljiv. Kao druga faza, utječe na granicu zrna, što utječe na silu vezivanja ili svojstvo granice zrna između kristalnih zrna. Glavni učinci dopinga uključuju stvaranje praznina, inhibiciju rasta zrna, stvaranje goveđe tekuće faze i širenje raspona temperature sinteriranja. U isto vrijeme, prema ulozi dopanta u PZT piezoelektričnoj keramici, može se podijeliti u tri vrste: dopiranje donora, dopiranje akceptora i dopiranje varijabilnim ionskim spojem. U studiji modifikacije dopinga PZT piezoelektrične keramike, La, Mn2- i Nb su proučavani u velikim količinama. Proučavan je učinak dopiranog Nbzos na materijal PzT65/35 pripremljen metodom čvrste faze. Utvrđeno je da dodatak niobija značajno potiče zgušnjavanje i sinteriranje, te inhibira rast niobija s povećanjem sadržaja niobija zbog Nb0. Jačanje oktaedarskog elektrostatskog djelovanja uzrokuje naprezanje romboidne jedinične ćelije PzT. Jedinična ćelija ima tendenciju rastezanja na površini, što čini proizvod lakim za polarizaciju, a također pridonosi poboljšanju njegovog svojstva protiv starenja. Granica 'topljivosti' u PZT materijalu je 7 mol%. Kada je količina manja od 7. aluminij i kristalna rešetka perovskita potpuno su međusobno topljivi. U ovom trenutku proizvod je potpuno u fazi perovskita. Pokazuje karakteristike donorske nečistoće; kada se doda u količini većoj od 7 mol, višak rutenija će reagirati s olovom ili titanom, što će rezultirati proizvodnjom druge faze, kao što je fluoritna faza, koja smanjuje dielektrična i piezoelektrična svojstva proizvoda. Utjecaj na mikrostrukturu i piezoelektrična svojstva PZT materijala, te valentno stanje mangana u PZT materijalima određen je pomoću EsR. Rezultati pokazuju da je topljivost mangana u Pz-butilnim materijalima uglavnom u obliku Mn i Mn5+. 1.5nlol', kada je sadržaj mangana 15 mol, višak Mn će se akumulirati na granici zrna, smanjujući piezoelektričnu aktivnost produkta. Ukratko, za različite vrste dopanata, fokus istraživanja je na potpunom otapanju glavne kristalne faze PZT traženjem odgovarajuće količine dodatka, poboljšanjem svojstava proizvoda, izbjegavanjem prekomjernog dopiranja i razgradnjom granice zrna ili formiranjem druge faze. Za smanjenje učinka proizvoda. Osim toga, trenutno istraživanje modifikacije dopinga, objekt dopinga uglavnom se koncentrira na metodu čvrste faze za pripremu PZT materijala, a dopiran je oksidnom čvrstom fazom, tako da je teško osigurati ujednačenost komponenti i točnu stehiometriju. Kako postići homogeno dopiranje bit će jedan od budućih smjerova istraživanja PZT piezoelektrične keramike.

4. Starenje

Starenje se odnosi na karakteristiku da se parametri električne učinkovitosti PZT proizvoda mijenjaju s vremenom. Znamo da PZT piezoelektrična keramika pripada ABO-u. Struktura perovskita sastoji se od tri kristalne faze kubične, tetragonalne i romboedarske. Prema zr/T1 mogu nastati različite kristalne faze, a aktivirani kation je ion tipa A. Ispod Curiejeve temperature, ioni A-tipa ili B-tipa ulaze u određeni položaj, proizvodeći spontanu polarizaciju i formirajući domene, ali kut između susjednih domena može biti samo 90 ili 180. To je zbog Spontana polarizacija strukture feroelektrične domene omogućuje orijentaciji da bude ekvivalentna osi feroelektrične polarizacijske osi u strukturi prototipa feroelektrično tijelo. U isto vrijeme, struktura feroelektrične domene također je ograničena spontanim naprezanjem kristala. Faza mora osigurati da spontano naprezanje koje stvaraju susjedne domene u stijenkama domene može biti kompatibilno, tako da kut susjednih domena od F može biti samo 90 ili 180. U isto vrijeme, sinterirani piezo keramički proizvodi moraju biti u jakoj istosmjernoj struji. Pod djelovanjem polja, spontana polarizacija svake domene je prisiljena poravnati, stvarajući tako zaostalu polarizaciju, to jest, ispoljavajući piezoelektrični učinak. Polarizirani PZT piezoelektrični keramički disk je prisiljen loviti unutarstanični poremećaj zbog polarizacijskog električnog polja. Raspored 90 opuštene i 180. domene upravljanja, urednog rasporeda i spontane polarizacijske osi u jediničnoj ćeliji je malo duži od nespontane polarizacijske osi, a deformacija stvara veliko unutarnje naprezanje kada se okreće. Nakon uklanjanja vanjskog električnog polja, ovo unutarnje naprezanje uzrokuje unutarnju neravnotežu jedinične ćelije. i pohraniti više unutarnje energije, što dovodi do 90 koji je preokrenut. Nova domena se vraća u neuređen raspored prije polarizacije kako bi se postupno oslobodio unutarnji stres. Stoga je rezidualna polarizacija povezana s ovim. Poremećajem i postupnim smanjenjem, dielektrični i piezoelektrični parametri će se promijeniti u skladu s tim. Može se vidjeti da je poremećaj novih domena korijen mehanizma starenja. Zakoni starenja općenito uključuju linearne, nelinearne i postupne. Postoje tri vrste gotovo linearnih. Čimbenici koji utječu na starenje PZT proizvoda uključuju vanjske i unutarnje čimbenike. Vanjski čimbenici povezani su s okolinom korištenja. Unutarnji čimbenici kao što su temperatura i vlažnost usko su povezani sa strukturom domene i kretanjem domene, što je posljedica jakog električnog polja. Proces polarizacijske inverzije dovršen je pomicanjem stijenki domene te stvaranjem i kretanjem novih stijenki domene. Struktura domene je usko povezana s mikrostrukturom nakon sinteriranja kao što je veličina zrna, granica zrna itd. Kada je veličina zrna mala. Kada je veličina stjenke domene slična, razvoj strukture feroelektrične domene i pomicanje stjenke domene bit će ometan. Točnije, kako se veličina zrna povećava, volumenski udio granice zrna se smanjuje, a spajanje između granice zrna i stijenke domene se smanjuje. Orijentacija domene je teža, a gibanje stijenke domene je ozbiljno potisnuto, tako da se zaostala polarizacija i dielektrična konstanta povećavaju s povećanjem veličine zrna, a jakost koercitivnog polja opada. Debljina i svojstva granice zrna također imaju utjecaj na strukturu domene. Granica zrna je povoljna za razvoj domene preko granice zrna i poboljšava piezoelektricitet proizvoda.