Застосування цирконат-титанату свинцю (PZT), який використовується для п'єзоелектричного приводу

1 Вступ 

Розумні матеріали включають сенсорні матеріали та рушійні матеріали. Перцептивні матеріали — це клас матеріалів, які мають функцію сприйняття зовнішніх або внутрішніх навантажень, деформацій, тепла, світла, електрики, магнетизму, променистої енергії та хімічних величин. З них можна виготовляти різні сенсорні пристрої; Матеріали, які реагують на умови навколишнього середовища або внутрішні зміни та виконують дії, які можна використовувати для створення різноманітних приводних пристроїв. Розумний пристрій являє собою п’єзопривод із функцією сенсорного приводу, виготовлений із розумних матеріалів. Розумна структура складається з матеріалів і пристроїв. Він інтегрує зондування, обробку сигналів, керування та керування в матеріальну систему або структурну систему. Він може сприймати середовище або внутрішні параметри, обробляти інформацію, видавати команди, виконувати та завершувати дії. досягти функції самодіагностики, самовідновлення та адаптації. Застосування інтелектуальних матеріальних систем і структур дуже широке не тільки в оборонно-оборонних озброєннях, таких як літаки, військові кораблі тощо, але й у стратегічно важливих сферах національної економіки, особливо у сферах високих технологій. Основними матеріалами, які в даний час завершують системи та структури розумних матеріалів, є матеріали з пам’яттю форми, п’єзоелектричні матеріали (включаючи п’єзоелектричну кераміку, п’єзоелектричні полімери), електрострикційні матеріали, оптичні волокна та електрореологічні варіанти, магнітореологічні варіанти тощо. Використання цих інтелектуальних матеріалів у поєднанні з розумним і витонченим композитним дизайном і виготовленням, що призводить до створення матеріальної системи та структури, які керуються, відчуваються та контролюються.

П’єзоелектричні матеріали є основним класом матеріалів у системах і структурах розумних матеріалів. Діелектричний кристал П'єзоелектричний керамічний перетворювач з п'єзоелектричним ефектом буде поляризований і утворюватиме поверхневий заряд під дією механічної напруги. Якщо такий діелектричний кристал помістити в електричне поле, дія електричного поля спричинить відносне зміщення центрів позитивного та негативного заряду всередині діелектрика, що спричинить деформацію. . Оскільки п'єзоелектричний матеріал має вищезазначені характеристики, можна досягти однорідності чутливого п'єзоелемента та елемента дії. П'єзоелектричні матеріали можуть широко використовуватися в інтелектуальних матеріалах і структурах, особливо для самодіагностики матеріальних збитків, самоадаптації, зменшення вібрації та контролю шуму. Розроблені типи п’єзоелектричних матеріалів, включаючи монокристал, полікристал, мікрокристалічне скло, органічні полімери та композитні матеріали. Починаючи з 1980-х років, після закінчення кульмінації п’єзоелектричних керамічних матеріалів від розвитку подвійних систем до потрійних і багатокомпонентних систем, дослідження п’єзоелектричних матеріалів були повільними. Зі швидким розвитком науки і техніки розробка та дослідження відповідно до вимог застосування дали новий поштовх дослідженням п’єзоелектричних матеріалів. Разом із невпинними зусиллями науково-технічних працівників у фундаментальних дослідженнях і вдосконаленні виробничих процесів, новий тип тиску стався в останнє десятиліття. Постійна поява електротехнічних матеріалів зробила дослідження п'єзоелектричних матеріалів.

