Penerapan timbal zirkonat titanat (PZT) digunakan untuk aktuator piezoelektrik

1 Pendahuluan 

Material cerdas mencakup material penginderaan dan material penggerak. Bahan perseptual adalah kelas bahan yang memiliki fungsi penginderaan terhadap tegangan eksternal atau internal, regangan, panas, cahaya, listrik, magnet, energi radiasi, dan besaran kimia. Mereka dapat digunakan untuk membuat berbagai perangkat sensor; Bahan yang merespons kondisi lingkungan atau perubahan internal dan melakukan tindakan yang dapat digunakan untuk membuat berbagai perangkat penggerak. Perangkat pintar ini merupakan aktuator piezo dengan fungsi penggerak penginderaan yang terbuat dari bahan pintar. Struktur cerdas terdiri dari bahan dan perangkat. Ini mengintegrasikan penginderaan, pemrosesan sinyal, kontrol, dan penggerak ke dalam sistem material atau sistem struktural. Ia dapat merasakan lingkungan atau parameter internal, memproses informasi, mengeluarkan perintah, mengeksekusi dan menyelesaikan tindakan. untuk mencapai fungsi diagnosis diri, penyembuhan diri dan adaptif. Penerapan sistem dan struktur material cerdas sangat luas, tidak hanya pada senjata pertahanan-pertahanan seperti pesawat terbang, kapal perang, dan lain-lain, tetapi juga pada bidang-bidang penting yang strategis dalam perekonomian nasional, khususnya di bidang teknologi tinggi. Bahan utama yang saat ini melengkapi sistem dan struktur material pintar adalah bahan memori bentuk, bahan piezoelektrik (termasuk keramik piezoelektrik, polimer piezoelektrik), bahan elektrostriktif, serat optik dan varian elektrorheologi, varian magnetorheologi, dan sejenisnya. Penggunaan material cerdas ini, dipadukan dengan desain dan fabrikasi komposit yang cerdas dan canggih, menghasilkan sistem dan struktur material yang digerakkan, dirasakan, dan dikendalikan.

Material piezoelektrik adalah kelas material utama dalam sistem dan struktur material cerdas. Kristal dielektrik dari transduser keramik piezoelektrik dengan efek piezoelektrik akan terpolarisasi dan membentuk muatan permukaan di bawah aksi tekanan mekanis. Jika kristal dielektrik tersebut ditempatkan dalam medan listrik, aksi medan listrik akan menyebabkan perpindahan relatif pusat muatan positif dan negatif di dalam dielektrik sehingga menyebabkan deformasi. . Karena bahan piezoelektrik memiliki karakteristik di atas, maka keseragaman elemen piezo penginderaan dan elemen aksi dapat dicapai. Bahan piezoelektrik dapat digunakan secara luas dalam material dan struktur cerdas, terutama untuk diagnosis mandiri kerusakan material, adaptasi mandiri, pengurangan getaran, dan pengendalian kebisingan. Jenis material piezoelektrik yang dikembangkan antara lain kristal tunggal, polikristalin, kaca mikrokristalin, polimer organik, dan material komposit. Sejak tahun 1980-an, dengan berakhirnya klimaks bahan keramik piezoelektrik dari pengembangan sistem biner ke sistem terner dan multikomponen, penelitian tentang bahan piezoelektrik berjalan lambat. Dengan pesatnya perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi, pengembangan dan eksplorasi sesuai kebutuhan penerapan telah memberikan dorongan baru bagi penelitian bahan piezoelektrik. Ditambah dengan upaya tak henti-hentinya para pekerja sains dan teknologi dalam penelitian dasar dan peningkatan proses produksi, tekanan baru telah terjadi dalam dekade terakhir. Kemunculan material listrik yang terus menerus telah mendorong dilakukannya penelitian terhadap material piezoelektrik.

