Toepassing van loodzirkonaattitanaat (PZT) gebruikt voor piëzo-elektrische actuatoren

1 Inleiding 

Slimme materialen omvatten detectiematerialen en aandrijfmaterialen. Perceptuele materialen zijn een klasse materialen die een detectiefunctie hebben voor externe of interne spanning, spanning, hitte, licht, elektriciteit, magnetisme, stralingsenergie en chemische hoeveelheden. Ze kunnen worden gebruikt om verschillende sensorapparaten te maken; Materialen die reageren op omgevingsomstandigheden of interne veranderingen en acties uitvoeren die kunnen worden gebruikt om een ​​verscheidenheid aan aandrijfapparaten te maken. Het slimme apparaat is een piëzo-actuator met een sensor-aandrijffunctie gemaakt van slimme materialen. De intelligente structuur is samengesteld uit materialen en apparaten. Het integreert detectie, signaalverwerking, controle en aansturing in een materieel systeem of structureel systeem. Het kan de omgeving of interne parameters waarnemen, informatie verwerken, opdrachten geven, acties uitvoeren en voltooien. om de zelfdiagnose, zelfgenezing en adaptieve functies te bereiken. De toepassing van intelligente materiële systemen en structuren is zeer uitgebreid, niet alleen in defensiewapens zoals vliegtuigen, oorlogsschepen, enz., maar ook in strategisch belangrijke gebieden van de nationale economie, vooral op hightechgebieden. De belangrijkste materialen die momenteel slimme materiaalsystemen en -structuren completeren zijn vormgeheugenmaterialen, piëzo-elektrische materialen (waaronder piëzo-elektrische keramiek, piëzo-elektrische polymeren), elektrostrictieve materialen, optische vezels en elektroreologische varianten, magnetorheologische varianten en dergelijke. Het gebruik van deze slimme materialen, gecombineerd met slim en verfijnd composietontwerp en -fabricage, resulteert in een materiaalsysteem en -structuur die wordt aangedreven, gevoeld en gecontroleerd.

Piëzo-elektrische materialen vormen een belangrijke klasse materialen in slimme materiaalsystemen en -structuren. Een diëlektrisch kristal van piëzo-elektrische keramische transducers met een piëzo-elektrisch effect zullen gepolariseerd zijn en een oppervlaktelading vormen onder invloed van mechanische spanning. Als een dergelijk diëlektrisch kristal in een elektrisch veld wordt geplaatst, zal de werking van het elektrische veld een relatieve verplaatsing van de positieve en negatieve ladingscentra in het diëlektricum veroorzaken, waardoor vervorming ontstaat. . Omdat het piëzo-elektrische materiaal de bovenstaande kenmerken heeft, kan de uniformiteit van het detectie-piëzo-element en het actie-element worden bereikt. Piëzo-elektrische materialen kunnen op grote schaal worden gebruikt in slimme materialen en constructies, vooral voor zelfdiagnose van materiële schade, zelfaanpassing, trillingsreductie en geluidsbeheersing. De soorten piëzo-elektrische materialen die zijn ontwikkeld, waaronder monokristallijn, polykristallijn, microkristallijn glas, organische polymeren en composietmaterialen. Sinds de jaren tachtig, met het einde van de climax van piëzo-elektrische keramische materialen, van de ontwikkeling van binaire systemen naar ternaire systemen en systemen met meerdere componenten, verloopt het onderzoek naar piëzo-elektrische materialen traag. Met de snelle ontwikkeling van wetenschap en technologie heeft de ontwikkeling en verkenning onder de vraag naar toepassing een nieuwe impuls gegeven aan het onderzoek naar piëzo-elektrische materialen. Samen met de niet-aflatende inspanningen van wetenschaps- en technologiewerkers op het gebied van fundamenteel onderzoek en verbetering van het productieproces, is er de afgelopen tien jaar een nieuw soort druk ontstaan. De voortdurende opkomst van elektrische materialen heeft geleid tot het onderzoek naar piëzo-elektrische materialen.

