Deskripsi transduser bahan keramik piezoceramic

Mengenai bahan penggerak keramik piezoelektrik, keramik piezoelektrik menampilkan persyaratan tinggi pada sifat bahan keramik piezoelektrik seperti konstanta regangan listrik tegangan tinggi, titik curie tinggi, koefisien kopling elektromekanis tinggi, dan konstanta frekuensi tinggi. Keramik piezoelektrik yang paling banyak digunakan adalah PZT (lead zirconate titanate) berbahan dasar Transduser keramik piezoelektrik bahan Pzt karena efek piezoelektriknya yang luar biasa, suhu curie yang tinggi, ketahanan radiasi yang kuat, dan integrasi yang mudah dengan teknologi integrasi semikonduktor. Namun berbahaya bagi tubuh manusia dan lingkungan. Oleh karena itu, masyarakat mulai mencari bahan keramik piezoelektrik bebas timbal dengan performa prima.

Bahan keramik piezoelektrik bebas timbal yang paling banyak diteliti di dalam dan luar negeri terutama mencakup sistem berikut: keramik piezoelektrik bebas timbal berbasis barium titanat; keramik piezoelektrik bebas timbal berbahan dasar barium titanat; keramik piezoelektrik bebas timah berbahan dasar tantalat dan keramik piezoelektrik bebas timah dengan struktur berlapis tantalum.

Keramik piezoelektrik bebas timah berbahan dasar barium titanat

Penelitian dan penerapan barium titanat (BaTiO3) berbasis bebas timbal transduser keramik piezo sudah cukup matang. Namun, suhu curie keramik BaTiO3 rendah (Tc=120), kisaran suhu pengoperasian sempit, dan kinerja keramik piezoelektrik sedang. Sulit untuk meningkatkan sifat piezoelektrik secara signifikan dengan modifikasi doping, dan terdapat transisi fase mendekati suhu. Oleh karena itu, penerapan keramik piezoelektrik terbatas. Barium strontium titanat berbasis keramik piezoelektrik bebas timah barium titanat dan Bi0.5Na0.5TiO3 (BNT) adalah perwakilan khas dari seri titanat. BNT memiliki karakteristik feroelektrik santai, yang memiliki polarisasi remanen yang relatif besar dan medan koersif yang sangat tinggi (7,5kV/mm), serta memiliki koefisien piezoelektrik yang besar (kt, kp sekitar 50%), kinerja dielektrik yang sangat baik seperti koefisien kecil (240~340) dan kinerja akustik yang baik (konstanta frekuensi NP=3200Hz). Karena medan listrik koersifnya yang tinggi dan konduktivitas listrik yang tinggi di wilayah fase feroelektrik, polarisasi menjadi sulit, sehingga sulit untuk menghasilkan keramik piezoelektrik yang praktis. Untuk mengatasi kekurangan polarisasi keramik piezo BNT dan kesulitan sintering menjadi sampel padat, ditambahkan berbagai pasangan dopan struktur perovskit. BNT dimodifikasi. Dengan memasukkan unsur-unsur seperti Pb, Ba, Ca, Sr, Mn, dll., kuat medan koersif BNT menjadi terlalu tinggi, dan kesulitan polarisasi yang disebabkan oleh tingginya konduktivitas fase feroelektrik BNT dapat dihindari, dan polarisasi bahan BNT berhasil diselesaikan.

Keramik piezoelektrik bebas timah berbahan dasar bismut:

Keramik piezoelektrik bebas timbal berbahan dasar bismut terutama mencakup NaNbO3, KNbO3, LiNbO3 dan sejenisnya. Itu Transduser keramik belahan piezo memiliki keunggulan kepadatan rendah, kecepatan akustik tinggi, faktor kualitas mekanik besar Qm, koefisien kopling elektromekanis besar kp, konstanta dielektrik rendah, kinerja piezoelektrik tinggi, konstanta frekuensi besar, dll., sehingga keramik piezoelektrik berbasis tantalate adalah perangkat frekuensi dan bahan pilihan. Namun karena bahan logamnya mudah menguap, sulit untuk mendapatkan keramik piezo yang memiliki kekompakan yang baik melalui proses keramik konvensional, sehingga menurunkan sifat keramik. Keramik padat NaNbO3-KNbO3 dapat diperoleh dengan proses pengepresan panas atau pengepresan isostatik, dan stabilitas suhu material sangat meningkat, dan kepadatan relatif dapat mencapai 99%.

