Aplicarea de titanat de zirconat de plumb (PZT) utilizat pentru actuatorul piezoelectric

1 Introducere 

Materialele inteligente includ materiale de detectare și materiale de conducere. Materialele perceptuale sunt o clasă de materiale care au o funcție de detectare a stresului extern sau intern, deformare, căldură, lumină, electricitate, magnetism, energie radiantă și cantități chimice. Ele pot fi folosite pentru a realiza diverse dispozitive senzoriale; Materiale care răspund la condițiile de mediu sau la schimbările interne și efectuează acțiuni care pot fi utilizate pentru a realiza o varietate de dispozitive de acționare. Dispozitivul inteligent este un actuator piezo cu o funcție de acționare de detectare realizată din materiale inteligente. Structura inteligentă este compusă din materiale și dispozitive. Acesta integrează detectarea, procesarea semnalului, controlul și conducerea într-un sistem de materiale sau un sistem structural. Poate detecta mediul sau parametrii interni, poate procesa informații, emite comenzi, poate executa și finaliza acțiuni. pentru a realiza funcțiile de autodiagnosticare, autovindecare și adaptare. Aplicarea sistemelor și structurilor materiale inteligente este foarte extinsă, nu numai în armele de apărare-apărare precum avioanele, navele de război etc., ci și în domeniile importante din punct de vedere strategic ale economiei naționale, în special în domeniile high-tech. Principalele materiale care completează în prezent sistemele și structurile materiale inteligente sunt materiale cu memorie de formă, materiale piezoelectrice (inclusiv ceramică piezoelectrică, polimeri piezoelectrici), materiale electrostrictive, fibre optice și variante electroreologice, variante magnetoreologice și altele asemenea. Utilizarea acestor materiale inteligente, combinată cu proiectarea și fabricarea compozitelor inteligente și sofisticate, care are ca rezultat un sistem și o structură de materiale care sunt conduse, detectate și controlate.

Materialele piezoelectrice sunt o clasă majoră de materiale în sistemele și structurile inteligente de materiale. Un cristal dielectric de Traductorul din ceramică piezoelectrică cu efect piezoelectric va fi polarizat și va forma o sarcină de suprafață sub acțiunea solicitărilor mecanice. Dacă un astfel de cristal dielectric este plasat într-un câmp electric, acțiunea câmpului electric va determina o deplasare relativă a centrelor de sarcină pozitivă și negativă din interiorul dielectricului pentru a provoca deformare. . Deoarece materialul piezoelectric are caracteristicile de mai sus, se poate obține uniformitatea elementului piezoelectric de detectare și a elementului de acțiune. Materialele piezoelectrice pot fi utilizate pe scară largă în materiale și structuri inteligente, în special pentru autodiagnosticarea daunelor materiale, autoadaptarea, reducerea vibrațiilor și controlul zgomotului. Tipurile de materiale piezoelectrice dezvoltate, inclusiv sticlă monocristalină, policristalină, microcristalină, polimeri organici și materiale compozite. Din anii 1980, odată cu sfârșitul punctului culminant al materialelor ceramice piezoelectrice de la dezvoltarea sistemelor binare la sisteme ternare și multicomponente, cercetările asupra materialelor piezoelectrice au fost lente. Odată cu dezvoltarea rapidă a științei și tehnologiei, dezvoltarea și explorarea sub cererea de aplicare a dat un nou impuls cercetării materialelor piezoelectrice. Împreună cu eforturile neîncetate ale lucrătorilor din știință și tehnologie în cercetarea de bază și îmbunătățirea procesului de producție, noul tip de presiune a fost în ultimul deceniu. Apariția continuă a materialelor electrice a făcut cercetarea materialelor piezoelectrice.

