Applicazione di titanato di zirconato di piombo (PZT) utilizzato per l'attuatore piezoelettrico

1 Introduzione 

I materiali intelligenti includono materiali di rilevamento e materiali di guida. I materiali percettivi sono una classe di materiali che hanno una funzione di rilevamento di stress esterno o interno, deformazione, calore, luce, elettricità, magnetismo, energia radiante e quantità chimiche. Possono essere utilizzati per realizzare vari dispositivi sensori; Materiali che rispondono alle condizioni ambientali o ai cambiamenti interni ed eseguono azioni che possono essere utilizzate per realizzare una varietà di dispositivi di azionamento. Il dispositivo intelligente è un attuatore piezoelettrico con funzione di azionamento sensibile realizzato con materiali intelligenti. La struttura intelligente è composta da materiali e dispositivi. Integra il rilevamento, l'elaborazione del segnale, il controllo e la guida in un sistema materiale o strutturale. Può percepire l'ambiente o i parametri interni, elaborare informazioni, impartire comandi, eseguire e completare azioni. per realizzare le funzioni di autodiagnosi, di autoguarigione e di adattamento. L’applicazione di sistemi e strutture materiali intelligenti è molto ampia, non solo nelle armi di difesa-difesa come aeroplani, navi da guerra, ecc., ma anche in aree strategicamente importanti dell’economia nazionale, soprattutto nei settori ad alta tecnologia. I principali materiali che attualmente completano sistemi e strutture di materiali intelligenti sono materiali a memoria di forma, materiali piezoelettrici (comprese ceramiche piezoelettriche, polimeri piezoelettrici), materiali elettrostrittivi, fibre ottiche e varianti elettroreologiche, varianti magnetoreologiche e simili. L'uso di questi materiali intelligenti, combinato con una progettazione e una fabbricazione composita intelligente e sofisticata, si traduce in un sistema e una struttura di materiali guidati, percepiti e controllati.

I materiali piezoelettrici rappresentano una classe importante di materiali nei sistemi e nelle strutture dei materiali intelligenti. Un cristallo dielettrico di Il trasduttore ceramico piezoelettrico con effetto piezoelettrico sarà polarizzato e formerà una carica superficiale sotto l'azione di stress meccanico. Se un tale cristallo dielettrico viene posto in un campo elettrico, l'azione del campo elettrico causerà uno spostamento relativo dei centri di carica positiva e negativa all'interno del dielettrico provocandone la deformazione. . Poiché il materiale piezoelettrico ha le caratteristiche di cui sopra, è possibile ottenere l'uniformità dell'elemento piezoelettrico di rilevamento e dell'elemento di azione. I materiali piezoelettrici possono essere ampiamente utilizzati in materiali e strutture intelligenti, in particolare per l'autodiagnosi dei danni materiali, l'autoadattamento, la riduzione delle vibrazioni e il controllo del rumore. I tipi di materiali piezoelettrici sviluppati includono vetro monocristallino, policristallino e microcristallino, polimeri organici e materiali compositi. Dagli anni '80, con la fine del culmine dei materiali ceramici piezoelettrici dallo sviluppo di sistemi binari a sistemi ternari e multicomponente, la ricerca sui materiali piezoelettrici è stata lenta. Con il rapido sviluppo della scienza e della tecnologia, lo sviluppo e l'esplorazione sotto la domanda di applicazione hanno dato nuovo impulso alla ricerca sui materiali piezoelettrici. Insieme agli sforzi incessanti dei lavoratori della scienza e della tecnologia nella ricerca di base e nel miglioramento dei processi produttivi, negli ultimi dieci anni si è verificato un nuovo tipo di pressione. La continua comparsa di materiali elettrici ha reso possibile la ricerca di materiali piezoelettrici.

