Penggunaan titanat zirkonat plumbum (PZT) yang digunakan untuk penggerak piezoelektrik

1 Pengenalan 

Bahan pintar termasuk bahan penderiaan dan bahan pemanduan. Bahan persepsi ialah kelas bahan yang mempunyai fungsi penderiaan untuk tekanan luaran atau dalaman, terikan, haba, cahaya, elektrik, kemagnetan, tenaga sinaran, dan kuantiti kimia. Mereka boleh digunakan untuk membuat pelbagai peranti sensor; Bahan yang bertindak balas terhadap keadaan persekitaran atau perubahan dalaman dan melakukan tindakan yang boleh digunakan untuk membuat pelbagai peranti pemacu. Peranti pintar ialah penggerak piezo dengan fungsi pemacu penderiaan yang diperbuat daripada bahan pintar. Struktur pintar terdiri daripada bahan dan peranti. Ia menyepadukan penderiaan, pemprosesan isyarat, kawalan dan pemanduan ke dalam sistem bahan atau sistem struktur. Ia boleh merasakan persekitaran atau parameter dalaman, memproses maklumat, mengeluarkan arahan, melaksanakan dan menyelesaikan tindakan. untuk mencapai diagnosis diri, penyembuhan diri dan fungsi penyesuaian. Aplikasi sistem dan struktur bahan pintar adalah sangat luas, bukan sahaja dalam senjata pertahanan pertahanan seperti kapal terbang, kapal perang, dan lain-lain, tetapi juga dalam bidang strategik penting ekonomi negara, terutamanya dalam bidang teknologi tinggi. Bahan utama yang sedang melengkapkan sistem dan struktur bahan pintar ialah bahan ingatan bentuk, bahan piezoelektrik (termasuk seramik piezoelektrik, polimer piezoelektrik), bahan elektrostriktif, gentian optik dan varian elektrorheologi, varian magnetorheologi, dan seumpamanya. Penggunaan bahan pintar ini, digabungkan dengan reka bentuk dan fabrikasi komposit yang bijak dan canggih, yang menghasilkan sistem dan struktur material yang digerakkan, dirasai dan dikawal.

Bahan piezoelektrik ialah kelas utama bahan dalam sistem dan struktur bahan pintar. Hablur dielektrik daripada transduser seramik piezoelektrik dengan kesan piezoelektrik akan terkutub dan membentuk cas permukaan di bawah tindakan tegasan mekanikal. Jika kristal dielektrik sedemikian diletakkan dalam medan elektrik, tindakan medan elektrik akan menyebabkan anjakan relatif pusat cas positif dan negatif di dalam dielektrik menyebabkan ubah bentuk. . Oleh kerana bahan piezoelektrik mempunyai ciri-ciri di atas, keseragaman elemen piezo penderiaan dan elemen tindakan boleh dicapai. Bahan piezoelektrik boleh digunakan secara meluas dalam bahan dan struktur pintar, terutamanya untuk diagnosis diri kerosakan bahan, penyesuaian diri, pengurangan getaran dan kawalan bunyi. Jenis bahan piezoelektrik yang dibangunkan termasuk kristal tunggal, polihablur, kaca mikrohablur, polimer organik, dan bahan komposit. Sejak tahun 1980-an, dengan berakhirnya kemuncak bahan seramik piezoelektrik daripada pembangunan sistem binari kepada sistem terner dan berbilang komponen, penyelidikan mengenai bahan piezoelektrik telah menjadi perlahan. Dengan perkembangan pesat sains dan teknologi, pembangunan dan penerokaan di bawah permintaan aplikasi telah memberi dorongan baharu kepada penyelidikan bahan piezoelektrik. Bersama-sama dengan usaha tanpa henti pekerja sains dan teknologi dalam penyelidikan asas dan penambahbaikan proses pengeluaran, jenis tekanan baharu telah berlaku dalam dekad yang lalu. Kemunculan bahan elektrik yang berterusan telah membuat penyelidikan bahan piezoelektrik.

