Badania procesu polaryzacji ceramiki piezoelektrycznej PZT

Przetworniki piezoelektryczne są szeroko stosowane w dziedzinie elektroniki, światła, ciepła i akustyki i stały się ważnymi materiałami funkcjonalnymi w przemyśle obronnym, przemyśle cywilnym i życiu codziennym. Stanowią one główny kierunek badań współczesnych materiałów funkcjonalnych. Obecnie najczęściej stosowaną ceramiką piezoelektryczną jest nadal tytanian cyrkonu ołowiu (PZT) i jego ceramika trój- lub czwartorzędowa. Proces polaryzacji jest kluczowym procesem w produkcji piezoelektrycznych urządzeń ceramicznych. Proces polaryzacji to proces ruchu i rozwoju struktur domenowych w ceramice piezoelektrycznej. Ceramika piezoelektryczna jest ciałami izotropowymi przed sztuczną polaryzacją i nie wykazuje efektu piezoelektrycznego na zewnątrz; po polaryzacji stają się ciałami anizotropowymi w wyniku polaryzacji remanentnej, wywołując w ten sposób efekt piezoelektryczny. Właściwości dielektryczne i elastyczne spolaryzowanej ceramiki piezoelektrycznej są powiązane ze stopniem polaryzacji. Aby ceramika piezoelektryczna charakteryzowała się wysokim stopniem polaryzacji i w pełni wykorzystała swoje potencjalne właściwości piezoelektryczne, należy przyjąć optymalne warunki polaryzacji, czyli dobrać odpowiednie natężenie pola elektrycznego polaryzacji (E) i temperaturę polaryzacji (T). I czas polaryzacji (t). Trzy warunki procesu polaryzacji są ze sobą powiązane. Jeśli pole elektryczne polaryzacji jest słabe, można to skompensować poprzez podniesienie temperatury i wydłużenie czasu polaryzacji; jeśli pole elektryczne jest silne, a temperatura wysoka, czas polaryzacji można skrócić. Jednakże trzy warunki polaryzacji są ściśle związane ze składem ceramiki piezoelektrycznej. W przypadku piezoelektrycznych materiałów ceramicznych PZT koercyjne pole elektryczne jest zmniejszone. Tradycyjna metoda polega na dostosowaniu stosunku cyrkonu do tytanu. Im większy stosunek cyrkonu do tytanu, tym mniejsze koercyjne pole elektryczne, w związku z czym pole elektryczne polaryzacji jest mniejsze. Zwiększenie stosunku cyrkonu do tytanu nie poprawia znacząco warunków procesu polaryzacji.

W produkcji i badaniach naukowych niektóre tlenki i związki są często stosowane jako dodatki śladowe w celu poprawy wydajności piezoelektrycznych materiałów ceramicznych. Te dodatki śladowe zastępują pozycje niektórych jonów tytanu i jonów cyrkonu w PZT, co powoduje, że domena w ziarnach łatwo się przemieszcza, co prowadzi do znacznej redukcji koercyjnego pola elektrycznego, a także zmniejsza trzy stany polaryzacji. Łatwe do polaryzacji. Po długim okresie powtarzanych eksperymentów ustalono, że piezoelektryczny filtr ceramiczny o częstotliwości 6,5 MHz wykonany jest ze zmodyfikowanego PZT i jego skład to Pb0. 90 Sr0. 05Mg0. 03Ba0. 02 (Zr0.53 Ti0.47 ) O3 +CeO2 + Po wstępnym wypaleniu, uformowaniu, wypaleniu i wypolerowaniu piezoelektrycznego surowca ceramicznego powstaje okrągły krążek piezoceramiczny o wymiarach 24 mm × 0,35 mm, który po posrebrzeniu z obu stron okrągłego elementu piezoceramicznego umieszcza się w piekarniku nagrzanym do 100°C. Piec ponad 10 min i zdjąć płytki z warstwy srebra. Następnie srebrną płytkę piezoelektryczną umieszcza się w piecu skrzynkowym i podnosi temperaturę do 100°C przy stałej temperaturze 15°C/6 min, a następnie podnosi temperaturę do 0,5°C. Temperaturę podnosi się do stałej temperatury 15°C/6 min. Przy 400°C temperaturę podniesiono do 700°C przy stałej temperaturze 20°C/6 min. Po utrzymywaniu stałej temperatury przez 20 minut, temperaturę powoli obniżono do poniżej 100°C. Posrebrzane kawałki porcelany umieszczono w temperaturze pokojowej na 12 godzin, umieszczono w łaźni z olejem silikonowym i poddano obróbce polaryzacyjnej w różnych warunkach polaryzacji. Właściwości piezoelektryczne styczną rurkę piezoelektryczną mierzono po odstaniu przez 24 godziny.

