Studio sul processo di polarizzazione della ceramica piezoelettrica PZT

I trasduttori a cristallo piezoelettrici sono ampiamente utilizzati nei campi dell'elettronica, della luce, del calore e dell'acustica e sono diventati materiali funzionali importanti nell'industria della difesa, nell'industria civile e nella vita quotidiana. Costituiscono una delle principali direzioni di ricerca degli attuali materiali funzionali. Attualmente, la ceramica piezoelettrica più utilizzata è ancora il titanato zirconato di piombo (PZT) e la sua ceramica ternaria o quaternaria. Il processo di polarizzazione è un processo chiave nella fabbricazione di dispositivi ceramici piezoelettrici. Il processo di polarizzazione è il processo di movimento e sviluppo delle strutture di dominio nella ceramica piezoelettrica. Le ceramiche piezoelettriche sono corpi isotropi prima della polarizzazione artificiale e non mostrano effetti piezoelettrici esternamente; dopo la polarizzazione, diventano corpi anisotropi a causa della polarizzazione rimanente, avendo così un effetto piezoelettrico. Le proprietà dielettriche ed elastiche della ceramica piezoelettrica polarizzata sono correlate al grado di polarizzazione. Affinché le ceramiche piezoelettriche abbiano un elevato grado di polarizzazione e sfruttino appieno le loro potenziali proprietà piezoelettriche, è necessario adottare le condizioni di polarizzazione ottimali, ovvero selezionare l'intensità del campo elettrico di polarizzazione (E) e la temperatura di polarizzazione (T) appropriate. E tempo di polarizzazione (t). Le tre condizioni del processo di polarizzazione sono correlate. Se il campo elettrico di polarizzazione è debole, può essere compensato aumentando la temperatura e prolungando il tempo di polarizzazione; se il campo elettrico è forte e la temperatura è elevata, il tempo di polarizzazione può essere ridotto. Tuttavia, le tre condizioni di polarizzazione sono strettamente correlate alla composizione della ceramica piezoelettrica. Per i materiali ceramici piezoelettrici PZT, il campo elettrico coercitivo è ridotto. Il metodo tradizionale consiste nel regolare il rapporto zirconio/titanio. Maggiore è il rapporto zirconio/titanio, minore è il campo elettrico coercitivo, quindi il campo elettrico di polarizzazione è minore. L'aumento del rapporto zirconio/titanio non migliora significativamente le condizioni del processo di polarizzazione.

Nella produzione e nella ricerca scientifica, alcuni ossidi e composti vengono spesso utilizzati come additivi in ​​tracce per migliorare le prestazioni dei materiali ceramici piezoelettrici. Questi oligoadditivi sostituiscono le posizioni di alcuni ioni titanio e ioni zirconio nel PZT, il che fa sì che il dominio nei grani si muova facilmente, il che porta ad una significativa riduzione del campo elettrico coercitivo e riduce anche le tre condizioni di polarizzazione. Facile da polarizzare. Dopo un lungo periodo di esperimenti ripetuti, si è stabilito che il filtro ceramico piezoelettrico da 6,5 ​​MHz è realizzato in PZT modificato e la sua composizione è Pb0. 90 Sr0. 05Mg0. 03Ba0. 02 (Zr0. 53 Ti0. 47 ) O3 +CeO2 + Dopo che la materia prima ceramica piezoelettrica è stata precotta, formata, cotta e lucidata, si forma un disco piezoceramico rotondo di 24 mm × 0,35 mm e, dopo essere stato argentato su entrambi i lati del pezzo rotondo di ceramica piezoelettrica, viene posto in un forno a 100 ° C. Cuocere per più di 10 minuti e rimuovere le piastrelle dallo strato d'argento. Quindi, la piastra piezoelettrica d'argento viene posta in un forno a scatola e la temperatura viene aumentata a 100 ° C a una temperatura costante di 15 ° C/6 min e la temperatura viene aumentata a 0,5 ° C. La temperatura viene aumentata a una temperatura costante di 15 ° C/6 min. A 400°C la temperatura è stata aumentata a 700°C ad una temperatura costante di 20°C/6 min. Dopo una temperatura costante di 20 minuti, la temperatura è stata lentamente abbassata al di sotto di 100°C. I pezzi di porcellana argentata sono stati posti a temperatura ambiente per 12 ore, posti in un bagno di olio di silicone e sottoposti a trattamento di polarizzazione nelle diverse condizioni di polarizzazione. Le proprietà piezoelettriche di tubo piezoelettrico tangenziale sono stati misurati dopo essere rimasti in piedi per 24 ore.

