Penerangan mengenai transduser bahan seramik piezoceramic

Mengenai bahan pemacu seramik piezoelektrik, seramik piezoelektrik memaparkan keperluan tinggi pada sifat bahan seramik piezoelektrik seperti pemalar terikan elektrik voltan tinggi, titik curie tinggi, pekali gandingan elektromekanikal tinggi dan pemalar frekuensi tinggi. Seramik piezoelektrik yang paling banyak digunakan ialah PZT (lead zirconate titanate) berasaskan Transduser seramik piezoelektrik bahan Pzt kerana kesan piezoelektriknya yang luar biasa, ia adalah suhu curie yang tinggi, rintangan sinaran yang kuat, dan penyepaduan mudah dengan teknologi penyepaduan semikonduktor. Tetapi ia berbahaya kepada tubuh manusia dan alam sekitar.Oleh itu, orang ramai mula mencari bahan seramik piezoelektrik tanpa plumbum dengan prestasi cemerlang.

Bahan seramik piezoelektrik tanpa plumbum yang paling banyak meneliti di dalam dan di luar negara terutamanya termasuk sistem berikut: seramik piezoelektrik bebas plumbum berasaskan barium titanate; seramik piezoelektrik bebas plumbum berasaskan barium titanate; seramik piezoelektrik tanpa plumbum berasaskan tantalate dan seramik piezoelektrik tanpa plumbum berlapis struktur tantalum.

Seramik piezoelektrik tanpa plumbum berasaskan barium titanate

Penyelidikan dan penggunaan barium titanate (BaTiO3) berasaskan bebas plumbum transduser seramik piezo telah agak matang. Walau bagaimanapun, suhu curie seramik BaTiO3 adalah rendah (Tc=120), julat suhu operasi adalah sempit, dan prestasi seramik piezoelektrik adalah sederhana. Sukar untuk meningkatkan sifat piezoelektrik dengan pengubahsuaian doping, dan terdapat peralihan fasa berhampiran suhu. Oleh itu, penggunaan seramik piezoelektrik adalah terhad. Barium strontium titanat berasaskan piezoelektrik bebas plumbum seramik barium titanat dan Bi0.5Na0.5TiO3 (BNT) ialah wakil tipikal bagi siri titanat. BNT mempunyai ciri-ciri ferroelektrik santai, yang mempunyai polarisasi remanen yang agak besar dan medan paksaan yang sangat tinggi (7.5kV/mm), dan mempunyai pekali piezoelektrik yang besar (kt, kp kira-kira 50%), Prestasi dielektrik yang sangat baik seperti pekali kecil (240~340) dan prestasi akustik malar yang baik = 30Hz (frekuensi malar yang baik). Oleh kerana medan elektrik paksaan yang tinggi dan kekonduksian elektrik yang tinggi di rantau fasa ferroelektrik, polarisasi adalah sukar, yang menyukarkan untuk menghasilkan seramik piezoelektrik yang praktikal. Untuk mengatasi kelemahan polarisasi seramik piezo BNT dan kesukaran mensinter ke dalam sampel padat, seseorang menambah pelbagai pasangan dopan struktur perovskite. BNT diubah suai. Dengan memperkenalkan unsur-unsur seperti Pb, Ba, Ca, Sr, Mn, dll., kekuatan medan paksaan BNT terlalu tinggi, dan kesukaran polarisasi yang disebabkan oleh kekonduksian tinggi fasa ferroelektrik BNT dielakkan, dan polarisasi bahan BNT berjaya diselesaikan.

Seramik piezoelektrik tanpa plumbum berasaskan bismut:

Seramik piezoelektrik bebas plumbum berasaskan bismut terutamanya termasuk NaNbO3, KNbO3, LiNbO3 dan seumpamanya. The transduser seramik hemisfera piezo mempunyai kelebihan ketumpatan rendah, halaju akustik tinggi, faktor kualiti mekanikal yang besar Qm, pekali gandingan elektromekanikal yang besar kp, pemalar dielektrik rendah, prestasi piezoelektrik tinggi, pemalar frekuensi besar, dan lain-lain, jadi seramik piezoelektrik berasaskan tantalate adalah peranti frekuensi dan bahan pilihan. Walau bagaimanapun, disebabkan kemeruapan bahan logam, sukar untuk mendapatkan seramik piezo yang mempunyai kekompakan yang baik melalui proses seramik konvensional, yang merosot sifat seramik. Seramik NaNbO3-KNbO3 padat boleh diperolehi dengan menekan panas atau proses menekan isostatik, dan kestabilan suhu bahan bertambah baik, dan ketumpatan relatif boleh mencapai 99%.