2 Prezentare generală a materialelor piezoelectrice

În cristalul ceramic piezoelectric , asimetria aranjamentului ionilor pozitivi și negativi și necoincidența centrului de greutate al sarcinilor pozitive și negative ale unității formează un moment dipol electric. Aceste momente de dipol electric sunt aliniate într-o anumită direcție pentru a deveni o structură de domeniu, iar domeniile sunt dezordonate pe cristal. efectele de polarizare se anulează reciproc, polarizarea din material este zero, iar direcția de polarizare a domeniului polarizat de câmpul electric DC tinde să fie în aceeași direcție. Când o forță externă acționează asupra materialului piezoelectric pentru a provoca deformare, materialul este legat pozitiv și negativ. Pasul sarcinii devine mai mic, iar intensitatea polarizării devine, de asemenea, mai mică. Sarcina liberă adsorbită inițial pe electrod este parțial eliberată și are loc fenomenul de descărcare, care se numește efect piezoelectric pozitiv; un anumit câmp electric de intensitate este aplicat celor doi poli ai materialului piezoelectric, iar pe cip este distanța dintre sarcinile pozitive și negative devine mai mare, intensitatea de polarizare devine, de asemenea, mai mare, iar unele sarcini libere sunt adsorbite pe electrozi pentru a provoca fenomenul de încărcare. Sarcina electrică se mișcă în circuit pentru a scoate energie mecanică în exterior, care se numește efectul piezoelectric invers.

2.3 Metoda de preparare a materialului piezoelectric

Pentru diferite materiale piezoelectrice, se selectează o metodă de preparare adecvată în funcție de aplicația, caracteristicile sale. Metoda de preparare este împărțită într-o metodă în fază solidă, o metodă în fază lichidă și o metodă în fază gazoasă în funcție de faza fazei care are loc în timpul preparării.

2.3.1 Metoda în fază solidă

Când piezo PZT este preparat prin metoda tradițională în fază solidă, temperatura de sinterizare mai mare de 1200 °C va provoca volatilizarea PbO. Este dificil de controlat raportul stoichiometric, ceea ce face ca microstructura și proprietățile electrice ale materialului să fie dificil de controlat. Este potrivit pentru materii prime, procese simple și materiale piezoelectrice. Acolo unde cerințele de performanță nu sunt ridicate.

2.3.2 Metoda fază lichidă

Prepararea materialelor piezoelectrice prin metoda în fază lichidă este în prezent metoda cea mai frecvent utilizată, incluzând metoda de coprecipitare, metoda de sinteză hidrotermală, metoda sol-gel, metoda hidroliză alcoxidului și altele asemenea. Metoda de coprecipitare permite sinterizarea la temperatură joasă pentru a obține un material piezoelectric având o densitate mai mare decât densitatea teoretică. Metoda de coprecipitare a folosit o metodă de prăjire programată la 700 de grade pentru a prepara pulberea de BaT iO3 cu o dimensiune a particulei de 60n m. Cercetătorii din Statele Unite au folosit o metodă de coprecipitare combinată cu un proces de uscare prin congelare pentru a sintetiza pulbere PZ T de dimensiuni nanometrice la 800 de grade. Sinterizarea a dat un material cu o densitate teoretică de 98%. În studiu, N b2 O 5 și T a 2 O5 au fost utilizați ca reactanți precursori, iar pulberile ceramice KT aN b O3 au fost preparate prin metoda hidrotermală și metoda termică cu solvent. S-au studiat ceramica piezoelectrică sinterizată. Coeficientul de cuplare ajunge la 0,5, iar coeficientul piezoelectric d 33 este cuprins între 150 ~ 450p C/N. Cu toate acestea, metoda hidrotermală necesită temperatură și presiune mai mare, iar investiția în echipament este mare, ceea ce limitează aplicarea metodei. Metoda sol-gel este cea mai utilizată metodă în metoda fază lichidă. Filmele de înaltă performanță pot fi preparate prin sol-gel combinat cu diferite procese de turnare și sinterizare.

2.3. Metoda cu 3 faze gazoase

Metoda în fază gazoasă este potrivită pentru prepararea de filme piezoelectrice la scară nano, în principal depuneri fizice de vapori și depuneri chimice de vapori. Dintre acestea, metoda pulverizarii este cea mai frecvent utilizată. Electrodul inferior AP t/Ti a fost depus pe substratul Si2/Si printr-o metodă de pulverizare țintă, iar o peliculă PZT având o grosime de aproximativ 800 mm a fost preparată prin pulverizare prin radiofrecvență (RF). Depunerea chimică în vapori poate controla cu precizie compoziția chimică a produsului de reacție și este convenabil să se dopeze, dar este dificil să se obțină o sursă de gaz adecvată, care nu este potrivită pentru prepararea unui film cu costuri mari și cu costuri mari și este practic utilizat mai puțin.