Zastosowanie tytanianu cyrkonianu ołowiu (PZT) stosowanego w siłowniku piezoelektrycznym

1 Wprowadzenie 

Do materiałów inteligentnych zalicza się materiały czujnikowe i materiały napędowe. Materiały percepcyjne to klasa materiałów, które mają funkcję wykrywania zewnętrznych lub wewnętrznych naprężeń, naprężeń, ciepła, światła, elektryczności, magnetyzmu, energii promieniowania i wielkości chemicznych. Można z nich wykonać różne urządzenia czujnikowe; Materiały reagujące na warunki otoczenia lub zmiany wewnętrzne i wykonujące działania, z których można wykonać różnorodne urządzenia napędowe. Inteligentne urządzenie to siłownik piezoelektryczny z funkcją napędu czujnikowego wykonany z inteligentnych materiałów. Inteligentna konstrukcja składa się z materiałów i urządzeń. Integruje wykrywanie, przetwarzanie sygnałów, sterowanie i sterowanie z systemem materialnym lub strukturalnym. Potrafi wyczuwać środowisko lub parametry wewnętrzne, przetwarzać informacje, wydawać polecenia, wykonywać i kończyć działania. w celu osiągnięcia samodiagnostyki, samoleczenia i funkcji adaptacyjnych. Zastosowanie inteligentnych systemów i konstrukcji materiałowych jest bardzo szerokie, nie tylko w broni obronno-obronnej, takiej jak samoloty, okręty wojenne itp., ale także w strategicznie ważnych obszarach gospodarki narodowej, zwłaszcza w dziedzinach zaawansowanych technologii. Głównymi materiałami tworzącymi obecnie inteligentne systemy i struktury materiałowe są materiały z pamięcią kształtu, materiały piezoelektryczne (w tym ceramika piezoelektryczna, polimery piezoelektryczne), materiały elektrostrykcyjne, włókna optyczne i warianty elektroreologiczne, warianty magnetoreologiczne i tym podobne. Zastosowanie tych inteligentnych materiałów w połączeniu ze sprytnym i wyrafinowanym projektem i produkcją kompozytów daje w rezultacie system i strukturę materiałów napędzaną, wykrywaną i kontrolowaną.

Materiały piezoelektryczne stanowią główną klasę materiałów w inteligentnych systemach i konstrukcjach materiałowych. Kryształ dielektryczny piezoelektryczny przetwornik ceramiczny z efektem piezoelektrycznym zostanie spolaryzowany i utworzy ładunek powierzchniowy pod wpływem naprężenia mechanicznego. Jeśli taki kryształ dielektryczny zostanie umieszczony w polu elektrycznym, działanie pola elektrycznego spowoduje względne przemieszczenie dodatniego i ujemnego środka ładunku wewnątrz dielektryka, powodując deformację. . Ponieważ materiał piezoelektryczny ma powyższe właściwości, można osiągnąć jednorodność czujnika piezoelektrycznego i elementu sterującego. Materiały piezoelektryczne mogą być szeroko stosowane w inteligentnych materiałach i konstrukcjach, zwłaszcza do autodiagnostyki uszkodzeń materiałów, samoadaptacji, redukcji wibracji i kontroli hałasu. Rodzaje opracowanych materiałów piezoelektrycznych, w tym monokryształ, szkło polikrystaliczne, mikrokrystaliczne, polimery organiczne i materiały kompozytowe. Od lat 80. XX wieku, wraz z końcem kulminacji piezoelektrycznych materiałów ceramicznych, od rozwoju układów podwójnych do układów trójskładnikowych i wieloskładnikowych, badania nad materiałami piezoelektrycznymi postępują powoli. Wraz z szybkim rozwojem nauki i technologii, rozwój i eksploracja w ramach zapotrzebowania na zastosowania dały nowy impuls badaniom nad materiałami piezoelektrycznymi. Wraz z nieustannymi wysiłkami pracowników nauki i technologii w zakresie badań podstawowych i doskonalenia procesów produkcyjnych, w ostatniej dekadzie pojawił się nowy rodzaj presji. Ciągłe pojawianie się materiałów elektrycznych spowodowało badania nad materiałami piezoelektrycznymi.

