Kilka problemów wytwarzania ceramiki piezoelektrycznej PZT

Ceramika piezoelektryczna PZT charakteryzuje się wysoką temperaturą Curie, silną piezoelektrycznością, łatwą modyfikacją domieszkowania i dobrą stabilnością. Od lat sześćdziesiątych XX wieku jest to obiekt zainteresowania i badań, który zdominował dziedzinę ceramiki piezoelektrycznej. W procesie przygotowania ceramiki piezoelektrycznej PZT największy wpływ na jakość wyrobów PzT mają synteza proszków Pzt i spiekanie zagęszczające. Ultradrobny proszek PzT ma zalety drobnego rozmiaru cząstek, dużej powierzchni właściwej i wysokiej reaktywności, co może obniżyć temperaturę spiekania, zmniejszyć ulatnianie się ołowiu, zapewnić dokładną stechiometrię i poprawić wydajność produktów PZT. Dlatego stało się przygotowanie ultradrobnego proszku PZT podwodna rurka piezoelektryczna . Przedmiot badań nad ceramiką elektryczną. W ostatnich latach opracowano wiele nowych metod badania wytwarzania ultradrobnego proszku PZT. Oprócz tradycyjnej metody faza-faza, metoda fazy stałej obejmuje metodę promieniowania mikrofalowego, port metody mechaniczno-chemicznej i metodę spiekania reakcyjnego. Zaletą metody fazy ciekłej jest niska temperatura syntezy, proste wyposażenie, łatwość obsługi, niski koszt itp. i która znalazła zastosowanie do wytwarzania proszku PZT, np. metoda zol-żel, metoda hydrotermalna, metoda wytrącania. Jednak nadal istnieje wiele niedociągnięć w przygotowaniu i działaniu ceramiki piezoelektrycznej PZT, w tym aglomeracja proszku, stechiometria i łatwe starzenie się właściwości produktu. Przyczyny powyższych problemów oraz postęp badań nad rozwiązaniem tych problemów omówiono jako Poniżej przedstawiono pewne sugestie dotyczące rozwoju ceramiki piezoelektrycznej Pzt.

1 aglomeracja proszku

Aglomeracja proszkowa zazwyczaj obejmuje aglomerację miękką i aglomerację twardą. Miękka aglomeracja powstaje w wyniku wzmocnienia i interakcji siły van der Waalsa, przyciągania elektrostatycznego i siły kapilarnej między cząstkami w miarę zmniejszania się wielkości cząstek proszku; twarda aglomeracja wynika z wiązań chemicznych pomiędzy grupami. Działanie to tworzy mostkujące wiązanie tlenowe, a mostkujący łańcuch tlenowy między cząsteczkami wchodzi w interakcję, tworząc. Problem aglomeracji jest najważniejszym czynnikiem wpływającym na doskonałe działanie ultradrobnego proszku PzT, a także znacząco wpływa na jakość produktów PZT. Dzieje się tak dlatego, że materiały PZT są materiałami funkcjonalnymi. Podstawowe wymagania dotyczące proszków syntetycznych to wysoka czystość, ultradrobny, równomierny rozkład wielkości cząstek, dobra dyspersja, dokładność stechiometryczna i równomierne domieszkowanie. Ponadto. Występowanie aglomeracji w syntezie bizmutu w rurach piezoceramicznych PZT będzie prowadzić do zmniejszenia gęstości nasypowej i nierównej morfologii oraz wprowadzenia dużej liczby porów, co spowoduje nierówną mikrostrukturę, poważnie wpływając na gęstość spiekanej bryły, a także może doprowadzić do drugiego procesu spiekania. Rekrystalizacja wtórna, zmniejszająca w ten sposób właściwości piezoelektryczne i termoelektryczne wyrobu PZT. Dlatego ograniczenie lub uniknięcie aglomeracji w syntezie ultradrobnego proszku PzT jest warunkiem wstępnym przygotowania wysokowydajnej ceramiki piezoelektrycznej PZT. Aglomeracja przy wytwarzaniu proszku PZT obejmuje dwie formy aglomeracji miękkiej i twardej. Mechanizm aglomeracji jest również inny dla różnych metod przygotowania proszku. Tradycyjna metoda syntezy proszku PZT w fazie stałej charakteryzuje się wielokrotnym mieleniem kulowym i wysoką temperaturą kalcynacji. Powtarzające się mielenie