Опис перетворювача п'єзокерамічного керамічного матеріалу

Щодо п’єзоелектричних керамічних драйверів, п’єзоелектрична кераміка демонструє високі вимоги до властивостей п’єзоелектричних керамічних матеріалів, таких як постійна електричної деформації високої напруги, висока точка кюрі, високий електромеханічний коефіцієнт зв’язку та висока частотна постійна. Найбільш широко використовуваною п'єзоелектричною керамікою є PZT (цирконат титанат свинцю) на основі П’єзоелектричний керамічний перетворювач із Pzt-матеріалу завдяки його чудовому п’єзоелектричному ефекту, високій температурі Кюрі, сильному радіаційному опору та легкій інтеграції з технологією інтеграції напівпровідників. Але це шкідливо для людського організму та навколишнього середовища. Тому люди почали шукати безсвинцеві п’єзоелектричні керамічні матеріали з чудовою продуктивністю.

Найбільш досліджувані безсвинцеві п'єзоелектричні керамічні матеріали в країні та за кордоном в основному включають такі системи: безсвинцева п'єзоелектрична кераміка на основі титанату барію; безсвинцева п'єзокераміка на основі титанату барію; безсвинцева п'єзоелектрична кераміка на основі танталу та безсвинцева п'єзоелектрична кераміка з танталовою шаруватою структурою.

Безсвинцева п'єзокераміка на основі титанату барію

Дослідження та застосування титанату барію (BaTiO3) на безсвинцевій основі п'єзокерамічні перетворювачі були досить зрілими. Однак температура Кюрі кераміки BaTiO3 низька (Tc=120), діапазон робочих температур вузький, а продуктивність п’єзоелектричної кераміки помірна. Важко значно покращити п’єзоелектричні властивості шляхом модифікації легування, і існує фазовий перехід поблизу температури. Тому застосування п'єзоелектричної кераміки обмежене. Безсвинцевий п'єзоелектричний керамічний титанат барію та стронцію на основі титанату барію та Bi0.5Na0.5TiO3 (BNT) є типовим представником серії титанатів. BNT має характеристики розслабленого сегнетоелектрика, який має відносно велику залишкову поляризацію та надзвичайно високе коерцитивне поле (7,5 кВ/мм), а також має великий п’єзоелектричний коефіцієнт (kt, kp близько 50%), відмінні характеристики діелектрика, такі як малий коефіцієнт (240~340) та хороші акустичні характеристики (його частотна постійна NP=3200 Гц). Завдяки високому коерцитивному електричному полю та високій електропровідності в області сегнетоелектричної фази поляризація складна, що ускладнює виробництво практичної п’єзоелектричної кераміки. Щоб подолати недоліки п’єзокерамічної поляризації BNT і труднощі спікання в щільні зразки, додають різні легуючі пари перовскітової структури. BNT модифікується. Завдяки введенню таких елементів, як Pb, Ba, Ca, Sr, Mn тощо, напруженість коерцитивного поля BNT є занадто високою, і труднощі поляризації, спричинені високою провідністю сегнетоелектричної фази BNT, уникають, і поляризацію матеріалу BNT успішно вирішують.

Безсвинцева п'єзокераміка на основі вісмуту:

Безсвинцева п'єзоелектрична кераміка на основі вісмуту включає переважно NaNbO3, KNbO3, LiNbO3 тощо. The Керамічні перетворювачі п’єзопівсфери мають такі переваги, як низька щільність, висока швидкість звуку, великий механічний коефіцієнт якості Qm, великий електромеханічний коефіцієнт зв’язку kp, низька діелектрична проникність, висока п’єзоелектрична продуктивність, велика частотна постійна тощо, тому п’єзоелектрична кераміка на основі танталату є частотним пристроєм і кращим матеріалом. Однак через летючість металевого матеріалу важко отримати п’єзокераміку з хорошою компактністю за допомогою звичайного керамічного процесу, який погіршує властивості кераміки. Щільна кераміка NaNbO3-KNbO3 може бути отримана шляхом гарячого пресування або процесу ізостатичного пресування, і температурна стабільність матеріалу значно покращується, а відносна щільність може досягати 99%.

У практичних застосуваннях деякі властиві характеристики п’єзокерамічного циліндричного керамічного перетворювача (такі як гістерезис, повзучість тощо) мають великий вплив на високоточне керування переміщенням. Щоб зменшити вплив гістерезису п’єзокераміки на вихід зміщення, іноземні вчені запропонували багато методів компенсації. В даний час методом усунення гістерезису є, як правило, замкнуте керування процесом керування. Цей режим потребує додаткового датчика переміщення для вимірювання переміщення та порівняння його з цільовим переміщенням контролера для формування складного механізму регулювання керування. 

Під дією змінного електричного поля ультразвукові поляризовані п’єзоперетворювачі демонструватимуть макроскопічну сегнетоелектричну деградацію через зменшення активності сегнетоелектричної доменної стінки. Мікротріщини, розшарування або руйнування часто виникають через втому матеріалу та поле. Внутрішня причина головним чином пов’язана з різницею в інтерфейсі з властивостями. Коефіцієнт теплового розширення на межі розділу між п’єзокерамікою та електродом відрізняється або відбувається хімічна реакція, яка негативно впливає на втомну продуктивність п’єзокераміки. Сила з’єднання межі розділу значно покращується шляхом введення порошку електрода в керамічний матеріал або включення керамічного порошку та оригінального електрода. Електричне поле і температура є основними зовнішніми факторами, які впливають на характеристики втоми. Дослідження двох факторів може виявити, що поле сильніше за напруженість коерцитивного поля або висока частота, що спричинить електричну втому. Крім того, в певному діапазоні температур опір втоми зростає з підвищенням температури. Коли температура перевищує певне критичне значення, матеріал переходить у парамагнітну фазу і явище втоми зникає.

Очікується, що п’єзоелектричні керамічні дисплеї подолають недоліки сучасних масових дисплеїв, які чутливі до електромагнітних перешкод, мертвих зон, травлення тощо, і мають широкі ринкові перспективи. Приводну матрицю п’єзоелектричних керамічних дисплеїв можна виготовити за допомогою кремнієвої форми або процесу електрофоретичного осадження, а п’єзоелектричну кераміку на основі свинцю можна замінити на безсвинцеву п’єзоелектричну кераміку зі структурою на основі танталату та танталу. Незважаючи на певний прогрес у розробці п’єзоелектричних керамічних дисплеїв, все ще існує низка ключових проблем технологічного процесу, які потребують вирішення:

(1) Хоча продуктивність деяких безсвинцевих п’єзоелектричних керамічних виробів є чудовою, все ще існує великий розрив у порівнянні з п’єзоелектричними керамічними матеріалами на основі PZT, і п’єзоелектричні властивості слід додатково покращити шляхом модифікації вимірювання та вдосконалення процесу;

(2) Для того, щоб точність компенсації гістерезису та повзучості п’єзоелектричного перетворювача тиску краще відповідала вимогам керування позиціонуванням надвисокої точності, вченим необхідно продовжити дослідження компенсації корекції або ефективного контролю за допомогою експериментів, щоб зменшити п’єзоелектричний керамічний драйвер. Вплив повзучості на точність позиціонування;

(3) Наразі дослідження втоми, спричиненої полем, здебільшого зосереджені на електричному полі та температурному полі, але дослідження поля під багатопольовим зв’язком відсутні, але фактичні п’єзоелектричні керамічні пристрої працюють в умовах багатопольового зв’язку, тому необхідно посилити дослідження механізму втоми, індукованого полем, у багатопольовому зв’язку.