Beskrivning av givare för piezokeramiskt keramiskt material

Om piezoelektriska keramiska drivmaterial, piezoelektrisk keram uppvisar höga krav på egenskaperna hos piezoelektriska keramiska material, såsom högspännings elektrisk töjningskonstant, hög curiepunkt, hög elektromekanisk kopplingskoefficient och högfrekvenskonstant. Den mest använda piezoelektriska keramen är PZT (bly zirconate titanate) baserat på Pzt material piezoelektrisk keramisk omvandlare på grund av sin anmärkningsvärda piezoelektriska effekt, det är hög curie temperatur, stark strålningsmotstånd och enkel integration med halvledarintegrationsteknologi. Men det är skadligt för människokroppen och miljön. Därför började folk leta efter blyfria piezoelektriska keramiska material med utmärkt prestanda.

De mest forska blyfria piezoelektriska keramiska materialen hemma och utomlands inkluderar huvudsakligen följande system: bariumtitanatbaserad blyfri piezoelektrisk keramik; bariumtitanatbaserad blyfri piezoelektrisk keramik; tantalatbaserad blyfri piezoelektrisk keramik och tantalskiktad struktur blyfri piezoelektrisk keramik.

Bariumtitanatbaserad blyfri piezoelektrisk keramik

Forskning och tillämpning av bariumtitanat (BaTiO3) baserat på blyfritt piezokeramiska givare har varit ganska mogna. Curietemperaturen för BaTiO3-keramer är dock låg (Tc=120), driftstemperaturområdet är smalt och prestandan hos piezoelektrisk keram är måttlig. Det är svårt att avsevärt förbättra de piezoelektriska egenskaperna genom dopningsmodifiering, och det finns en fasövergång nära temperaturen. Därför är dess tillämpning av piezoelektrisk keramik begränsad. Bariumstrontiumtitanatbaserat blyfritt piezoelektriskt keramiskt bariumtitanat och Bi0.5Na0.5TiO3 (BNT) är en typisk representant för titanatserien. BNT har egenskaperna hos avslappnad ferroelektrik, som har relativt stor remanent polarisation och extremt högt koercitivfält (7,5kV/mm), och har en stor piezoelektrisk koefficient (kt, kp ca 50%), utmärkt prestanda för dielektrikum som liten koefficient (240~340) och bra akustisk konstant prestanda (320NPHz). På grund av dess höga koercitiva elektriska fält och höga elektriska konduktivitet i det ferroelektriska fasområdet är polarisering svår, vilket gör det svårt att producera praktisk piezoelektrisk keramik. För att övervinna bristerna med BNT piezokeramisk polarisering och svårigheten att sintra till täta prover, lägger man till en mängd olika perovskitstrukturdopantpar. BNT modifieras. Genom att introducera element som Pb, Ba, Ca, Sr, Mn, etc., är koercitivfältstyrkan för BNT för hög, och polarisationssvårigheten som orsakas av den höga konduktiviteten hos BNTs ferroelektriska fas undviks, och polariseringen av BNT-material löses framgångsrikt.

Den vismutbaserade blyfria piezoelektriska keramiken:

Den vismutbaserade blyfria piezoelektriska keramiken inkluderar huvudsakligen NaNbO3, KNbO3, LiNbO3 och liknande. De piezo halvklots keramiska givare har fördelarna med låg densitet, hög akustisk hastighet, stor mekanisk kvalitetsfaktor Qm, stor elektromekanisk kopplingskoefficient kp, låg dielektrisk konstant, hög piezoelektrisk prestanda, stor frekvenskonstant, etc., så den tantalatbaserade piezoelektriska keramiska enheten och föredragen materialfrekvenskeramik är en. På grund av metallmaterialets flyktighet är det emellertid svårt att erhålla piezokeramik med god kompakthet genom en konventionell keramisk process, vilket försämrar de keramiska egenskaperna. Den täta NaNbO3-KNbO3-keramiken kan erhållas genom varmpressning eller isostatisk pressprocess, och materialets temperaturstabilitet förbättras avsevärt och den relativa densiteten kan nå 99%.