2 Przegląd materiałów piezoelektrycznych

w piezoelektryczny kryształ ceramiczny , asymetria ułożenia jonów dodatnich i ujemnych oraz niezgodność środka ciężkości ładunków dodatnich i ujemnych jednostki tworzą elektryczny moment dipolowy. Te elektryczne momenty dipolowe są ustawione w określonym kierunku, tworząc strukturę domeny, a domeny są nieuporządkowane w krysztale. efekty polaryzacji znoszą się nawzajem, polaryzacja w materiale wynosi zero, a kierunek polaryzacji domeny spolaryzowanej przez pole elektryczne prądu stałego ma tendencję do tego samego kierunku. Kiedy na materiał piezoelektryczny działa siła zewnętrzna, powodując odkształcenie, materiał jest związany dodatnio i ujemnie. Skok ładunku staje się mniejszy, a intensywność polaryzacji również staje się mniejsza. Swobodny ładunek pierwotnie zaadsorbowany na elektrodzie zostaje częściowo uwolniony i następuje zjawisko wyładowania, które nazywa się dodatnim efektem piezoelektrycznym; Do dwóch biegunów materiału piezoelektrycznego przykładane jest pole elektryczne o pewnym natężeniu, a na chipie odstęp ładunków dodatnich i ujemnych staje się większy, intensywność polaryzacji również staje się większa, a niektóre wolne ładunki są adsorbowane na elektrodach, powodując zjawisko ładowania. Ładunek elektryczny porusza się w obwodzie, aby wyprowadzić energię mechaniczną na zewnątrz, co nazywa się odwrotnym efektem piezoelektrycznym.

2.3 Metoda przygotowania materiału piezoelektrycznego

W przypadku różnych materiałów piezoelektrycznych wybiera się odpowiednią metodę przygotowania w zależności od zastosowania i właściwości. Metodę przygotowania dzieli się na metodę w fazie stałej, metodę w fazie ciekłej i metodę w fazie gazowej, w zależności od fazy fazy, która występuje podczas przygotowania.

2.3.1 Metoda w fazie stałej

Gdy piezo PZT jest przygotowywane tradycyjną metodą w fazie stałej, temperatura spiekania wyższa niż 1200 °C spowoduje ulatnianie się PbO. Trudno jest kontrolować stosunek stechiometryczny, co utrudnia kontrolę mikrostruktury i właściwości elektrycznych materiału. Nadaje się do surowców, prostych procesów i materiałów piezoelektrycznych. Gdzie wymagania dotyczące wydajności nie są wysokie.

2.3.2 Metoda fazy ciekłej

Obecnie najczęściej stosowaną metodą jest otrzymywanie materiałów piezoelektrycznych metodą fazy ciekłej, do której zalicza się metodę współstrącania, metodę syntezy hydrotermalnej, metodę zol-żel, metodę hydrolizy alkoholanów i tym podobne. Metoda współstrącania umożliwia spiekanie w niskiej temperaturze w celu uzyskania materiału piezoelektrycznego o gęstości większej niż gęstość teoretyczna. Metoda współstrącania wykorzystywała metodę prażenia w zaprogramowanej temperaturze 700 stopni w celu przygotowania proszku BaT iO3 o wielkości cząstek 60 nm. Naukowcy ze Stanów Zjednoczonych zastosowali metodę współstrącania połączoną z procesem liofilizacji, aby zsyntetyzować proszek PZ T o wielkości nano w temperaturze 800 stopni. Spiekanie dało materiał o gęstości teoretycznej 98%. W badaniach jako reagenty prekursorowe wykorzystano N b2 O 5 i T a 2 O5, a proszki ceramiczne KT aN b O3 przygotowano metodą hydrotermalną i metodą termiczną rozpuszczalnika. Badano spiekaną ceramikę piezoelektryczną. Współczynnik sprzężenia osiąga 0,5, a współczynnik piezoelektryczny d 33 mieści się w przedziale 150 ~ 450p C/N. Jednak metoda hydrotermalna wymaga wyższej temperatury i ciśnienia, a inwestycja w sprzęt jest duża, co ogranicza zastosowanie metody. W metodzie fazy ciekłej najczęściej stosowaną metodą jest metoda zol-żel. Folie o wysokiej wydajności można wytwarzać metodą zol-żel w połączeniu z różnymi procesami formowania i spiekania.

2.3. Metoda 3-fazowa

Metoda w fazie gazowej jest odpowiednia do wytwarzania folii piezoelektrycznych w skali nano, głównie poprzez fizyczne osadzanie z fazy gazowej i chemiczne osadzanie z fazy gazowej. Wśród nich najczęściej stosowaną metodą jest metoda napylania. Elektrodę dolną AP t/Ti osadzono na podłożu Si2/Si metodą napylania docelowego, a warstwę PZT o grubości około 800 mm przygotowano metodą napylania o częstotliwości radiowej (RF). Chemiczne osadzanie z fazy gazowej pozwala precyzyjnie kontrolować skład chemiczny produktu reakcji i jest wygodne w domieszkowaniu, ale trudno jest uzyskać odpowiedni materiał źródłowy gazu, który nie nadaje się do taniego, wielkoobjętościowego wytwarzania folii i jest praktycznie używany rzadziej.