kulowe nie tylko wprowadza zanieczyszczenia, ale także nadmierne mielenie prowadzi do powstawania aglomeracji. W szczególności opracowana metoda mechanochemiczna wykorzystuje głównie energię mechaniczną, która uzupełnia syntezę fazy PZT, a czas kulki jest tak długi, jak niebo. Łatwiej jest wprowadzić zanieczyszczenia i spowodować aglomerację proszku. Nadmierna temperatura kalcynacji może również powodować aglomerację proszku. Do syntezy proszku PZT stosuje się metodę fazy ciekłej. Ponieważ cząstki fazy stałej tworzą się w fazie ciekłej, na ogół ulegają one zarodkowaniu, wzrostowi, koalescencji i aglomeracji. Dlatego strukturę aglomerowaną można utworzyć, gdy jest to cząstka fazy stałej utworzona w fazie ciekłej. Ze względu na ruch Browna cząstki znajdują się blisko siebie. Gdy energia kinetyczna pomiędzy cząstkami jest większa niż bariera tworząca aglomerat, pomiędzy delikatnymi cząstkami pod wpływem ruchu łączą się one ponownie. Po drugie, w procesie separacji ciało stałe od cieczy, wraz z eliminacją ostatniej części fazy ciekłej, cząstki fazy stałej zbliżają się do siebie na skutek napięcia powierzchniowego. Zwłaszcza synteza proszku PZT z wodą jako rozpuszczalnikiem. Ślady wody, które ostatecznie pozostaną pomiędzy cząsteczkami, będą ściśle łączyć cząstki i cząstki za pomocą wodoru. Ponadto przygotowany prekursor proszku PZT jest na ogół kalcynowany w temperaturze 500 do 700° C, co może również powodować aglomerację proszku, a także może powodować pogorszenie tworzenia się aglomeratów w wyniku lokalnego spiekania. Można zauważyć, że proszek P ZT wytwarza się metodą współstrącania. Każdy etap współstrącania, wzrostu ziaren aż do płukania, suszenia i kalcynacji osadu może skutkować wzrostem cząstek i tworzeniem się aglomeratów. W zależności od powstawania aglomeracji, zmniejszenie lub uniknięcie wzrostu cząstek i aglomeracji podczas wytwarzania ultradrobnego proszku PZT można rozważyć w następujących aspektach: jednym jest oddzielenie procesu zarodkowania i wzrostu, promowanie zarodkowania, kontrolowanie wzrostu; zapewnić dużą szybkość zarodkowania dziesięć szybkości wzrostu, to znaczy zapewnić, że prekursor proszku PZT jest wytwarzany w warunkach dużego stopnia przechłodzenia lub wysokiego przesycenia. Drugim jest zapobieganie aglomeracji proszku PZT. Obejmuje to hamowanie tworzenia się aglomeracji podczas przygotowywania proszku i eliminowanie aglomeracji po aglomeracji. Metoda hamowania aglomeracji podczas wytwarzania proszku obejmuje: (1) wybór rozsądnych warunków reakcji (takich jak wartość PH, stężenie i temperatura reakcji); (2) specjalna obróbka podczas syntezy lub suszenia proszku; włączając proces syntezy proszku, dodaje się środek powierzchniowo czynny i filtruje go za pomocą rozpuszczalnika organicznego, a napięcie powierzchniowe środka powierzchniowo czynnego jest niskie. Można zatem otrzymać prekursor proszkowy o mniejszym stopniu aglomeracji; w procesie suszenia stosuje się specjalny proces suszenia, głównie liofilizację, suszenie nadkrytyczne i suszenie w dalekiej podczerwieni itp. Podstawową zasadą jest eliminacja gazu-cieczy o dużym napięciu powierzchniowym. Interfejs, czyli cząstki, są nieruchome i nie mogą znajdować się blisko siebie. Na przykład liofilizacja polega na zastosowaniu niskiej temperatury i podciśnienia w celu sublimacji surowego ciekłego ośrodka zamrożonego do fazy stałej pod podciśnieniem, ponieważ cząstki fazy stałej są zamrażane w surowym ciekłym ośrodku. Nie ma też granicy faz gaz-ciecz z dużym napięciem powierzchniowym w kapilarze pomiędzy cząstkami, co pozwala uniknąć problemu silnej aglomeracji spowodowanej mostkiem cieczowym.