2 Gambaran keseluruhan bahan piezoelektrik

Dalam kristal seramik piezoelektrik , asimetri susunan ion positif dan negatif dan bukan kebetulan pusat graviti cas positif dan negatif unit membentuk momen dipol elektrik. Momen dipol elektrik ini diselaraskan ke arah tertentu untuk menjadi struktur domain, dan domain tidak bercelaru pada kristal. kesan polarisasi membatalkan satu sama lain, polarisasi dalam bahan adalah sifar, dan arah polarisasi domain terpolarisasi oleh medan elektrik DC cenderung berada dalam arah yang sama. Apabila daya luar bertindak ke atas bahan piezoelektrik untuk menyebabkan ubah bentuk, bahan tersebut terikat secara positif dan negatif. Padang cas menjadi lebih kecil, dan keamatan polarisasi juga menjadi lebih kecil. Caj percuma yang asalnya terserap pada elektrod dilepaskan sebahagiannya, dan fenomena nyahcas berlaku, yang dipanggil kesan piezoelektrik positif; medan elektrik intensiti tertentu digunakan pada dua kutub bahan piezoelektrik, dan pada cip adalah jarak cas positif dan negatif menjadi lebih besar, keamatan polarisasi juga menjadi lebih besar, dan beberapa cas percuma diserap pada elektrod untuk menyebabkan fenomena pengecasan. Caj elektrik bergerak dalam litar untuk mengeluarkan tenaga mekanikal secara luaran, yang dipanggil kesan piezoelektrik songsang.

2.3 Kaedah penyediaan bahan piezoelektrik

Untuk bahan piezoelektrik yang berbeza, kaedah penyediaan yang sesuai dipilih mengikut aplikasinya, ciri . Kaedah penyediaan terbahagi kepada kaedah fasa pepejal, kaedah fasa cecair dan kaedah fasa gas mengikut fasa fasa yang berlaku semasa penyediaan.

2.3.1 Kaedah fasa pepejal

Apabila piezo PZT disediakan dengan kaedah fasa pepejal tradisional, suhu pensinteran yang lebih tinggi daripada 1200 °C akan menyebabkan pemeruapan PbO. Adalah sukar untuk mengawal nisbah stoikiometri, yang menjadikan struktur mikro dan sifat elektrik bahan sukar dikawal. Ia sesuai untuk bahan mentah, proses mudah dan bahan piezoelektrik. Di mana keperluan prestasi tidak tinggi.

2.3.2 Kaedah fasa cecair

Penyediaan bahan piezoelektrik melalui kaedah fasa cecair merupakan kaedah yang paling biasa digunakan pada masa ini, termasuk kaedah kopresipitasi, kaedah sintesis hidroterma, kaedah sol-gel, kaedah hidrolisis alkoksida dan seumpamanya. Kaedah kopresipitasi membolehkan pensinteran suhu rendah untuk mendapatkan bahan piezoelektrik yang mempunyai ketumpatan yang lebih tinggi daripada ketumpatan teori. Kaedah kopresipitasi menggunakan kaedah pemanggangan berprogram suhu 700 darjah untuk menyediakan serbuk BaT iO3 dengan saiz zarah 60n m. Para penyelidik di Amerika Syarikat menggunakan kaedah kopresipitasi digabungkan dengan proses pengeringan beku untuk mensintesis serbuk PZ T bersaiz nano pada 800 darjah. Pensinteran memberikan bahan dengan ketumpatan teori 98%. Dalam kajian, N b2 O 5 dan T a 2 O5 digunakan sebagai bahan tindak balas prekursor, dan serbuk seramik KT aN b O3 disediakan dengan kaedah hidroterma dan kaedah terma pelarut. Seramik piezoelektrik tersinter telah dikaji. Pekali gandingan mencapai 0.5, dan pekali piezoelektrik d 33 adalah antara 150 ~ 450p C / N. Walau bagaimanapun, kaedah hidroterma memerlukan suhu dan tekanan yang lebih tinggi, dan pelaburan peralatan adalah besar, yang mengehadkan penggunaan kaedah tersebut. Kaedah sol-gel adalah kaedah yang paling biasa digunakan dalam kaedah fasa cecair. Filem prestasi tinggi boleh disediakan dengan sol-gel digabungkan dengan pelbagai proses pengacuan dan pensinteran.

2.3. Kaedah 3 fasa gas

Kaedah fasa gas sesuai untuk penyediaan filem piezoelektrik skala nano, terutamanya pemendapan wap fizikal dan pemendapan wap kimia. Antaranya, kaedah sputtering adalah kaedah yang paling biasa digunakan. AP t / T i elektrod bawah telah didepositkan pada substrat Si 2 / S i dengan kaedah sputtering sasaran, dan filem PZT yang mempunyai ketebalan kira-kira 800mm telah disediakan oleh sputtering frekuensi radio (RF). Pemendapan wap kimia dengan tepat boleh mengawal komposisi kimia produk tindak balas, dan ia adalah mudah untuk doping, tetapi sukar untuk mendapatkan bahan sumber gas yang sesuai, yang tidak sesuai untuk kos rendah, penyediaan volum besar filem, dan secara praktikal digunakan kurang.