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1 はじめに
スマート材料には、センシング材料と駆動材料が含まれます。知覚材料は、外部または内部の応力、ひずみ、熱、光、電気、磁気、放射エネルギー、化学量を感知する機能を持つ材料の一種です。これらはさまざまなセンサーデバイスの作成に使用できます。環境条件や内部変化に反応して作用する材料で、さまざまな駆動装置に使用できます。スマートデバイスは、スマート材料で作られたセンシング駆動機能を備えたピエゾアクチュエータです。インテリジェント構造は材料とデバイスから構成されます。センシング、信号処理、制御、駆動を材料システムまたは構造システムに統合します。環境や内部パラメータを感知し、情報を処理し、コマンドを発行し、アクションを実行して完了します。自己診断、自己修復、適応機能を実現します。インテリジェント材料システムおよび構造の応用は、航空機、軍艦などの防衛兵器だけでなく、国家経済の戦略的に重要な分野、特にハイテク分野にも非常に広範囲に及んでいます。現在、スマートマテリアルシステムおよび構造を完成させている主な材料は、形状記憶材料、圧電材料（圧電セラミックス、圧電ポリマーを含む）、電歪材料、光ファイバーおよび電気粘性学的変形物、磁気粘性学的変形物などである。これらのスマートな材料を賢く洗練された複合設計と製造と組み合わせることで、駆動、感知、制御される材料システムと構造が生まれます。
圧電材料は、スマートマテリアルシステムおよび構造における主要な材料です。の誘電体結晶 圧電効果を備えた圧電セラミックストランスデューサは 、機械的応力の作用下で分極され、表面電荷を形成します。このような誘電体結晶が電界中に置かれると、電界の作用により、誘電体内の正および負の電荷中心が相対的に変位し、変形が生じます。 。圧電材料が上記の特性を有するため、センシングピエゾ素子とアクション素子の均一性を達成することができる。圧電材料は、特に材料損傷の自己診断、自己適応、振動低減、騒音制御など、スマートな材料や構造に広く使用できます。開発された圧電材料の種類には、単結晶、多結晶、微結晶ガラス、有機ポリマー、複合材料などがあります。 1980 年代以降、圧電セラミックス材料の 2 成分系から 3 成分系、多成分系への発展という絶頂期が終わり、圧電材料の研究は遅れてきました。科学技術の急速な発展に伴い、応用の需要に応じた開発と探索が圧電材料の研究に新たな刺激を与えています。基礎研究や生産プロセスの改善における科学技術従事者のたゆまぬ努力と相まって、過去 10 年間に新たな種類の圧力が発生しています。電気材料の継続的な出現により、圧電材料の研究が行われてきました。
2 圧電材料の概要
で 圧電セラミックス結晶の正負のイオン配置の非対称性と、ユニットの正負の電荷の重心の不一致により、電気双極子モーメントが形成されます。この電気双極子モーメントが一定方向に揃ってドメイン構造となり、結晶上ではドメインが無秩序になります。分極効果は互いに打ち消し合い、材料内の分極はゼロになり、DC 電場によって分極されたドメインの分極方向は同じ方向になる傾向があります。圧電材料に外力が作用して変形すると、材料はプラスとマイナスの束縛を受けます。電荷のピッチは小さくなり、分極強度も小さくなります。電極に元々吸着されていた自由電荷の一部が放出され、正の圧電効果と呼ばれる放電現象が発生します。圧電材料の両極に一定強度の電界が印加されると、チップ上の正負の電荷間隔が大きくなり、分極強度も大きくなり、自由電荷の一部が電極に吸着されて帯電現象が起こります。電荷が回路内を移動して機械エネルギーを外部に出力することを、逆圧電効果と呼びます。
2.3 圧電材料の作製方法
圧電材料の種類により、その用途、特性に応じて適切な作製方法が選択されます。調製方法は調製時に生じる相の相に応じて固相法、液相法、気相法に分けられます。
2.3.1 固相法
PZT ピエゾを従来の固相法で製造する場合、焼結温度が 1200 °C を超えると PbO の揮発が発生します。化学量論比を制御するのは難しく、そのため材料の微細構造や電気的特性の制御が困難になります。原料、簡易プロセス、圧電材料に適しています。パフォーマンス要件が高くない場合。
2.3.2 液相法
液相法による圧電材料の作製は現在最も一般的に行われており、共沈法、水熱合成法、ゾルゲル法、アルコキシド加水分解法などが挙げられる。共沈法により低温焼結が可能となり、理論密度よりも高い密度の圧電材料を得ることができる。共沈法では、700 度の温度プログラム焙焼法を使用して、粒径 60n m の BaT iO3 粉末を調製しました。米国の研究者らは、共沈法と凍結乾燥プロセスを組み合わせて、800度でナノサイズのPZ T粉末を合成した。焼結により、理論密度 98% の材料が得られました。この研究では、N b2 O 5 と T a 2 O5 を前駆体反応物質として使用し、KT aN b O3 セラミック粉末を水熱法と溶媒熱法によって調製しました。焼結した圧電セラミックスを研究した。結合係数は0.5に達し、圧電係数d 33 は150～450p C/Nになります。しかし、水熱法は高温高圧が必要であり、設備投資も多額となるため、適用が制限されます。ゾルゲル法は液相法の中で最もよく使われる方法です。ゾルゲル法と各種成形・焼結プロセスを組み合わせることにより、高性能フィルムを作製できます。
2.3. 3気相法
気相法は、主に物理蒸着法や化学蒸着法など、ナノスケールの圧電膜の作製に適しています。その中でもスパッタリング法が最も多く用いられている。ターゲットスパッタリング法によりＳｉ ２ ／Ｓｉ基板上にＡＰ t ／Ｔ i 下部電極を堆積し、高周波（ＲＦ ）スパッタリングにより厚さ約８００μｍのＰＺＴ膜を作製した。化学気相成長法は反応生成物の化学組成を精密に制御でき、ドーピングに便利であるが、適切なガス原料の入手が難しく、低コストで大量の成膜には適しておらず、実用化は少ない。