Effetto del campo elettrico polarizzato sulle proprietà piezoelettriche

Nel processo di polarizzazione, il campo elettrico di polarizzazione è la forza motrice esterna per governare il dominio. Nel caso in cui non si superi l'intensità del campo di saturazione del materiale, maggiore è E, maggiore è l'effetto dell'orientamento dell'allineamento del dominio e del grado di polarizzazione. Quanto più completo, migliore è la prestazione piezoelettrica. Gli elettroni che sono difficili da deviare o riorientare a bassa pressione sono più suscettibili alla deflessione o al riorientamento ad alta pressione, il che rende la polarizzazione più completa. Per un dominio di inversione di 180°, l'inversione del dominio non guida il dominio inverso attraverso il movimento laterale della parete del dominio, ma piuttosto aumenta molta polarizzazione vicino all'elettrodo lungo il bordo del campione all'interno del dominio di inversione. Un nuovo dominio appuntito con una direzione coerente con la direzione del campo elettrico. Dopo la nucleazione del nuovo dominio, esso avanza sotto l'azione di un campo elettrico e penetra nell'intero campione. Quando il campo elettrico viene potenziato, appaiono continuamente nuovi domini e lo sviluppo diretto si propaga all’intero dominio inverso. Infine, il dominio inverso diventa la stessa direzione del campo elettrico esterno e si combina con i domini isotropi adiacenti per formare un volume più grande. Per un dominio a 90°, la parete del dominio può muoversi lateralmente e il campo elettrico critico richiesto per il movimento laterale del dominio a 90° è inferiore al campo elettrico critico richiesto per il nuovo nucleo del dominio dalla forma affilata, ma sono necessarie la direzione del dominio a 90° e la direzione del campo elettrico esterno. Coerentemente richiede un campo elettrico più ampio e lo sviluppo del suo nuovo dominio si basa principalmente sul campo elettrico esterno per spingere il movimento laterale della parete del dominio a 90°. Nella condizione di t = 15 min e T = 130 °C, la polarizzazione del pezzo di ceramica piezoelettrica è stata modificata da E, e la costante piezoelettrica d33 è cambiata con E. Si può vedere che quando E < 1,5 kV/mm, d33 aumenta lentamente con l'aumento di E; quando E > 1,5 kV/mm, d33 aumenta rapidamente con l'aumento di E, ma quando E > 2,5 kV/mm, d33 diminuisce improvvisamente rapidamente. Questo perché quando E < 1,5 kV/mm, la polarizzazione può solo far ruotare facilmente il materiale verso un orientamento del dominio di 180° nella direzione del campo elettrico esterno, quindi il valore d33 è inferiore e l'aumento è più lento; quando E > 1,5 kV, il campo elettrico esterno è maggiore del campo elettrico coercitivo del materiale, quindi il dominio di 90° che è difficile da girare il materiale, che tende nella direzione del campo elettrico esterno, quindi il d33 aumenta rapidamente; continuare ad aumentare l'intensità del campo elettrico esterno, quando E > 2,0 kV/At mm, la rotazione del dominio piezoelettrico nel materiale è quasi completa, quindi l'aumento di d33 tende ad essere lento. Ma quando E raggiunge un certo valore (E > 2,5 kV/mm), gli elettroni liberi nella piezoceramica ricevono più energia nel campo elettrico rispetto all'energia persa. Secondo la teoria della collisione mediante ionizzazione, gli elettroni liberi possono trovarsi dopo ogni collisione. L'accumulo di energia fa sì che la temperatura del foglio ceramico aumenti continuamente, le prestazioni piezoelettriche vengono continuamente degradate e infine si verifica una rottura termica. Inoltre, quando il campo elettrico applicato è sufficientemente elevato, a causa dell'effetto tunnel della meccanica quantistica, gli elettroni della banda proibita possono entrare nella banda di conduzione e, sotto l'azione del campo forte, gli elettroni liberi vengono accelerati, provocando la collisione e la ionizzazione degli elettroni. In questo momento, a causa dell'aumento della corrente, la temperatura locale del piezocristallo aumenta, provocando la fusione parziale del piezocristallo e la distruzione della sua struttura, in modo che le proprietà della piezoceramica vengano degradate e infine si verifichi la rottura.

Effetto della temperatura di polarizzazione sulle proprietà piezoelettriche

Nella condizione di E = 2,0 kV/mm e t = 15 min, T viene modificato per polarizzare la ceramica piezoelettrica. La variazione di d33 e d33 inizia ad aumentare più velocemente. Dopo che la temperatura ha raggiunto i 130 °C, il valore di d33 è rimasto sostanzialmente invariato. Questo perché a temperature più basse, all'aumentare della temperatura, il rapporto assiale dei cristalli piezoelettrici diventa più piccolo, l'attività del dominio aumenta e lo stress interno causato dallo sterzo a 90° dei domini diventa più piccolo, cioè lo sterzo del dominio viene influenzato. La resistenza è piccola e i domini sono facilmente orientabili, quindi la polarizzazione è più facile da eseguire. Quando T raggiunge i 130 °C, la maggior parte dei domini piezoelettrici vengono ruotati e lo sterzo è saturo, quindi il valore di d33 non cambia.