2 Огляд п'єзоелектричних матеріалів

в п'єзоелектрична кераміка кристал , асиметрія розташування позитивних і негативних іонів і неспівпадіння центру ваги позитивних і негативних зарядів блоку утворюють електричний дипольний момент. Ці електричні дипольні моменти вирівнюються в певному напрямку, щоб стати доменною структурою, і домени невпорядковані на кристалі. ефекти поляризації компенсують один одного, поляризація в матеріалі дорівнює нулю, а напрямок поляризації домену, поляризованого електричним полем постійного струму, має тенденцію бути в тому самому напрямку. Коли зовнішня сила діє на п’єзоелектричний матеріал, викликаючи деформацію, матеріал позитивно і негативно зв’язаний. Крок заряду стає меншим, і інтенсивність поляризації також стає меншою. Вільний заряд, спочатку адсорбований на електроді, частково вивільняється, і виникає явище розряду, яке називається позитивним п'єзоелектричним ефектом; електричне поле певної інтенсивності прикладається до двох полюсів п’єзоелектричного матеріалу, і між позитивними та негативними зарядами на мікросхемі стає більше, інтенсивність поляризації також стає більшою, і деякі вільні заряди адсорбуються на електродах, щоб викликати явище заряджання. Електричний заряд рухається в ланцюзі для виведення механічної енергії назовні, що називається зворотним п’єзоелектричним ефектом.

2.3 Спосіб отримання п'єзоелектричного матеріалу

Для різних п'єзоелектричних матеріалів відповідний метод підготовки вибирається відповідно до його застосування, характеристик. Метод приготування поділяється на твердофазний метод, рідкофазний метод і газофазний метод відповідно до фази фази, яка виникає під час приготування.

2.3.1 Твердофазний метод

Коли п’єзо PZT готується традиційним твердофазним методом, температура спікання вище 1200 °C призведе до випаровування PbO. Важко контролювати стехіометричне співвідношення, що ускладнює контроль мікроструктури та електричних властивостей матеріалу. Він підходить для сировини, простих процесів і п'єзоелектричних матеріалів. Де вимоги до продуктивності невисокі.

2.3.2 Рідкофазний метод

Підготовка п’єзоелектричних матеріалів рідкофазним методом в даний час є найбільш часто використовуваним методом, включаючи метод співосадження, метод гідротермального синтезу, золь-гель метод, метод алкоксидного гідролізу тощо. Метод співосадження дає можливість низькотемпературного спікання для отримання п'єзоелектричного матеріалу з щільністю, вищою за теоретичну щільність. Метод співосадження використовував метод програмованого обсмажування при температурі 700 градусів для приготування порошку BaT iO3 з розміром частинок 60 нм. Дослідники зі Сполучених Штатів використовували метод співосадження в поєднанні з процесом сублімаційної сушки для синтезу нанорозмірного порошку PZ T при 800 градусах. Спікання дало матеріал з теоретичною щільністю 98%. У дослідженні N b2 O 5 і T a 2 O5 використовували як вихідні реагенти, а керамічні порошки KT aN b O3 готували гідротермальним методом і сольвент-термічним методом. Досліджено спечену п'єзокераміку. Коефіцієнт зв'язку досягає 0,5, а п'єзоелектричний коефіцієнт d 33 становить від 150 ~ 450p C / N. Однак гідротермальний метод вимагає більш високої температури та тиску, а інвестиції в обладнання великі, що обмежує застосування методу. Золь-гель метод є найбільш часто використовуваним методом у рідкофазному методі. Високоефективні плівки можна отримувати за допомогою золь-гелю в поєднанні з різними процесами формування та спікання.

2.3. 3 газофазний метод

Газофазний метод підходить для виготовлення нанорозмірних п’єзоелектричних плівок, головним чином фізичного осадження з парової фази та хімічного осадження з парової фази. Серед них метод напилення є найбільш часто використовуваним методом. Нижній електрод AP t / T i був нанесений на підкладку Si 2 / S i методом цільового напилення, а плівка PZT товщиною приблизно 800 мм була підготовлена ​​за допомогою радіочастотного (RF) напилення. Хімічне осадження з парової фази може точно контролювати хімічний склад продукту реакції, і це зручно легувати, але важко отримати відповідний вихідний матеріал газу, який не підходить для дешевого, великого обсягу приготування плівки, і практично використовується менше.