2 Panoramica dei materiali piezoelettrici

Nel il cristallo ceramico piezoelettrico , l'asimmetria della disposizione degli ioni positivi e negativi e la non coincidenza del centro di gravità delle cariche positive e negative dell'unità formano un momento dipolare elettrico. Questi momenti di dipolo elettrico sono allineati in una certa direzione per diventare una struttura di domini, e i domini sono disordinati sul cristallo. gli effetti di polarizzazione si annullano a vicenda, la polarizzazione nel materiale è zero e la direzione di polarizzazione del dominio polarizzato dal campo elettrico CC tende ad essere nella stessa direzione. Quando una forza esterna agisce sul materiale piezoelettrico provocandone la deformazione, il materiale viene legato positivamente e negativamente. Il passo della carica diminuisce e anche l'intensità della polarizzazione diminuisce. La carica libera originariamente adsorbita sull'elettrodo viene parzialmente rilasciata, e si verifica il fenomeno della scarica, chiamato effetto piezoelettrico positivo; un campo elettrico di certa intensità viene applicato ai due poli del materiale piezoelettrico e sul chip la spaziatura tra le cariche positive e negative diventa maggiore, anche l'intensità di polarizzazione diventa maggiore e alcune cariche libere vengono adsorbite sugli elettrodi per causare fenomeni di carica. La carica elettrica si muove nel circuito per produrre energia meccanica all'esterno, che viene chiamato effetto piezoelettrico inverso.

2.3 Metodo di preparazione del materiale piezoelettrico

Per i diversi materiali piezoelettrici viene selezionato un metodo di preparazione adeguato in base all'applicazione e alle caratteristiche. Il metodo di preparazione è suddiviso in metodo in fase solida, metodo in fase liquida e metodo in fase gassosa a seconda della fase della fase che si verifica durante la preparazione.

2.3.1 Metodo in fase solida

Quando il piezo PZT viene preparato con il tradizionale metodo in fase solida, la temperatura di sinterizzazione superiore a 1200 °C causerà la volatilizzazione del PbO. È difficile controllare il rapporto stechiometrico, il che rende difficile il controllo della microstruttura e delle proprietà elettriche del materiale. È adatto per materie prime, processi semplici e materiali piezoelettrici. Dove i requisiti prestazionali non sono elevati.

2.3.2 Metodo in fase liquida

La preparazione di materiali piezoelettrici mediante il metodo della fase liquida è attualmente il metodo più comunemente utilizzato, compreso il metodo di coprecipitazione, il metodo di sintesi idrotermale, il metodo sol-gel, il metodo di idrolisi degli alcossidi e simili. Il metodo di coprecipitazione consente la sinterizzazione a bassa temperatura per ottenere un materiale piezoelettrico avente una densità superiore a quella teorica. Il metodo di coprecipitazione utilizzava un metodo di tostatura programmato a temperatura di 700 gradi per preparare la polvere di BaT iO3 con una dimensione delle particelle di 60 nm. I ricercatori negli Stati Uniti hanno utilizzato un metodo di coprecipitazione combinato con un processo di liofilizzazione per sintetizzare polvere PZ T di dimensioni nanometriche a 800 gradi. La sinterizzazione ha dato un materiale con una densità teorica del 98%. Nello studio, N b2 O 5 e T a 2 O5 sono stati utilizzati come reagenti precursori e le polveri ceramiche KT aN b O3 sono state preparate mediante metodo idrotermale e metodo termico con solvente. Sono state studiate le ceramiche piezoelettriche sinterizzate. Il coefficiente di accoppiamento raggiunge 0,5 e il coefficiente piezoelettrico d 33 è compreso tra 150 ~ 450p C/N. Tuttavia, il metodo idrotermale richiede temperatura e pressione più elevate e l'investimento in attrezzature è elevato, il che limita l'applicazione del metodo. Il metodo sol-gel è il metodo più comunemente utilizzato nel metodo in fase liquida. Film ad alte prestazioni possono essere preparati mediante sol-gel combinato con vari processi di stampaggio e sinterizzazione.

2.3. Metodo delle 3 fasi gassose

Il metodo in fase gassosa è adatto per la preparazione di film piezoelettrici su scala nanometrica, principalmente deposizione fisica da vapore e deposizione chimica da vapore. Tra questi, il metodo sputtering è il metodo più comunemente utilizzato. L'elettrodo inferiore AP t / Ti è stato depositato sul substrato Si 2 / S i mediante un metodo di sputtering target e un film PZT avente uno spessore di circa 800 mm è stato preparato mediante sputtering a radiofrequenza (RF). La deposizione chimica da vapore può controllare con precisione la composizione chimica del prodotto di reazione ed è conveniente drogarla, ma è difficile ottenere un materiale di origine gassosa adatto, che non è adatto per la preparazione di un film a basso costo e in grandi volumi, e viene praticamente utilizzato di meno.