(3) Wybierz najlepsze warunki kalcynacji lub zastosuj specjalne procesy, takie jak zastosowanie ogrzewania mikrofalowego bez przenoszenia ciepła, wysoka wydajność energetyczna i inne właściwości w celu zastąpienia tradycyjnego wysokotemperaturowego pieca elektrycznego w temperaturze 600 c. Otrzymano jednoskładnikowy proszek PZT. Sposoby eliminacji aglomeracji po utworzeniu aglomeratów obejmują osadzanie lub sedymentację, mielenie i obróbkę ultradźwiękową, dodatek środka dyspergującego i tym podobne. Na przykład Wang Xicheng „ wykorzystuje alkoholan metalu i azotan jako surowce, ściśle kontroluje wytwarzanie współstrącania, przemywanie i warunki selekcji dyspersji, przyjmuje technologię liofilizacji, a następnie poddaje się rozsądnemu procesowi kalcynacji w celu utworzenia jednolitej kompozycji bez twardej aglomeracji. Korpus, pojedyncza faza perowskitu, wysoka aktywność spiekania mikroproszku PzT (52/48) o wielkości mikronów  powstają w wyniku prasowania izostatycznego na zimno (cIP), spiekanie zagęszczające można osiągnąć w temperaturze 800° C i osiąga się jego gęstość względną.

Wpływ stechiometrii stechiometrycznej na jakość produktów PZT obejmuje głównie aspekty z: Po pierwsze, ulatnianie się ołowiu podczas procesu spiekania ceramiki piezoelektrycznej PZT powoduje, że składniki odbiegają od dokładnej stechiometrii, a wydajność produktów jest zmniejszona; z drugiej strony zr/ w komponentach. Wahania Ti wpływają na stabilność działania produktu PzT. Powszechnie uważa się, że ulatnianie się ołowiu jest spowodowane wysoką temperaturą spiekania ceramiki piezoelektrycznej PZT. Tlenek ołowiu ma stosunkowo wysoką prężność pary nasyconej w środowisku o wysokiej temperaturze, co prowadzi do ulatniania się ołowiu. Im wyższe ciśnienie pary nasyconej, tym łatwiej ulatnia się ołów, a wraz ze wzrostem /Ti wzrasta temperatura spiekania ceramiki piezoelektrycznej PZT i stopniowo wzrasta prężność pary nasyconej tlenku ołowiu. Utrata ołowiu stanie się poważniejsza, dlatego ceramika piezoelektryczna o wysokiej zawartości Zr/Ti PzT będzie trudniejsza do spiekania, a zbyt niskie ciśnienie cząstkowe tlenu podczas spiekania doprowadzi do ulatniania się ołowiu. Materiał PZT przygotowany konwencjonalną metodą w fazie stałej ma temperaturę spiekania na ogół 1200 ze względu na niską aktywność syntetycznego proszku. Łatwo jest spowodować dużą ilość ulatniania się ołowiu, wydajność produktu nie jest wysoka, więc metoda fazy stałej produktów PZT jest trudna do spełnienia wysokich wymagań wydajnościowych w zakresie zastosowania. Obecnie główne środki podejmowane przez badaczy materiałów w kraju i za granicą w celu ulatniania się ołowiu są