2 Ikhtisar bahan piezoelektrik

Di kristal keramik piezoelektrik , asimetri susunan ion positif dan negatif serta ketidaksesuaian pusat gravitasi muatan positif dan negatif satuan membentuk momen dipol listrik. Momen dipol listrik ini disejajarkan dalam arah tertentu menjadi struktur domain, dan domain-domain tersebut tidak teratur pada kristal. efek polarisasi saling menghilangkan, polarisasi pada material adalah nol, dan arah polarisasi domain yang terpolarisasi oleh medan listrik DC cenderung searah. Ketika gaya eksternal bekerja pada bahan piezoelektrik yang menyebabkan deformasi, bahan tersebut terikat secara positif dan negatif. Nada muatan menjadi lebih kecil, dan intensitas polarisasi juga menjadi lebih kecil. Muatan bebas yang awalnya teradsorpsi pada elektroda dilepaskan sebagian, dan terjadi fenomena pelepasan, yang disebut efek piezoelektrik positif; medan listrik intensitas tertentu diterapkan pada dua kutub bahan piezoelektrik, dan pada chip jarak muatan positif dan negatif menjadi lebih besar, intensitas polarisasi juga menjadi lebih besar, dan beberapa muatan bebas teradsorpsi pada elektroda sehingga menyebabkan fenomena pengisian. Muatan listrik bergerak dalam rangkaian untuk menghasilkan energi mekanik secara eksternal, yang disebut efek piezoelektrik terbalik.

2.3 Metode pembuatan bahan piezoelektrik

Untuk bahan piezoelektrik yang berbeda, metode persiapan yang sesuai dipilih sesuai dengan penerapannya, karakteristiknya. Metode pembuatannya dibedakan menjadi metode fase padat, metode fase cair, dan metode fase gas sesuai dengan fase fasa yang terjadi selama penyiapan.

2.3.1 Metode fase padat

Ketika piezo PZT dibuat dengan metode fase padat tradisional, suhu sintering yang lebih tinggi dari 1200 °C akan menyebabkan penguapan PbO. Sulitnya mengontrol rasio stoikiometri, sehingga struktur mikro dan sifat kelistrikan material sulit dikendalikan. Sangat cocok untuk bahan baku, proses sederhana dan bahan piezoelektrik. Dimana persyaratan kinerja tidak tinggi.

2.3.2 Metode fase cair

Pembuatan bahan piezoelektrik dengan metode fase cair saat ini merupakan metode yang paling umum digunakan, antara lain metode kopresipitasi, metode sintesis hidrotermal, metode sol-gel, metode hidrolisis alkoksida dan sejenisnya. Metode kopresipitasi memungkinkan sintering suhu rendah untuk mendapatkan bahan piezoelektrik yang memiliki kepadatan lebih tinggi dari kepadatan teoritis. Metode kopresipitasi menggunakan metode pemanggangan terprogram suhu 700 derajat untuk menyiapkan bubuk BaT iO3 dengan ukuran partikel 60nm. Para peneliti di Amerika menggunakan metode kopresipitasi yang dikombinasikan dengan proses pengeringan beku untuk mensintesis bubuk PZ T berukuran nano pada suhu 800 derajat. Sintering menghasilkan material dengan kepadatan teoritis 98%. Dalam penelitian ini, N b2 O 5 dan T a 2 O5 digunakan sebagai reaktan prekursor, dan bubuk keramik KT aN b O3 dibuat dengan metode hidrotermal dan metode termal pelarut. Keramik piezoelektrik sinter dipelajari. Koefisien kopling mencapai 0,5, dan koefisien piezoelektrik d 33 adalah antara 150 ~ 450p C / N. Namun, metode hidrotermal memerlukan suhu dan tekanan yang lebih tinggi, dan investasi peralatan yang besar, sehingga membatasi penerapan metode tersebut. Metode sol-gel merupakan metode yang paling umum digunakan dalam metode fase cair. Film berkinerja tinggi dapat dibuat dengan sol-gel yang dikombinasikan dengan berbagai proses pencetakan dan sintering.

2.3. 3 metode fase gas

Metode fase gas cocok untuk pembuatan film piezoelektrik skala nano, terutama deposisi uap fisik dan deposisi uap kimia. Diantaranya, metode sputtering merupakan metode yang paling umum digunakan. Elektroda bawah AP t / T i diendapkan pada substrat Si 2 / Si dengan metode sputtering target, dan film PZT yang memiliki ketebalan sekitar 800mm dibuat dengan sputtering frekuensi radio (RF). Deposisi uap kimia dapat secara tepat mengontrol komposisi kimia dari produk reaksi, dan mudah untuk dilakukan doping, namun sulit untuk mendapatkan bahan sumber gas yang sesuai, yang tidak cocok untuk pembuatan film berbiaya rendah dan bervolume besar, dan praktis digunakan lebih sedikit.