I praktiska tillämpningar har vissa inneboende egenskaper hos keramiska givare med piezokeramisk cylinder (såsom hysteres, krypning, etc.) en stor inverkan på högprecisionsförskjutningskontroll. För att minska inverkan av hysteres av piezoelektrisk keramik på förskjutningseffekt, har utländska forskare föreslagit många kompensationsmetoder. För närvarande är metoden för att eliminera hysteres i allmänhet sluten kretsstyrning i styrprocessen. Detta läge kräver en extra förskjutningssensor för att mäta förskjutningen och jämföra den med styrenhetens målförskjutning för att bilda en komplex kontrolljusteringsmekanism. 

Under verkan av växlande elektriskt fält kommer ultraljudspolariserade piezoomvandlare att uppvisa makroskopisk ferroelektrisk nedbrytning på grund av minskningen av ferroelektrisk domänväggsaktivitet. Mikrosprickor, delaminering eller brott uppstår ofta materialet och fältinducerad utmattning. Den inneboende orsaken beror främst på skillnaden i gränssnittet med egenskaper. Den termiska expansionskoefficienten vid gränsytan mellan piezokeramen och elektroden är annorlunda eller så finns det en kemisk reaktion, som negativt påverkar utmattningsprestandan hos den piezoelektriska keramen. Gränssnittsbindningskraften förbättras avsevärt genom att införliva elektrodpulvret i det keramiska materialet eller införliva det keramiska pulvret och den ursprungliga elektroden. Elektriskt fält och temperatur är de viktigaste yttre faktorerna som påverkar utmattningsprestandan. En studie av två faktorer kan konstatera att fältet är starkare än koercitivfältsstyrkan eller att frekvensen är hög, vilket kommer att orsaka elektrisk utmattning. Dessutom, i ett visst temperaturområde, ökar utmattningsmotståndet med ökande temperatur. När temperaturen överstiger ett visst kritiskt värde går materialet in i den paramagnetiska fasen och utmattningsfenomenet försvinner.

Piezoelektriska keramiska skärmar förväntas övervinna bristerna hos nuvarande vanliga skärmar som är känsliga för elektromagnetiska störningar, döda punkter, etsning, etc., och har breda marknadsutsikter. Manöveranordningen av piezoelektriska keramiska displayer kan tillverkas genom en kiselformprocess eller en elektroforetisk avsättningsprocess, och en blybaserad piezoelektrisk keramik kan ersättas av en blyfri piezoelektrisk keramik med en tantalatbaserad och tantalstrukturerad struktur. Trots vissa framsteg i utvecklingen av piezoelektriska keramiska displayer, finns det fortfarande ett antal viktiga processteknologiska frågor som måste åtgärdas:

(1) Även om prestandan hos en del blyfri piezoelektrisk keramik är utmärkt, finns det fortfarande ett stort gap jämfört med PZT-baserad piezoelektrisk keramik, och de piezoelektriska egenskaperna bör förbättras ytterligare genom att mäta modifiering och processförbättring;

(2) För att göra hysteres- och krypkompensationsnoggrannheten hos piezoelektrisk tryckgivare bättre att uppfylla kraven för positioneringskontroll med ultrahög precision, måste forskare ytterligare studera korrigeringskompensationen eller effektiv kontroll genom experiment för att minska den piezoelektriska keramiska drivenheten. Inverkan av krypning på positioneringsnoggrannheten;

(3) För närvarande fokuserar fältinducerad utmattningsforskning mestadels på det elektriska fältet och temperaturfältet, men forskningen på fältet under flerfältskoppling saknas, men de faktiska piezoelektriska keramiska enheterna fungerar under flerfältskopplingsförhållanden, så det är nödvändigt att stärka studiet av den fältinducerade utmattningsmekanismen under flerfältskoppling.