Påføring av blyzirkonattitanat (PZT) brukt til piezoelektrisk aktuator

1 Introduksjon 

Smarte materialer inkluderer sansematerialer og kjøremateriell. Perseptuelle materialer er en klasse av materialer som har en sansefunksjon for ytre eller indre stress, belastning, varme, lys, elektrisitet, magnetisme, strålingsenergi og kjemiske mengder. De kan brukes til å lage ulike sensorenheter; Materialer som reagerer på miljøforhold eller interne endringer og utfører handlinger som kan brukes til å lage en rekke forskjellige drivenheter. Smartenheten er en piezo-aktuator med en sensing drive-funksjon laget av smarte materialer. Den intelligente strukturen er sammensatt av materialer og enheter. Den integrerer sansing, signalbehandling, kontroll og kjøring i et materialsystem eller strukturelt system. Den kan sanse miljøet eller interne parametere, behandle informasjon, utstede kommandoer, utføre og fullføre handlinger. for å oppnå selvdiagnose, selvhelbredende og adaptive funksjoner. Anvendelsen av intelligente materialsystemer og strukturer er svært omfattende, ikke bare i forsvars-forsvarsvåpen som fly, krigsskip, etc., men også i strategisk viktige områder av den nasjonale økonomien, spesielt innen høyteknologiske felt. Hovedmaterialene som for tiden kompletterer smarte materialsystemer og strukturer er formminnematerialer, piezoelektriske materialer (inkludert piezoelektrisk keramikk, piezoelektriske polymerer), elektrostriktive materialer, optiske fibre og elektroreologiske varianter, magnetoreologiske varianter og lignende. Bruken av disse smarte materialene, kombinert med smart og sofistikert komposittdesign og fabrikasjon, som resulterer i et materialsystem og struktur som er drevet, sanset og kontrollert.

Piezoelektriske materialer er en hovedklasse av materialer i smarte materialsystemer og strukturer. En dielektrisk krystall av piezoelektrisk keramikktransduser med en piezoelektrisk effekt vil bli polarisert og danne en overflateladning under påvirkning av mekanisk stress. Hvis en slik dielektrisk krystall plasseres i et elektrisk felt, vil virkningen av det elektriske feltet forårsake en relativ forskyvning av de positive og negative ladningssentrene inne i dielektrikumet for å forårsake deformasjon. . Siden det piezoelektriske materialet har de ovennevnte karakteristikkene, kan ensartetheten til det følende piezoelementet og handlingselementet oppnås. Piezoelektriske materialer kan brukes mye i smarte materialer og strukturer, spesielt for selvdiagnostisering av materielle skader, selvtilpasning, vibrasjonsreduksjon og støykontroll. Typer av piezoelektriske materialer utviklet, inkludert enkeltkrystall, polykrystallinsk, mikrokrystallinsk glass, organiske polymerer og komposittmaterialer. Siden 1980-tallet, med slutten av klimakset for piezoelektriske keramiske materialer fra utviklingen av binære systemer til ternære og flerkomponentsystemer, har forskningen på piezoelektriske materialer gått sakte. Med den raske utviklingen av vitenskap og teknologi, har utvikling og utforskning under etterspørselen etter søknad gitt ny drivkraft til forskningen av piezoelektriske materialer. Sammen med den utholdende innsatsen til vitenskaps- og teknologiarbeidere innen grunnleggende forskning og forbedring av produksjonsprosesser, har den nye typen press vært det siste tiåret. Den kontinuerlige fremveksten av elektriske materialer har gjort forskningen av piezoelektriske materialer.