Dalam aplikasi praktis, beberapa karakteristik yang melekat pada transduser keramik silinder piezoceramic (seperti histeresis, mulur, dll.) memiliki dampak besar pada kontrol perpindahan presisi tinggi. Untuk mengurangi pengaruh histeresis keramik piezoelektrik terhadap keluaran perpindahan, sarjana asing telah mengusulkan banyak metode kompensasi. Saat ini, metode menghilangkan histeresis umumnya adalah kontrol loop tertutup dalam proses kontrol. Mode ini memerlukan sensor perpindahan tambahan untuk mengukur perpindahan dan membandingkannya dengan perpindahan target pengontrol untuk membentuk mekanisme penyesuaian kontrol yang kompleks. 

Di bawah aksi medan listrik bolak-balik, transduser piezo terpolarisasi ultrasonik akan menunjukkan degradasi feroelektrik makroskopis karena penurunan aktivitas dinding domain feroelektrik. Retakan mikro, delaminasi atau patah tulang sering terjadi pada material dan kelelahan yang disebabkan oleh medan. Alasan intrinsiknya terutama disebabkan oleh perbedaan antarmuka dengan properti. Koefisien muai panas pada antarmuka antara keramik piezo dan elektroda berbeda atau terjadi reaksi kimia, yang berdampak buruk pada kinerja kelelahan keramik piezoelektrik. Kekuatan ikatan antarmuka ditingkatkan secara signifikan dengan memasukkan bubuk elektroda ke dalam bahan keramik atau menggabungkan bubuk keramik dan elektroda asli. Medan listrik dan suhu merupakan faktor eksternal utama yang mempengaruhi kinerja kelelahan. Kajian terhadap dua faktor tersebut dapat diketahui bahwa kuat medan koersifnya lebih kuat atau frekuensinya tinggi sehingga akan menimbulkan kelelahan listrik. Selain itu, pada kisaran temperatur tertentu, ketahanan lelah meningkat seiring dengan meningkatnya temperatur. Ketika suhu melebihi nilai kritis tertentu, material memasuki fase paramagnetik dan fenomena kelelahan menghilang.

Tampilan keramik piezoelektrik diharapkan dapat mengatasi kekurangan tampilan mainstream saat ini yang rentan terhadap interferensi elektromagnetik, titik mati, etsa, dll, serta memiliki prospek pasar yang luas. Susunan aktuator tampilan keramik piezoelektrik dapat dibuat dengan proses cetakan silikon atau proses deposisi elektroforesis, dan keramik piezoelektrik berbahan dasar timbal dapat diganti dengan keramik piezoelektrik bebas timbal dengan struktur berbasis tantalat dan berstruktur tantalum. Meskipun ada kemajuan dalam pengembangan tampilan keramik piezoelektrik, masih ada sejumlah masalah teknologi proses utama yang perlu diatasi:

(1) Meskipun kinerja beberapa keramik piezoelektrik bebas timbal sangat baik, masih terdapat kesenjangan yang besar dibandingkan dengan keramik piezoelektrik berbasis PZT, dan sifat piezoelektrik harus lebih ditingkatkan dengan mengukur modifikasi dan peningkatan proses;

(2) Agar akurasi histeresis dan kompensasi mulur transduser tekanan piezoelektrik lebih memenuhi persyaratan kontrol posisi presisi ultra-tinggi, para ilmuwan perlu mempelajari lebih lanjut kompensasi koreksi atau kontrol efektif melalui eksperimen untuk mengurangi penggerak keramik piezoelektrik. Pengaruh creep terhadap akurasi posisi;

(3) Saat ini, penelitian kelelahan yang diinduksi lapangan sebagian besar berfokus pada medan listrik dan medan suhu, tetapi penelitian tentang medan di bawah kopling multi-bidang masih kurang, tetapi perangkat keramik piezoelektrik sebenarnya bekerja dalam kondisi kopling multi-bidang, sehingga perlu untuk memperkuat studi tentang mekanisme kelelahan yang diinduksi lapangan di bawah kopling multi-bidang.