Wpływ spolaryzowanego pola elektrycznego na właściwości piezoelektryczne

W procesie polaryzacji pole elektryczne polaryzacji jest zewnętrzną siłą napędową sterującą domeną. W przypadku nie przekraczania natężenia pola nasycenia materiału, im większe E, tym większy efekt orientacji wyrównania domen, a stopień polaryzacji. Im pełniejszy, tym lepsza wydajność piezoelektryczna. Elektrony, które trudno jest odchylić lub zmienić orientację pod niskim ciśnieniem, są bardziej podatne na odchylenie lub reorientację pod wysokim ciśnieniem, co sprawia, że ​​polaryzacja jest pełniejsza. W przypadku domeny inwersji o 180° inwersja domeny nie steruje domeną odwrotną poprzez boczny ruch ściany jej domeny, ale raczej powoduje znaczną polaryzację w pobliżu elektrody wzdłuż krawędzi próbki wewnątrz domeny inwersji. Nowa, ostra domena o kierunku zgodnym z kierunkiem pola elektrycznego. Po zarodkowaniu nowa domena przemieszcza się ona pod wpływem pola elektrycznego i penetruje całą próbkę. Kiedy pole elektryczne ulega wzmocnieniu, nowe domeny pojawiają się w sposób ciągły, a rozwój do przodu rozprzestrzenia się na całą domenę odwrotną. Wreszcie domena odwrotna staje się taka sama jak kierunek zewnętrznego pola elektrycznego i łączy się z sąsiednimi domenami izotropowymi, tworząc większą objętość. W przypadku domeny 90° ściana domeny może poruszać się w bok, a krytyczne pole elektryczne wymagane do bocznego ruchu domeny 90° jest mniejsze niż krytyczne pole elektryczne wymagane dla nowego rdzenia domeny o ostrym kształcie, ale wymagane jest sterowanie domeną 90° i kierunek zewnętrznego pola elektrycznego. Spójność wymaga większego pola elektrycznego, a rozwój jej nowej domeny opiera się głównie na zewnętrznym polu elektrycznym, które powoduje boczny ruch ściany domeny pod kątem 90°. W warunkach t = 15 min i T = 130°C polaryzacja piezoelektrycznego elementu ceramicznego zmieniała się o E, a stała piezoelektryczna d33 zmieniała się wraz z E. Można zauważyć, że gdy E < 1,5 kV/mm, d33 rośnie powoli wraz ze wzrostem E; gdy E > 1,5 kV/mm, d33 szybko rośnie wraz ze wzrostem E, natomiast gdy E > 2,5 kV/mm, d33 nagle gwałtownie spada. Dzieje się tak dlatego, że gdy E < 1,5 kV/mm, polaryzacja może jedynie spowodować, że materiał łatwo obróci się do orientacji domeny 180° w kierunku zewnętrznego pola elektrycznego, więc wartość d33 jest niższa, a wzrost wolniejszy; gdy E > 1,5 kV, zewnętrzne pole elektryczne jest większe niż koercyjne pole elektryczne materiału, tak że domena 90°, w której trudno obracać materiał, ma tendencję do kierunku zewnętrznego pola elektrycznego, więc d33 szybko rośnie; w dalszym ciągu zwiększaj zewnętrzne natężenie pola elektrycznego, gdy E > 2,0 kV/w mm, obrót domeny piezoelektrycznej w materiale jest prawie całkowity, więc wzrost d33 jest zwykle powolny. Kiedy jednak E osiągnie określoną wartość (E > 2,5 kV/mm), wolne elektrony w ceramice piezoelektrycznej uzyskują więcej energii w polu elektrycznym niż energia utracona. Zgodnie z teorią zderzeń jonizacyjnych, wolne elektrony mogą znajdować się po każdym zderzeniu. Gromadzenie energii powoduje ciągły wzrost temperatury płyty ceramicznej, wydajność piezoelektryczną stale spada, aż w końcu następuje przebicie termiczne. Co więcej, gdy przyłożone pole elektryczne jest wystarczająco duże, na skutek tunelowego efektu mechaniki kwantowej, elektrony z zabronionego pasma mogą przedostać się do pasma przewodnictwa, a pod działaniem silnego pola swobodne elektrony ulegają przyspieszeniu, powodując zderzenie i jonizację elektronów. W tym czasie, w wyniku wzrostu prądu, lokalna temperatura kryształu piezoelektrycznego wzrasta, powodując częściowe stopienie kryształu piezoelektrycznego i zniszczenie jego struktury, przez co właściwości piezoceramiki ulegają pogorszeniu, a w końcu następuje awaria.

