Beskrivelse av transduser av piezokeramisk keramisk materiale

Om piezoelektriske keramiske drivermaterialer, piezoelektrisk keramikk viser høye krav til egenskapene til piezoelektriske keramiske materialer som høyspennings elektrisk tøyningskonstant, høyt curiepunkt, høy elektromekanisk koblingskoeffisient og høyfrekvenskonstant. Den mest brukte piezoelektriske keramikken er PZT (bly zirconate titanate) basert på Pzt-materiale piezoelektrisk keramisk transduser på grunn av sin bemerkelsesverdige piezoelektriske effekt, er den høy curie-temperatur, sterk strålingsmotstand og enkel integrasjon med halvlederintegrasjonsteknologi. Men det er skadelig for menneskekroppen og miljøet. Derfor begynte folk å se etter blyfrie piezoelektriske keramiske materialer med utmerket ytelse.

De mest forskede blyfrie piezoelektriske keramiske materialene i inn- og utland inkluderer hovedsakelig følgende systemer: bariumtitanatbasert blyfri piezoelektrisk keramikk; bariumtitanatbasert blyfri piezoelektrisk keramikk; tantalatbasert blyfri piezoelektrisk keramikk og tantallagdelt struktur blyfri piezoelektrisk keramikk.

Bariumtitanatbasert blyfri piezoelektrisk keramikk

Forskning og anvendelse av bariumtitanat (BaTiO3) basert på blyfri piezo keramiske transdusere har vært ganske modne. Curie-temperaturen til BaTiO3-keramikk er imidlertid lav (Tc=120), driftstemperaturområdet er smalt, og ytelsen til piezoelektrisk keramikk er moderat. Det er vanskelig å i stor grad forbedre de piezoelektriske egenskapene ved dopingmodifikasjon, og det er en faseovergang nær temperatur. Derfor er bruken av piezoelektrisk keramikk begrenset. Bariumstrontiumtitanatbasert blyfritt piezoelektrisk keramisk bariumtitanat og Bi0.5Na0.5TiO3 (BNT) er en typisk representant for titanatserien. BNT har egenskapene til avslappet ferroelektrisk, som har relativt stor remanent polarisering og ekstremt høyt tvangsfelt (7,5 kV/mm), og har en stor piezoelektrisk koeffisient (kt, kp ca. 50%), utmerket ytelse av dielektrikum som liten koeffisient (240~340) og god akustisk konstant ytelse (320 NPHz = 320 NPHz). På grunn av dets høye tvangselektriske felt og høy elektrisk ledningsevne i det ferroelektriske faseområdet, er polarisering vanskelig, noe som gjør det vanskelig å produsere praktisk piezoelektrisk keramikk. For å overvinne manglene ved BNT piezokeramisk polarisering og vanskeligheten med å sintre inn i tette prøver, legger man til en rekke perovskittstruktur-dopemiddelpar. BNT er modifisert. Ved å introdusere elementer som Pb, Ba, Ca, Sr, Mn, etc., er tvangsfeltstyrken til BNT for høy, og polarisasjonsvanskeligheten forårsaket av den høye ledningsevnen til BNT ferroelektriske fase unngås, og polarisasjonen av BNT-materiale er vellykket løst.

Vismutbasert blyfri piezoelektrisk keramikk:

Den vismutbaserte blyfrie piezoelektriske keramikken inkluderer hovedsakelig NaNbO3, KNbO3, LiNbO3 og lignende. De piezo halvkule keramiske transdusere har fordelene med lav tetthet, høy akustisk hastighet, stor mekanisk kvalitetsfaktor Qm, stor elektromekanisk koblingskoeffisient kp, lav dielektrisk konstant, høy piezoelektrisk ytelse, stor frekvenskonstant, etc., så den tantalatbaserte piezoelektriske keramiske enheten er en foretrukket materialfrekvenskeramikk. På grunn av metallmaterialets flyktighet er det imidlertid vanskelig å oppnå piezokeramikk med god kompakthet ved en konvensjonell keramisk prosess, som forringer keramiske egenskaper. Den tette NaNbO3-KNbO3 keramikken kan oppnås ved varmpressing eller isostatisk presseprosess, og temperaturstabiliteten til materialet er sterkt forbedret, og den relative tettheten kan nå 99%.