2 Oversikt over piezoelektriske materialer

I piezoelektrisk keramikkkrystall , asymmetrien til arrangementet av positive og negative ioner og ikke-sammenfallende tyngdepunkt for enhetens positive og negative ladninger danner et elektrisk dipolmoment. Disse elektriske dipolmomentene er justert i en bestemt retning for å bli en domenestruktur, og domenene er uordnet på krystallen. polarisasjonseffektene opphever hverandre, polarisasjonen i materialet er null, og polarisasjonsretningen til domenet polarisert av det elektriske DC-feltet har en tendens til å være i samme retning. Når en ekstern kraft virker på det piezoelektriske materialet for å forårsake deformasjon, er materialet positivt og negativt bundet. Ladningens tonehøyde blir mindre, og polarisasjonsintensiteten blir også mindre. Den frie ladningen som opprinnelig ble adsorbert på elektroden, frigjøres delvis, og utladningsfenomenet oppstår, som kalles den positive piezoelektriske effekten; et elektrisk felt med viss intensitet påføres de to polene til det piezoelektriske materialet, og på brikken blir den positive og negative ladningsavstanden større, polarisasjonsintensiteten blir også større, og noen frie ladninger adsorberes på elektrodene for å forårsake ladefenomen. Den elektriske ladningen beveger seg i kretsen for å gi ut mekanisk energi eksternt, som kalles på den inverse piezoelektriske effekten.

2.3 Fremstillingsmetode for piezoelektrisk materiale

For forskjellige piezoelektriske materialer velges en passende forberedelsesmetode i henhold til dens anvendelse, egenskaper. Fremstillingsmetoden er delt inn i en fastfasemetode, en væskefasemetode og en gassfasemetode i henhold til fasen av fasen som oppstår under tilberedningen.

2.3.1 Fastfasemetoden

Når PZT piezo fremstilles ved den tradisjonelle fastfasemetoden, vil sintringstemperaturen høyere enn 1200 °C forårsake fordampning av PbO. Det er vanskelig å kontrollere det støkiometriske forholdet, noe som gjør materialets mikrostruktur og elektriske egenskaper vanskelig å kontrollere. Den er egnet for råvarer, enkel prosess og piezoelektriske materialer. Der ytelseskravene ikke er høye.

2.3.2 Væskefasemetode

Fremstilling av piezoelektriske materialer ved væskefasemetoden er for tiden den mest brukte metoden, inkludert samutfellingsmetode, hydrotermisk syntesemetode, sol-gel-metode, alkoksydhydrolysemetode og lignende. Samutfellingsmetoden muliggjør lavtemperatursintring for å oppnå et piezoelektrisk materiale med høyere tetthet enn den teoretiske tettheten. Samutfellingsmetoden brukte en 700 graders temperaturprogrammert stekemetode for å tilberede BaT iO3-pulver med en partikkelstørrelse på 60nm. Forskerne i USA brukte en samutfellingsmetode kombinert med en frysetørkeprosess for å syntetisere PZ T-pulver i nanostørrelse ved 800 grader. Sintring ga et materiale med en teoretisk tetthet på 98 %. I studien ble N b2 O 5 og Ta 2 O5 brukt som forløperreaktanter, og KT aN b O3 keramiske pulvere ble fremstilt ved hydrotermisk metode og løsningsmiddeltermisk metode. Den sintrede piezoelektriske keramikken ble studert. Koblingskoeffisienten når 0,5, og den piezoelektriske koeffisienten d 33 er mellom 150 ~ 450p C / N. Den hydrotermiske metoden krever imidlertid høyere temperatur og trykk, og utstyrsinvesteringen er stor, noe som begrenser anvendelsen av metoden. Sol-gel-metoden er den mest brukte metoden i væskefasemetoden. Høyytelsesfilmer kan fremstilles med sol-gel kombinert med ulike støpe- og sintringsprosesser.

2.3. 3 gassfase metode

Gassfasemetoden er egnet for fremstilling av piezoelektriske filmer i nanoskala, hovedsakelig fysisk dampavsetning og kjemisk dampavsetning. Blant dem er sputtermetoden den mest brukte metoden. AP t/Ti-bunnelektrode ble avsatt på Si 2/Si-substratet ved en målforstøvningsmetode, og en PZT-film med en tykkelse på ca. 800 mm ble fremstilt ved radiofrekvens (RF ) sputtering. Kjemisk dampavsetning kan nøyaktig kontrollere den kjemiske sammensetningen av reaksjonsproduktet, og det er praktisk å dope, men det er vanskelig å skaffe et passende gasskildemateriale, som ikke er egnet for lavkost, stort volum tilberedning av en film, og som praktisk talt brukes mindre.