Descrizione del trasduttore in materiale ceramico piezoceramico

Per quanto riguarda i materiali del driver ceramico piezoelettrico, la ceramica piezoelettrica presenta elevati requisiti sulle proprietà dei materiali ceramici piezoelettrici come costante di deformazione elettrica ad alta tensione, punto di curie elevato, coefficiente di accoppiamento elettromeccanico elevato e costante di alta frequenza. La ceramica piezoelettrica più utilizzata è quella a base PZT (titanato di zirconato di piombo). Trasduttore ceramico piezoelettrico in materiale PZT grazie al suo notevole effetto piezoelettrico, è ad alta temperatura di curie, forte resistenza alle radiazioni e facile integrazione con la tecnologia di integrazione dei semiconduttori. Ma è dannoso per il corpo umano e per l'ambiente. Pertanto, le persone hanno iniziato a cercare materiali ceramici piezoelettrici senza piombo con prestazioni eccellenti.

I materiali ceramici piezoelettrici senza piombo più ricercati in patria e all'estero includono principalmente i seguenti sistemi: ceramica piezoelettrica senza piombo a base di titanato di bario; ceramiche piezoelettriche senza piombo a base di titanato di bario; ceramica piezoelettrica senza piombo a base di tantalato e ceramica piezoelettrica senza piombo con struttura a strati di tantalio.

Ceramica piezoelettrica senza piombo a base di titanato di bario

La ricerca e l'applicazione del titanato di bario (BaTiO3) a base di piombo i trasduttori piezoelettrici in ceramica sono piuttosto maturi. Tuttavia, la temperatura di curie delle ceramiche BaTiO3 è bassa (Tc=120), l'intervallo di temperature operative è ristretto e le prestazioni delle ceramiche piezoelettriche sono moderate. È difficile migliorare notevolmente le proprietà piezoelettriche mediante modifica del drogaggio e si verifica una transizione di fase vicino alla temperatura. Pertanto, la sua applicazione alla ceramica piezoelettrica è limitata. Il titanato di bario ceramico piezoelettrico senza piombo a base di titanato di bario stronzio e Bi0.5Na0.5TiO3 (BNT) è un tipico rappresentante della serie del titanato. Il BNT ha le caratteristiche del ferroelettrico rilassato, che ha una polarizzazione rimanente relativamente grande e un campo coercitivo estremamente elevato (7,5 kV/mm), e ha un grande coefficiente piezoelettrico (kt, kp circa 50%), eccellenti prestazioni del dielettrico come coefficiente piccolo (240~340) e buone prestazioni acustiche (la sua costante di frequenza NP = 3200 Hz). A causa dell’elevato campo elettrico coercitivo e dell’elevata conduttività elettrica nella regione della fase ferroelettrica, la polarizzazione è difficile, il che rende difficile la produzione di ceramiche piezoelettriche pratiche. Per superare i limiti della polarizzazione della piezoceramica BNT e la difficoltà di sinterizzazione in campioni densi, si aggiunge una varietà di coppie droganti della struttura della perovskite. Il BNT viene modificato. Introducendo elementi come Pb, Ba, Ca, Sr, Mn, ecc., l'intensità del campo coercitivo del BNT è troppo elevata e si evita la difficoltà di polarizzazione causata dall'elevata conduttività della fase ferroelettrica del BNT e la polarizzazione del materiale BNT viene risolta con successo.

La ceramica piezoelettrica senza piombo a base di bismuto:

Le ceramiche piezoelettriche senza piombo a base di bismuto includono principalmente NaNbO3, KNbO3, LiNbO3 e simili. IL I trasduttori ceramici piezoelettrici dell'emisfero presentano i vantaggi di bassa densità, alta velocità acustica, grande fattore di qualità meccanica Qm, grande coefficiente di accoppiamento elettromeccanico kp, bassa costante dielettrica, alte prestazioni piezoelettriche, grande costante di frequenza, ecc., quindi la ceramica piezoelettrica a base di tantalato è un dispositivo di frequenza e materiale preferito. Tuttavia, a causa della volatilità del materiale metallico, è difficile ottenere piezoceramica avente una buona compattezza mediante un processo ceramico convenzionale, che deteriora le proprietà ceramiche. La ceramica densa NaNbO3-KNbO3 può essere ottenuta mediante pressatura a caldo o processo di pressatura isostatica e la stabilità della temperatura del materiale è notevolmente migliorata e la densità relativa può raggiungere il 99%.