Wpływ temperatury polaryzacji na właściwości piezoelektryczne

Pod warunkiem E = 2,0 kV/mm i t = 15 min, T ulega zmianie w celu polaryzacji ceramiki piezoelektrycznej. Zmienność d33 i d33 zaczyna rosnąć szybciej. Po osiągnięciu temperatury 130°C wartość d33 pozostała w zasadzie niezmieniona. Dzieje się tak dlatego, że w niższych temperaturach, wraz ze wzrostem temperatury, stosunek osi kryształu piezoelektrycznego staje się mniejszy, aktywność domeny wzrasta, a naprężenia wewnętrzne spowodowane sterowaniem domenami o 90° stają się mniejsze, to znaczy ma to wpływ na sterowanie domeną. Opór jest niewielki, a domeny łatwo się orientują, więc polaryzacja jest łatwiejsza do przeprowadzenia. Gdy T osiąga 130°C, większość domen piezoelektrycznych zostaje obrócona i układ kierowniczy jest nasycony, zatem wartość d33 nie zmienia się.

Warunki polaryzacji mają ogromny wpływ na działanie ceramiki piezoelektrycznej, a pole elektryczne polaryzacji jest głównym czynnikiem wpływającym na warunki polaryzacji. Teoretycznie, gdy przyłożone pole elektryczne przekracza natężenie pola koercyjnego, większość domen powinna zostać odwrócona i spolaryzowana, przestawiona i całkowicie spolaryzowana, jednak przy takim polu elektrycznym, nawet jeśli jest ono spolaryzowane przez długi czas, nie da się tego uzyskać. Lepsze właściwości piezoelektryczne. Aby w pełni wykorzystać właściwości piezoelektryczne materiału, pole elektryczne należy dodać do natężenia pola nasycenia, które jest 3 do 4 razy większe od natężenia pola koercyjnego. Zatem koercyjne pole elektryczne jest dolną granicą pola elektrycznego wybranego podczas polaryzacji, a natężenie pola nasycenia. Można przyjąć, że górna granica natężenia pola jest wybierana w momencie polaryzacji, a w przypadku przekroczenia natężenia pola nasycenia łatwo jest znaleźć przebicie. Po kompleksowych rozważaniach określono optymalne parametry procesu polaryzacji piezoelektrycznego filtra ceramicznego 6,5 MHz: natężenie pola elektrycznego polaryzacji wynosi 2,2 kV/mm, a temperatura polaryzacji wynosi 130°C. Na tej podstawie określa się biegun. Czas wynosi 15 minut. Wyniki eksperymentów pokazują, że gdy czas polaryzacji przekracza 15 minut, wpływ na wydajność piezoelektryczną nie jest oczywisty. W eksperymencie stwierdzono również, że zastosowanie w procesie spiekania srebra niskotemperaturowej pasty przewodzącej pasty srebrnej zamiast powszechnie stosowanej wysokotemperaturowej pasty srebrnej w procesie spiekania srebra może w pewnym stopniu poprawić właściwości piezoelektryczne i mechaniczne blachy