następujące: Po pierwsze, do syntezy proszku dodaje się nadmiar ołowiu. Dodaje się nadmiar ołowiu. W początkowej fazie spiekania, w wyniku tworzenia się fazy ciekłej, można zwiększyć powierzchnię styku reagentów, przyspieszyć dyfuzję cyrkonu, tytanu i domieszek oraz poprawić jednorodność produktu; utworzona faza ciekła może również przyspieszyć ruch dyfuzyjny rozpuszczania i wytrącania, sprzyjając przegrupowaniu i ścisłemu upakowaniu cząstek, przyspieszając zagęszczanie produktu. Jeśli jednak ilość dodanego ołowiu będzie zbyt duża, z jednej strony nadmiar ołowiu odłoży się na krysztale, co obniży wydajność produktu. Z drugiej strony łatwo będzie spowodować, że miejscowe stężenie tytanu w składniku PzT będzie zbyt wysokie, a rozpuszczalność w fazie ciekłej tlenku ołowiu będzie duża w stanie suchym zrOz. Rozpuszczalność, co skutkuje wysoką lokalną zawartością tytanu w produkcie PZT po spiekaniu, zwłaszcza na granicy ziaren. Wpływa to na jednorodność mikrostruktury produktu i zmniejsza jego wydajność. Dodatek nadmiaru ołowiu wpływa na właściwości mechaniczne piezoelektrycznych elementów ceramicznych PZT: gdy w produkcie występuje nadmierna ilość ołowiu, pękanie ma postać pęknięcia przezkrystalicznego. Po drugie, w procesie spiekania produktu, zgodnie z mechanizmem ulatniania się ołowiu, przyjmuje się rozsądny system spiekania i specjalne środki. Jest szeroko stosowany w celu dodania warstwy atmosfery spiekania i dwuwarstwowej techniki bizmutu do spiekania i kontrolowania atmosfery spiekania tak, aby była atmosferą utleniającą. Zmniejszy to ulatnianie się ołowiu i zapobiegnie czernieniu produktu. W atmosferze redukującej Ti łatwo ulega redukcji do T1 – w celu przyciemnienia produktu.

Trzecim jest dodanie odpowiedniej ilości domieszek. Domieszkowanie zmniejsza ulatnianie się ołowiu, a z drugiej strony poprawia działanie produktu PzT. Czwartym jest dalsze badanie syntezy wysokoaktywnego proszku PZT, tak aby ceramikę piezoelektryczną PZT można było zagęszczać i spiekać w temperaturze niższej niż ołowiu. Ponadto mechanizm ulatniania się ołowiu wymaga dalszych badań. Temperatura ulatniania tlenku ołowiu w syntezie hydrotermalnej proszku PzT wynosi 924,71. c i temperatura reakcji pomiędzy cząstkami ̈ . Temperatura reakcji pomiędzy cząstkami proszku syntezy w fazie stałej P ZT w temperaturze 26° C wynosiła 47. c. Temperatura utleniania tlenku ołowiu wynosi 29 ° C; najniższa temperatura eutektyczna układu P ZT wynosi 838. c. Można zauważyć, że należy podjąć rozsądne środki procesowe zgodnie z mechanizmem ulatniania się ołowiu i metodą wytwarzania proszku PZT, aby zmniejszyć ulatnianie się ołowiu i poprawić działanie produktów PZT.