Dalam aplikasi praktikal, beberapa ciri yang wujud bagi transduser seramik silinder piezoceramic (seperti histerisis, rayapan, dll.) mempunyai kesan yang besar terhadap kawalan anjakan ketepatan tinggi. Untuk mengurangkan pengaruh histerisis seramik piezoelektrik pada keluaran anjakan, sarjana asing telah mencadangkan banyak kaedah pampasan. Pada masa ini, kaedah menghapuskan histerisis secara amnya adalah kawalan gelung tertutup dalam proses kawalan. Mod ini memerlukan sensor anjakan tambahan untuk mengukur anjakan dan membandingkannya dengan anjakan sasaran pengawal untuk membentuk mekanisme pelarasan kawalan yang kompleks. 

Di bawah tindakan medan elektrik berselang-seli, transduser piezo terpolarisasi ultrasonik akan mempamerkan kemerosotan ferroelektrik makroskopik akibat penurunan aktiviti dinding domain feroelektrik. Keretakan mikro, delaminasi atau patah sering berlaku bahan dan keletihan yang disebabkan oleh medan. Sebab intrinsik terutamanya disebabkan oleh perbezaan antara muka dengan sifat. Pekali pengembangan haba pada antara muka antara seramik piezo dan elektrod adalah berbeza atau terdapat tindak balas kimia, yang memberi kesan buruk kepada prestasi keletihan seramik piezoelektrik. Daya ikatan antara muka bertambah baik dengan memasukkan serbuk elektrod ke dalam bahan seramik atau menggabungkan serbuk seramik dan elektrod asal. Medan elektrik dan suhu adalah faktor luaran utama yang mempengaruhi prestasi keletihan. Kajian terhadap dua faktor boleh didapati bahawa medan lebih kuat daripada kekuatan medan paksaan atau frekuensi tinggi, yang akan menyebabkan keletihan elektrik. Di samping itu, dalam julat suhu tertentu, rintangan keletihan meningkat dengan peningkatan suhu. Apabila suhu melebihi nilai kritikal tertentu, bahan memasuki fasa paramagnet dan fenomena keletihan hilang.

Paparan seramik piezoelektrik dijangka dapat mengatasi kelemahan paparan arus perdana semasa yang terdedah kepada gangguan elektromagnet, titik mati, goresan, dsb., dan mempunyai prospek pasaran yang luas. Susunan penggerak bagi paparan seramik piezoelektrik boleh dibuat melalui proses acuan silikon atau proses pemendapan elektroforesis, dan seramik piezoelektrik berasaskan plumbum boleh digantikan dengan seramik piezoelektrik tanpa plumbum bagi struktur berasaskan tantalate dan berstruktur tantalum. Walaupun terdapat beberapa kemajuan dalam pembangunan paparan seramik piezoelektrik, masih terdapat beberapa isu teknologi proses utama yang perlu ditangani:

(1) Walaupun prestasi beberapa seramik piezoelektrik bebas plumbum adalah sangat baik, masih terdapat jurang yang besar berbanding dengan seramik piezoelektrik berasaskan PZT, dan sifat piezoelektrik perlu dipertingkatkan lagi dengan mengukur pengubahsuaian dan peningkatan proses;

(2) Untuk menjadikan histerisis dan ketepatan pampasan rayapan transduser tekanan piezoelektrik lebih baik memenuhi keperluan kawalan kedudukan ketepatan ultra-tinggi, saintis perlu mengkaji lebih lanjut pampasan pembetulan atau kawalan berkesan melalui eksperimen untuk mengurangkan pemacu seramik piezoelektrik. Pengaruh rayapan pada ketepatan kedudukan;

(3) Pada masa ini, penyelidikan keletihan yang disebabkan oleh medan kebanyakannya tertumpu pada medan elektrik dan medan suhu, tetapi penyelidikan mengenai medan di bawah gandingan pelbagai medan kurang, tetapi peranti seramik piezoelektrik sebenar berfungsi di bawah keadaan gandingan pelbagai medan, jadi perlu untuk mengukuhkan kajian mekanisme keletihan yang disebabkan oleh medan di bawah gandingan pelbagai medan.