ceramicznej, ale siła wiązania jest mniejsza, a koszt większy. Wysoka i nieodpowiednia do produkcji przemysłowej. W eksperymencie procesu wypalania stwierdzono, że płyta piezoceramiczna mająca temperaturę wyższą niż 1250°C i czas wytrzymywania przekraczający 2 h, była podatna na uszkodzenia podczas polaryzacji, co powodowało narastanie pęknięć. Dzieje się tak dlatego, że im wyższa temperatura wypalania i im dłuższy czas wypalania, tym następuje silniejsza krystalizacja, w wyniku czego mniejsze ziarna stają się dużymi ziarnami, co zwykle prowadzi do wzrostu porowatości ceramiki i zmniejszenia gęstości ceramiki. Zmniejsza wytrzymałość mechaniczną i stałą dielektryczną, a jednocześnie zmniejsza współczynnik jakości mechanicznej ceramiki piezoelektrycznej.

 Kiedy nadejdzie przekazanie, zostanie ono uwierzytelnione. Jeśli się powiedzie, zasoby przydzielone w fazie przygotowania są przekazywane modułowi dostępu do protokołu i inicjowane jest połączenie ze sterowaniem. W tym momencie kontrola połączenia traktuje połączenie jako normalne połączenie terminalowe. Kiedy moduł dostępu do protokołu zgłosi HOM, że terminal rzeczywiście uzyskał dostęp do wiadomości, można uznać, że przełącznik jest w stanie stabilnym. Jeżeli włączany terminal wymaga innych przełączeń, np. przełączenia wewnętrznego lub późniejszego przełączenia, można je wykonać zgodnie z opisem funkcji HO. Należy podkreślić, że przełączane końce OT nie mają nic wspólnego z końcami OT połączenia. Koniec T i koniec O połączenia mogą być przełączanym końcem O lub przełączanym końcem T. Po badaniach nad przekazywaniem GSM i UMTS, jeśli w mobilnym softswitchu występują przełączenia GSM i UMTS, istnieje wiele podobieństw pomiędzy procesem sygnalizacji a sterowaniem mediami, zwłaszcza komunikatami o przełączeniu BSSAP i RANAP. W procesie projektowania maszyny stanów rozważa się wdrożenie fuzji dwóch protokołów i ostatecznie przyjęcie schematu realizacji separacji. Proces sygnalizacji przekazywania pojedynczego protokołu nie jest skomplikowany, a złożoność przekazywania wynika głównie ze współpracy protokołów na wielu różnych interfejsach. Fuzja komunikatów związanych z przełączeniem w dwóch protokołach Części Aplikacyjnej Podsystemu Stacji Bazowej (BSSAP) i Części Aplikacyjnej Sieci Dostępu Radiowego (RANAP) nie może być znacznie uproszczona w przypadku projektowania maszyny stanu przekazania i będzie również dotyczyć BSSAP. Konstrukcja dostosowana do protokołu RANAP zwiększa złożoność. Ponadto fuzja spowoduje redundancję komunikatów i parametrów lub utratę funkcjonalności.