I praktiske applikasjoner har noen iboende egenskaper til piezokeramiske sylinderkeramiske transdusere (som hysterese, kryp, etc.) en stor innvirkning på høypresisjonsforskyvningskontroll. For å redusere påvirkningen av hysterese av piezoelektrisk keramikk på forskyvningsutgang, har utenlandske forskere foreslått mange kompensasjonsmetoder. For tiden er metoden for å eliminere hysterese generelt lukket sløyfekontroll i kontrollprosessen. Denne modusen krever en ekstra forskyvningssensor for å måle forskyvningen og sammenligne den med målforskyvningen til kontrolleren for å danne en kompleks kontrolljusteringsmekanisme. 

Under påvirkning av vekslende elektrisk felt vil ultralydpolariserte piezo-transdusere vise makroskopisk ferroelektrisk degradering på grunn av reduksjonen i ferroelektrisk domeneveggaktivitet. Mikrosprekker, delaminering eller brudd oppstår ofte materialet og felt-indusert tretthet. Den iboende årsaken skyldes hovedsakelig forskjellen i grensesnittet med egenskaper. Den termiske ekspansjonskoeffisienten ved grensesnittet mellom piezokeramikken og elektroden er forskjellig, eller det er en kjemisk reaksjon, som negativt påvirker utmattelsesytelsen til den piezoelektriske keramikken. Grensesnittets bindingskraft er sterkt forbedret ved å inkorporere elektrodepulveret i det keramiske materialet eller ved å inkorporere det keramiske pulveret og den originale elektroden. Elektrisk felt og temperatur er de viktigste eksterne faktorene som påvirker utmattelsesytelsen. En studie av to faktorer kan finne at feltet er sterkere enn tvangsfeltstyrken eller frekvensen er høy, noe som vil forårsake elektrisk tretthet. I tillegg, i et visst temperaturområde, øker utmattelsesmotstanden med økende temperatur. Når temperaturen overstiger en viss kritisk verdi, går materialet inn i den paramagnetiske fasen og utmattelsesfenomenet forsvinner.

Piezoelektriske keramiske skjermer forventes å overvinne manglene til gjeldende mainstream-skjermer som er mottakelige for elektromagnetisk interferens, dødpunkter, etsing osv., og har brede markedsutsikter. Aktuatorgruppen av piezoelektriske keramiske skjermer kan fremstilles ved en silisiumstøpeprosess eller en elektroforetisk avsetningsprosess, og en blybasert piezoelektrisk keramikk kan erstattes av en blyfri piezoelektrisk keramikk med en tantalatbasert og tantalstrukturert struktur. Til tross for en viss fremgang i utviklingen av piezoelektriske keramiske skjermer, er det fortsatt en rekke viktige prosessteknologiske problemer som må løses:

(1) Selv om ytelsen til noen blyfri piezoelektrisk keramikk er utmerket, er det fortsatt et stort gap sammenlignet med PZT-basert piezoelektrisk keramikk, og de piezoelektriske egenskapene bør forbedres ytterligere ved å måle modifikasjon og prosessforbedring;

(2) For å gjøre hysteresen og krypekompensasjonsnøyaktigheten til den piezoelektriske trykktransduseren bedre til å møte kravene til posisjoneringskontroll med ultrahøy presisjon, må forskere videre studere korreksjonskompensasjonen eller effektiv kontroll gjennom eksperimenter for å redusere den piezoelektriske keramiske driveren. Påvirkningen av kryp på posisjoneringsnøyaktigheten;

(3) For tiden fokuserer feltindusert tretthetsforskning mest på det elektriske feltet og temperaturfeltet, men forskningen på feltet under flerfeltskobling mangler, men de faktiske piezoelektriske keramiske enhetene fungerer under flerfeltskoblingsforhold, så det er nødvendig å styrke studiet av den feltinduserte tretthetsmekanismen under flerfeltskobling.