Nelle applicazioni pratiche, alcune caratteristiche intrinseche del trasduttore ceramico del cilindro piezoceramico (come isteresi, scorrimento, ecc.) hanno un grande impatto sul controllo dello spostamento ad alta precisione. Al fine di ridurre l’influenza dell’isteresi delle ceramiche piezoelettriche sullo spostamento in uscita, studiosi stranieri hanno proposto numerosi metodi di compensazione. Attualmente, il metodo per eliminare l'isteresi è generalmente il controllo a circuito chiuso nel processo di controllo. Questa modalità richiede un sensore di spostamento aggiuntivo per misurare lo spostamento e confrontarlo con lo spostamento target del controller per formare un complesso meccanismo di regolazione del controllo. 

Sotto l'azione del campo elettrico alternato, i trasduttori piezoelettrici polarizzati a ultrasuoni mostreranno una degradazione ferroelettrica macroscopica dovuta alla diminuzione dell'attività della parete del dominio ferroelettrico. Microfessure, delaminazioni o fratture spesso si verificano a causa della fatica indotta dal materiale e dal campo. La ragione intrinseca è dovuta principalmente alla differenza nell'interfaccia con le proprietà. Il coefficiente di dilatazione termica all'interfaccia tra la ceramica piezoelettrica e l'elettrodo è diverso oppure si verifica una reazione chimica che influisce negativamente sulle prestazioni a fatica della ceramica piezoelettrica. La forza di legame dell'interfaccia viene notevolmente migliorata incorporando la polvere dell'elettrodo nel materiale ceramico o incorporando la polvere ceramica e l'elettrodo originale. Il campo elettrico e la temperatura sono i principali fattori esterni che influenzano le prestazioni a fatica. Da uno studio di due fattori è possibile scoprire che il campo è più forte dell'intensità del campo coercitivo o che la frequenza è elevata, il che causerà affaticamento elettrico. Inoltre, in un certo intervallo di temperature, la resistenza alla fatica aumenta con l'aumentare della temperatura. Quando la temperatura supera un certo valore critico, il materiale entra nella fase paramagnetica e il fenomeno della fatica scompare.

Si prevede che i display piezoelettrici in ceramica supereranno le carenze degli attuali display tradizionali che sono suscettibili a interferenze elettromagnetiche, punti morti, incisione, ecc. e hanno ampie prospettive di mercato. La serie di attuatori di display ceramici piezoelettrici può essere fabbricata mediante un processo di stampo al silicio o un processo di deposizione elettroforetica, e una ceramica piezoelettrica a base di piombo può essere sostituita da una ceramica piezoelettrica senza piombo con struttura a base di tantalato e strutturata in tantalio. Nonostante alcuni progressi nello sviluppo dei display ceramici piezoelettrici, ci sono ancora una serie di questioni chiave relative alla tecnologia di processo che devono essere affrontate:

(1) Sebbene le prestazioni di alcune ceramiche piezoelettriche senza piombo siano eccellenti, esiste ancora un grande divario rispetto alle ceramiche piezoelettriche basate su PZT e le proprietà piezoelettriche dovrebbero essere ulteriormente migliorate misurando le modifiche e il miglioramento del processo;

(2) Per fare in modo che l'isteresi e la precisione della compensazione dello scorrimento del trasduttore di pressione piezoelettrico soddisfino meglio i requisiti del controllo del posizionamento ad altissima precisione, gli scienziati devono studiare ulteriormente la compensazione della correzione o il controllo efficace attraverso esperimenti per ridurre il driver ceramico piezoelettrico. L'influenza dello scorrimento sulla precisione di posizionamento;

(3) Al momento, la ricerca sulla fatica indotta dal campo si concentra principalmente sul campo elettrico e sul campo della temperatura, ma manca la ricerca sul campo in accoppiamento multicampo, ma gli attuali dispositivi ceramici piezoelettrici funzionano in condizioni di accoppiamento multicampo, quindi è necessario rafforzare lo studio del meccanismo di fatica indotta dal campo in accoppiamento multicampo.