5 Doping

Badania wykazały, że wydajność produktów PZT jest ze sobą ściśle powiązana. Obecnie do badania materiałów PZT zr/Ti koncentruje się głównie w zakresie 53/47 i 95/5. Jednakże poleganie wyłącznie na różnych zr/T- w celu poprawy wydajności produktów PZT nie może spełnić wymagań produktów PZT w różnych dziedzinach. Konieczne jest także udoskonalanie produktów poprzez dobór odpowiedniej ilości domieszek na podstawie zr/Tl. jednocześnie zmniejszając wpływ wahań zr/Ti na stabilność działania artykułów pzt. Dodatek może być wzajemnie rozpuszczalny w głównej sieci krystalicznej i może zostać wytrącony na granicy ziaren w postaci drugiej fazy. Gdy jest on wzajemnie rozpuszczalny, wydajność lub strukturę głównej fazy krystalicznej można zmieniać w zależności od ilości dodatku; gdy nie jest to wzajemnie rozwiązywane. W drugiej fazie wpływa to na granicę ziaren, co wpływa na siłę wiązania lub właściwość granicy ziaren pomiędzy ziarnami kryształu. Do głównych skutków domieszkowania zalicza się tworzenie pustych przestrzeni, hamowanie wzrostu ziaren, tworzenie bydlęcej fazy ciekłej i rozszerzanie zakresu temperatur spiekania. Jednocześnie, ze względu na rolę domieszki w ceramice piezoelektrycznej PZT, można ją podzielić na trzy typy: domieszkowanie donorem, domieszkowanie akceptorem i domieszkowanie zmiennymi związkami jonowymi. W badaniu modyfikacji domieszkowania ceramiki piezoelektrycznej PZT badano w dużych ilościach La, Mn2- i Nb. Badano wpływ domieszkowanego Nbzos na materiał PzT65/35 przygotowany metodą fazy stałej. Stwierdzono, że dodatek niobu znacząco sprzyjał zagęszczaniu i spiekaniu oraz hamował wzrost niobu wraz ze wzrostem zawartości niobu pod wpływem Nb0. Wzmocnienie oktaedrycznego działania elektrostatycznego powoduje odkształcenie romboidalnej komórki elementarnej PzT. Komórka elementarna ma tendencję do rozciągania się na powierzchni, co ułatwia polaryzację produktu, a także przyczynia się do poprawy jego właściwości przeciwstarzeniowych. Granica „rozpuszczalności” w materiale PZT wynosi 7% molowych. Gdy ilość jest mniejsza niż 7, glin i sieć krystaliczna perowskitu są całkowicie wzajemnie rozpuszczalne. W tym momencie produkt znajduje się całkowicie w fazie perowskitu. Wykazuje cechy zanieczyszczeń donorowych; po dodaniu w ilości większej niż 7 moli nadmiar rutenu będzie reagował z ołowiem lub tytanem, powodując wytworzenie drugiej fazy, takiej jak faza fluorytowa, która zmniejsza właściwości dielektryczne i piezoelektryczne wyrobu. Wpływ na mikrostrukturę i właściwości piezoelektryczne materiałów PZT oraz stan wartościowości manganu w materiałach PZT określono metodą EsR. Wyniki pokazują, że rozpuszczalność manganu w materiałach Pz-butylowych występuje głównie w postaci Mn i Mn5+. 1,5nlol, gdy zawartość manganu 15 mol, nadmiar Mn będzie gromadził się na granicy ziaren, zmniejszając aktywność piezoelektryczną produktu. Podsumowując, w przypadku różnych typów domieszek badania skupiają się na całkowitym rozpuszczeniu głównej fazy krystalicznej PZT poprzez poszukiwanie odpowiedniej ilości dodatku, poprawę właściwości produktu, uniknięcie nadmiernego domieszkowania i rozkładu granicy ziaren lub utworzenie drugiej fazy. Aby zmniejszyć wydajność produktu. Ponadto obecne badania nad modyfikacją domieszkowania, obiekt domieszkowania koncentruje się głównie na metodzie fazy stałej w celu przygotowania materiału PZT i jest domieszkowany tlenkową fazą stałą, dlatego trudno jest zapewnić jednorodność składników i dokładną stechiometrię. Uzyskanie jednorodnego domieszkowania będzie jednym z przyszłych kierunków badań ceramiki piezoelektrycznej PZT.

