Opis przetwornika z materiału piezoceramicznego

Jeśli chodzi o piezoelektryczne materiały ceramiczne, ceramika piezoelektryczna wykazuje wysokie wymagania dotyczące właściwości piezoelektrycznych materiałów ceramicznych, takich jak stała odkształcenia elektrycznego wysokiego napięcia, wysoki punkt Curie, wysoki współczynnik sprzężenia elektromechanicznego i stała wysokiej częstotliwości. Najpowszechniej stosowaną ceramiką piezoelektryczną jest PZT (tytanian cyrkonu ołowiu). Piezoelektryczny przetwornik ceramiczny z materiału Pzt ze względu na niezwykły efekt piezoelektryczny, wysoką temperaturę Curie, dużą odporność na promieniowanie i łatwą integrację z technologią integracji półprzewodników. Jest to jednak szkodliwe dla organizmu ludzkiego i środowiska. Dlatego ludzie zaczęli szukać bezołowiowych piezoelektrycznych materiałów ceramicznych o doskonałych parametrach.

Najbardziej badane w kraju i za granicą bezołowiowe materiały ceramiczne piezoelektryczne obejmują głównie następujące systemy: bezołowiowa ceramika piezoelektryczna na bazie tytanianu baru; bezołowiowa ceramika piezoelektryczna na bazie tytanianu baru; Bezołowiowa ceramika piezoelektryczna na bazie tantalanu i bezołowiowa ceramika piezoelektryczna o warstwowej strukturze tantalu.

Bezołowiowa ceramika piezoelektryczna na bazie tytanianu baru

Badania i zastosowanie tytanianu baru (BaTiO3) na bazie bezołowiowej Przetworniki ceramiczne piezoelektryczne są dość dojrzałe. Jednakże temperatura curie ceramiki BaTiO3 jest niska (Tc=120), zakres temperatur roboczych jest wąski, a wydajność ceramiki piezoelektrycznej jest umiarkowana. Trudno jest znacznie poprawić właściwości piezoelektryczne poprzez modyfikację domieszkowania, a przemiana fazowa zachodzi w pobliżu temperatury. Dlatego zastosowanie ceramiki piezoelektrycznej jest ograniczone. Bezołowiowy piezoelektryczny ceramiczny tytanian baru i strontu na bazie tytanianu baru i strontu (BNT) jest typowym przedstawicielem serii tytanianów. BNT ma właściwości rozluźnionych ferroelektryków, które mają stosunkowo dużą polaryzację resztkową i wyjątkowo wysokie pole koercyjne (7,5 kV/mm) oraz duży współczynnik piezoelektryczny (kt, kp około 50%), doskonałe właściwości dielektryczne, takie jak mały współczynnik (240 ~ 340) i dobre właściwości akustyczne (jego stała częstotliwościowa NP = 3200 Hz). Ze względu na wysokie koercyjne pole elektryczne i wysoką przewodność elektryczną w obszarze fazy ferroelektrycznej, polaryzacja jest trudna, co utrudnia produkcję praktycznej ceramiki piezoelektrycznej. Aby przezwyciężyć wady polaryzacji piezoceramicznej BNT i trudność spiekania w gęste próbki, dodaje się różne pary domieszek o strukturze perowskitu. BNT jest modyfikowany. Wprowadzając pierwiastki takie jak Pb, Ba, Ca, Sr, Mn itp., natężenie pola koercyjnego BNT jest zbyt wysokie i unika się trudności polaryzacyjnych spowodowanych wysoką przewodnością fazy ferroelektrycznej BNT, a polaryzacja materiału BNT jest pomyślnie rozwiązana.

Bezołowiowa ceramika piezoelektryczna na bazie bizmutu:

Bezołowiowa ceramika piezoelektryczna na bazie bizmutu obejmuje głównie NaNbO3, KNbO3, LiNbO3 i tym podobne. The Ceramiczne przetworniki piezoelektryczne mają zalety małej gęstości, dużej prędkości akustycznej, dużego współczynnika jakości mechanicznej Qm, dużego współczynnika sprzężenia elektromechanicznego kp, niskiej stałej dielektrycznej, wysokiej wydajności piezoelektrycznej, dużej stałej częstotliwości itp., więc ceramika piezoelektryczna na bazie tantalanu jest urządzeniem częstotliwościowym i preferowanym materiałem. Jednakże, ze względu na lotność materiału metalicznego, w konwencjonalnym procesie ceramicznym trudno jest uzyskać ceramikę piezoelektryczną o dobrej zwartości, co pogarsza właściwości ceramiki. Gęstą ceramikę NaNbO3-KNbO3 można otrzymać w procesie prasowania na gorąco lub prasowania izostatycznego, a stabilność temperaturowa materiału jest znacznie poprawiona, a gęstość względna może osiągnąć 99%.