Le condizioni di polarizzazione hanno una grande influenza sulle prestazioni della ceramica piezoelettrica e il campo elettrico di polarizzazione è il fattore principale nelle condizioni di polarizzazione. Teoricamente, quando il campo elettrico applicato supera l'intensità del campo coercitivo, la maggior parte dei domini dovrebbe essere ruotata e polarizzata, riorganizzata e completamente polarizzata, ma sotto un tale campo elettrico, anche se polarizzato per lungo tempo, non può essere ottenuto. Migliori proprietà piezoelettriche. Per sfruttare appieno le proprietà piezoelettriche del materiale, il campo elettrico deve essere aggiunto all'intensità del campo di saturazione, che è da 3 a 4 volte l'intensità del campo coercitivo. Pertanto, il campo elettrico coercitivo è il limite inferiore del campo elettrico selezionato durante la polarizzazione e l'intensità del campo di saturazione. Si può considerare che il limite superiore dell'intensità del campo viene selezionato al momento della polarizzazione e, se l'intensità del campo di saturazione viene superata, la rottura è facilmente riscontrabile. Dopo un esame approfondito, vengono determinati i parametri ottimali del processo di polarizzazione del filtro ceramico piezoelettrico da 6,5 ​​MHz: l'intensità del campo elettrico di polarizzazione è 2,2 kV/mm e la temperatura di polarizzazione è 130 °C. Sulla base di ciò, viene determinato il polo. Il tempo è di 15 minuti. I risultati sperimentali mostrano che quando il tempo di polarizzazione supera i 15 minuti, l'effetto sulle prestazioni piezoelettriche non è evidente. Nell'esperimento è stato anche riscontrato che l'uso di pasta d'argento conduttiva a bassa temperatura invece della pasta d'argento ad alta temperatura comunemente usata nel processo di sinterizzazione dell'argento può migliorare in una certa misura le proprietà piezoelettriche e meccaniche del foglio di ceramica, ma la forza di adesione è inferiore e il costo è più elevato. Elevata e inadatta alla produzione industriale. Nell'esperimento del processo di cottura, si è constatato che la lastra piezoceramica ha una temperatura superiore a 1 250 ° C e un tempo di permanenza superiore a 2 ore tende a rompersi durante la polarizzazione, con conseguente aumento delle crepe. Questo perché quanto più elevata è la temperatura di cottura e quanto più lungo il tempo di mantenimento, tanto più grave si verifica la cristallizzazione, per cui i grani più piccoli diventano grani grandi, il che di solito porta ad un aumento della porosità della ceramica e ad una diminuzione della densità della ceramica. Riduce la resistenza meccanica e la costante dielettrica e allo stesso tempo riduce il fattore di qualità meccanica della ceramica piezoelettrica.

 Quando arriva la consegna, la consegna viene autenticata. In caso di successo, le risorse assegnate nella fase di preparazione vengono trasferite al modulo di accesso al protocollo e viene avviata una chiamata al controllo. In questo momento, il controllo chiamate considera la chiamata come una normale chiamata terminale. Quando il modulo di accesso al protocollo segnala all'HOM che il terminale ha effettivamente avuto accesso al messaggio, lo switch può essere considerato in uno stato stabile. Se il terminale inserito necessita di altri handover, come ad esempio handover interno o handover successivo, è possibile completarlo secondo la descrizione della funzione HO. Va sottolineato che i terminali OT scambiati non hanno nulla a che fare con i terminali OT della chiamata. L'estremità T e l'estremità O della chiamata possono essere l'estremità O commutata o l'estremità T commutata. Dopo la ricerca sull'handover GSM e UMTS, se ci sono handover GSM e UMTS nel softswitch mobile, ci sono molte somiglianze tra il processo di segnalazione e il controllo multimediale, in particolare i messaggi di handover di BSSAP e RANAP. Nel processo di progettazione della macchina statale, si considera di implementare la fusione dei due protocolli e infine di adottare lo schema di implementazione della separazione. Il processo di segnalazione di un singolo protocollo nell'handover non è complicato e la complessità dell'handover deriva principalmente dalla cooperazione di protocolli su più interfacce diverse. La fusione dei messaggi relativi all'handover nei due protocolli della Base Station Subsystem Application Part (BSSAP) e della Radio Access Network Application Part (RANAP) non può essere molto semplificata per la progettazione della macchina a stati di handover, e lo sarà anche per BSSAP. Il design adattato al protocollo RANAP aggiunge complessità. Inoltre, la fusione comporterà una ridondanza di messaggi e parametri o una perdita di funzionalità.