2 Overzicht van piëzo-elektrische materialen

In de piëzo-elektrisch keramiekkristal , de asymmetrie van de rangschikking van de positieve en negatieve ionen en het niet samenvallen van het zwaartepunt van de positieve en negatieve ladingen van de eenheid vormen een elektrisch dipoolmoment. Deze elektrische dipoolmomenten zijn in een bepaalde richting uitgelijnd om een ​​domeinstructuur te worden, en de domeinen zijn wanordelijk op het kristal. de polarisatie-effecten heffen elkaar op, de polarisatie in het materiaal is nul en de polarisatierichting van het domein gepolariseerd door het elektrische gelijkstroomveld neigt in dezelfde richting te zijn. Wanneer een externe kracht op het piëzo-elektrische materiaal inwerkt en vervorming veroorzaakt, is het materiaal positief en negatief gebonden. De toonhoogte van de lading wordt kleiner en de polarisatie-intensiteit wordt ook kleiner. De vrije lading die oorspronkelijk op de elektrode was geadsorbeerd, wordt gedeeltelijk vrijgegeven en er treedt een ontladingsfenomeen op, dat het positieve piëzo-elektrische effect wordt genoemd; Er wordt een elektrisch veld met een bepaalde intensiteit aangelegd op de twee polen van het piëzo-elektrische materiaal, en op de chip wordt de positieve en negatieve ladingsafstand groter, de polarisatie-intensiteit wordt ook groter en sommige vrije ladingen worden op de elektroden geadsorbeerd om een ​​oplaadfenomeen te veroorzaken. De elektrische lading beweegt in het circuit om externe mechanische energie af te geven, wat een beroep doet op het omgekeerde piëzo-elektrische effect.

2.3 Bereidingswijze van piëzo-elektrisch materiaal

Voor verschillende piëzo-elektrische materialen wordt een geschikte bereidingsmethode geselecteerd op basis van de toepassing en kenmerken ervan. De bereidingsmethode is onderverdeeld in een vastefasemethode, een vloeistoffasemethode en een gasfasemethode, afhankelijk van de fase van de fase die optreedt tijdens de bereiding.

2.3.1 Vastefasemethode

Wanneer PZT-piëzo wordt bereid volgens de traditionele vaste-fasemethode, zal de sintertemperatuur hoger dan 1200 °C de vervluchtiging van PbO veroorzaken. Het is moeilijk om de stoichiometrische verhouding te controleren, waardoor de microstructuur en elektrische eigenschappen van het materiaal moeilijk te controleren zijn. Het is geschikt voor grondstoffen, eenvoudige processen en piëzo-elektrische materialen. Waar prestatie-eisen niet hoog zijn.

2.3.2 Vloeistoffasemethode

De bereiding van piëzo-elektrische materialen door middel van de vloeistoffasemethode is momenteel de meest algemeen gebruikte methode, waaronder de coprecipitatiemethode, de hydrothermische synthesemethode, de sol-gelmethode, de alkoxidehydrolysemethode en dergelijke. De coprecipitatiemethode maakt sinteren bij lage temperatuur mogelijk om een ​​piëzo-elektrisch materiaal te verkrijgen met een hogere dichtheid dan de theoretische dichtheid. De coprecipitatiemethode maakte gebruik van een geprogrammeerde roostmethode bij een temperatuur van 700 graden om BaT iO3-poeder te bereiden met een deeltjesgrootte van 60 nm. De onderzoekers in de Verenigde Staten gebruikten een coprecipitatiemethode gecombineerd met een vriesdroogproces om PZ T-poeder van nanogrootte te synthetiseren bij 800 graden. Sinteren leverde een materiaal op met een theoretische dichtheid van 98%. In het onderzoek werden N b2 O 5 en Ta 2 O5 gebruikt als precursor-reagentia, en werden KT aN b O3-keramische poeders bereid via de hydrothermische methode en de thermische oplosmiddelmethode. De gesinterde piëzo-elektrische keramiek werd bestudeerd. De koppelingscoëfficiënt bereikt 0,5 en de piëzo-elektrische coëfficiënt d 33 ligt tussen 150 ~ 450p C / N. De hydrothermische methode vereist echter een hogere temperatuur en druk, en de investering in apparatuur is groot, wat de toepassing van de methode beperkt. De sol-gelmethode is de meest gebruikte methode in de vloeistoffasemethode. Hoogwaardige films kunnen worden vervaardigd door middel van sol-gel in combinatie met verschillende vorm- en sinterprocessen.

2.3. 3-gasfasemethode

De gasfasemethode is geschikt voor de bereiding van piëzo-elektrische films op nanoschaal, voornamelijk fysieke dampdepositie en chemische dampdepositie. Onder hen is de sputtermethode de meest gebruikte methode. De APt/Ti-onderelektrode werd afgezet op het Si2/Si-substraat door middel van een doelsputtermethode, en een PZT-film met een dikte van ongeveer 800 mm werd vervaardigd door middel van radiofrequentie (RF)-sputteren. Chemische dampafzetting kan de chemische samenstelling van het reactieproduct nauwkeurig regelen, en het is gemakkelijk om te doteren, maar het is moeilijk om een ​​geschikt gasbronmateriaal te verkrijgen, dat niet geschikt is voor de goedkope bereiding van een film in grote volumes, en wordt praktisch minder gebruikt.