W zastosowaniach praktycznych niektóre nieodłączne cechy ceramicznego przetwornika piezoceramicznego (takie jak histereza, pełzanie itp.) mają ogromny wpływ na precyzyjną kontrolę przemieszczenia. Aby zmniejszyć wpływ histerezy ceramiki piezoelektrycznej na moc przemieszczenia, zagraniczni uczeni zaproponowali wiele metod kompensacji. Obecnie metodą eliminacji histerezy jest na ogół sterowanie w pętli zamkniętej w procesie regulacji. Tryb ten wymaga dodatkowego czujnika przemieszczenia, który mierzy przemieszczenie i porównuje je z docelowym przemieszczeniem sterownika, tworząc złożony mechanizm regulacji sterowania. 

Pod działaniem zmiennego pola elektrycznego, ultradźwiękowe spolaryzowane przetworniki piezoelektryczne będą wykazywać makroskopową degradację ferroelektryczną w wyniku zmniejszenia aktywności ścian domeny ferroelektrycznej. Mikropęknięcia, rozwarstwienia lub pęknięcia często występują w wyniku zmęczenia materiału i pola. Wewnętrzny powód wynika głównie z różnicy w interfejsie z właściwościami. Współczynnik rozszerzalności cieplnej na styku ceramiki piezoelektrycznej jest inny lub zachodzi reakcja chemiczna, która niekorzystnie wpływa na wytrzymałość zmęczeniową ceramiki piezoelektrycznej. Siła wiązania powierzchni stykowej ulega znacznej poprawie poprzez dodanie proszku elektrody do materiału ceramicznego lub połączenie proszku ceramicznego z oryginalną elektrodą. Pole elektryczne i temperatura są głównymi czynnikami zewnętrznymi wpływającymi na wydajność zmęczeniową. Badanie dwóch czynników pozwala stwierdzić, że pole jest silniejsze od siły pola koercyjnego lub jego częstotliwość jest wysoka, co powoduje zmęczenie elektryczne. Ponadto w pewnym zakresie temperatur odporność zmęczeniowa wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Gdy temperatura przekroczy pewną wartość krytyczną, materiał wchodzi w fazę paramagnetyczną i zanika zjawisko zmęczenia.

Oczekuje się, że piezoelektryczne wyświetlacze ceramiczne przezwyciężą wady obecnych wyświetlaczy głównego nurtu, które są podatne na zakłócenia elektromagnetyczne, martwe punkty, trawienie itp., i będą miały szerokie perspektywy rynkowe. Układ siłowników piezoelektrycznych wyświetlaczy ceramicznych może być wytwarzany w procesie formowania krzemowego lub w procesie osadzania elektroforetycznego, a ceramikę piezoelektryczną na bazie ołowiu można zastąpić bezołowiową ceramiką piezoelektryczną o strukturze na bazie tantalu i tantalu. Pomimo pewnego postępu w rozwoju piezoelektrycznych wyświetlaczy ceramicznych, nadal istnieje szereg kluczowych problemów technologii procesowej, którymi należy się zająć:

(1) Chociaż wydajność niektórych bezołowiowych materiałów ceramicznych piezoelektrycznych jest doskonała, nadal istnieje duża różnica w porównaniu z ceramiką piezoelektryczną na bazie PZT, a właściwości piezoelektryczne należy jeszcze poprawić poprzez modyfikacje pomiarów i udoskonalanie procesów;

(2) Aby dokładność kompensacji histerezy i pełzania piezoelektrycznego przetwornika ciśnienia lepiej spełniała wymagania ultraprecyzyjnej kontroli pozycjonowania, naukowcy muszą dalej badać kompensację korekcji lub skuteczną kontrolę poprzez eksperymenty w celu zmniejszenia piezoelektrycznego sterownika ceramicznego. Wpływ pełzania na dokładność pozycjonowania;

(3) Obecnie badania nad zmęczeniem wywołanym polem skupiają się głównie na polu elektrycznym i polu temperatury, ale brakuje badań nad polem w przypadku sprzężenia wielopolowego, ale rzeczywiste urządzenia ceramiczne piezoelektryczne działają w warunkach sprzężenia wielopolowego, dlatego konieczne jest wzmocnienie badań mechanizmu zmęczenia wywołanego polem w przypadku sprzężenia wielopolowego.