4. Starzenie się

Starzenie się odnosi się do cechy polegającej na zmianie parametrów elektrycznych wyrobów PZT w czasie. Wiemy, że ceramika piezoelektryczna PZT należy do firmy ABO. Struktura perowskitu składa się z trzech faz krystalicznych: sześciennej, tetragonalnej i romboedrycznej. Według zr/T1 mogą powstawać różne fazy krystaliczne, a aktywowanym kationem jest jon typu A. Poniżej temperatury Curie jony typu A lub B wchodzą w określoną pozycję, wytwarzając spontaniczną polaryzację i tworząc domeny, ale kąt między sąsiednimi domenami może wynosić tylko 90 lub 180. Dzieje się tak z powodu: Spontaniczna polaryzacja struktury domeny ferroelektrycznej pozwala na orientację równoważną osi osi polaryzacji ferroelektrycznej w prototypowej strukturze ciała ferroelektrycznego. Jednocześnie struktura domeny ferroelektrycznej jest również ograniczona przez spontaniczne odkształcenie kryształu. Faza musi zapewniać, że spontaniczne odkształcenie generowane przez sąsiednie domeny w ściankach domen może być kompatybilne, więc kąt sąsiednich domen F może wynosić tylko 90 lub 180. Jednocześnie spiekane produkty piezoceramiczne muszą być pod silnym prądem stałym. Pod wpływem pola spontaniczna polaryzacja każdej domeny jest zmuszona do wyrównania, generując w ten sposób polaryzację resztkową, to znaczy wykazując efekt piezoelektryczny. Spolaryzowane PZT Piezoelektryczny dysk ceramiczny jest zmuszony ścigać zaburzenie wewnątrzkomórkowe z powodu polaryzacyjnego pola elektrycznego. Układ sterowania domeną 90 i 180, uporządkowany układ i spontaniczna oś polaryzacji w komórce elementarnej jest nieco dłuższa niż niespontaniczna oś polaryzacji, a naprężenie dobrze generuje duże naprężenia wewnętrzne podczas obracania się. Po usunięciu zewnętrznego pola elektrycznego, to wewnętrzne naprężenie powoduje brak równowagi wewnętrznej komórki elementarnej. i przechowują więcej energii wewnętrznej, co prowadzi do obrócenia 90. Nowa domena zostaje przywrócona do nieuporządkowanego układu sprzed polaryzacji, aby stopniowo uwolnić wewnętrzne naprężenia. Dlatego polaryzacja resztkowa jest z nimi powiązana. Zaburzające się i stopniowo malejące parametry dielektryczne i piezoelektryczne ulegną odpowiedniej zmianie. Można zauważyć, że przyczyną mechanizmu starzenia jest zaburzenie nowych domen. Prawa starzenia obejmują na ogół liniowe, nieliniowe i stopniowe. Istnieją trzy typy procesów prawie liniowych. Czynnikami wpływającymi na starzenie się wyrobów PZT są czynniki zewnętrzne i wewnętrzne. Czynniki zewnętrzne są powiązane ze środowiskiem użytkowania. Czynniki wewnętrzne, takie jak temperatura i wilgotność, są ściśle powiązane ze strukturą domeny i ruchem domeny, co jest spowodowane wysokim polem elektrycznym. Proces inwersji polaryzacji kończy się ruchem ścian domen oraz generowaniem i ruchem nowych ścian domen. Struktura domeny jest ściśle powiązana z mikrostrukturą po spiekaniu, np. wielkością ziarna, granicą ziaren itp. Gdy wielkość ziaren jest mała. Gdy wielkość ściany domeny jest podobna, rozwój struktury domeny ferroelektrycznej i ruch ściany domeny będą utrudnione. W szczególności, wraz ze wzrostem wielkości ziaren zmniejsza się udział objętościowy granicy ziaren i zmniejsza się sprzężenie między granicą ziaren a ścianą domeny. Orientacja domeny jest trudniejsza, a ruch ścian domeny jest poważnie stłumiony, więc polaryzacja resztkowa i stała dielektryczna rosną wraz ze wzrostem wielkości ziarna, a natężenie pola koercyjnego maleje. Grubość i właściwości granicy ziaren mają również wpływ na strukturę domeny. Granica ziaren sprzyja rozwojowi domeny w poprzek granicy ziaren i poprawia piezoelektryczność produktu.