PусскийПросмотры:156 Автор:Pедактор сайта Время публикации: 2020-12-08 Происхождение:Работает
Пьезоэлектрическая керамика представляет собой сегнетоэлектрическую керамику, изготовленную из смешанных оксидов (циркония, оксид свинца, оксид титана и т. Д.) После высокотемпературной спекания и твердофазной реакции, а также посредством высоковольтной поляризационной обработки постоянного тока, чтобы они обладали пьезоэлектрическим эффектом. Это функциональный керамический материал, который может преобразовать механическую энергию и электрическую энергию. Из-за хороших механических свойств и стабильных пьезоэлектрических свойств, пьезоэлектрическая керамика, как важная сила, тепло, электричество и чувствительный к свету функциональный материал, широко используются в датчиках, ультразвуковых преобразователях , микродиспсусерах и других электронных компонентах. С непрерывными исследованиями и улучшением материальной технологии, а также быстрого развития высокотехнологичных областей, таких как электроника, информация, аэрокосмическая промышленность и т. Д., Технология производства и разработка применения пьезоэлектрической керамики, содержащей очень интеллектуальные новые материалы, являются горячими темами.
Свободные электроны пьезоэлектрической керамики расположены беспорядочными до поляризации. После поляризационной обработки остаточная поляризация генерируется вдоль направления поляризации, чтобы стать анизотропным поликристаллином. Свободные электроны имеют тенденцию быть последовательными, а пьезоэлектричность значительно усилена. Как показано на рисунке 1 и на рисунке 2, пьезоэлектрический керамический материал может быть внесен в любую форму и любое направление поляризации. Пьезоэлектрические керамические материалы до и после поляризации имеют различные диэлектрические простанции (ε) и пьезоэлектрические постоянные (D).
Установите диэлектрическую постоянную перед поляризацией:
ε11 = ε22 = ε33. Если пьезоэлектрический материал поляризован в направлении 3, две другие поверхности электрода перпендикулярны направлению поляризации. Диэлектрическая постоянная после поляризации: ε11 = ε22 ↓ ε33 и значение ε33 намного больше, чем ε11. Пьезоэлектрическая постоянная пьезоэлектрической керамики также является анизотропной, а значение пьезоэлектрической постоянной D также различено в разных направлениях. Среди них значение вдоль направления 3 является крупнейшим, то есть D33> D31 и D32. При измерении с помощью амперметра только D33 имеет ток, и в двух других направлениях не генерируется ток. Поляризация пьезоэлектрической керамики очень похожа на намагниченность магнитов, и магнитное поле до и после намагничения значительно изменится.
Исследование технологии спекания низкой температуры пьезоэлектрической керамики началось после 1960 года, как правило, из двух аспектов добавления спекания и улучшения процесса для снижения температуры спекания. С 1980-х годов ученые дома и за рубежом провели обширные исследования по низкотемпературному спеканию пьезоэлектрической керамики. Ли Лонги из университета Цинхуа добавил сораственного растворителя в бинарную систему PZT и разработал материал с хорошей производительностью и спечен при низкой температуре 960 градусов по Цельсию. Q. Yill et al. Добавлены спекание керамики на основе KNN для приготовления пьезоэлектрических керамических материалов без свинца с отличными характеристиками при низких температурах. Кроме того, исследователи также провели много полезных исследований в улучшении процесса и достигли определенных результатов.
Понижение температуры спекания пьезоэлектрических керамических материалов обычно осуществляется из двух аспектов добавления сораственного растворителя и улучшения процесса. Есть в основном следующие четыре метода:
Добавление потока в базовый материал существует три метода спекания с низким уровнем температуры:
Первый способ - снизить температуру спекания, образуя твердый раствор. Замена ионов вызывает искажение кристаллической решетки, увеличивает структурные дефекты и уменьшает барьер между электрическими доменами, тем самым облегчая диффузию ионов и способствуя спеканию. Второй способ - снизить температуру спекания, образуя спекание жидкой фазы. Перестановка зерна и укрепление контакта в спекании жидкой фазы могут увеличить мобильность границы зерна, полностью разряжать поры, способствовать росту кристаллических зерен, увеличить плотность фарфорового тела и достичь цели снижения температуры спекания. Третий способ - снизить температуру спекания и повысить производительность за счет переходной жидкой фазы. Присадки с низкой точкой плавления сначала образуют жидкую фазу, чтобы способствовать спеканию во время процесса спекания, а затем служат последней фазой в позднем процессе спекания, всасываясь в основную кристаллическую фазу и играя роль допинговой модификации.
Этот двойной эффект »с низким уровнем плавления может снизить температуру спекания на 250-300 ℃ и улучшить производительность.
Метод химического синтеза может снизить температуру спекания, но диапазон охлаждения ограничен, а температура спекания материала все еще выше 1000 ℃.
Проявление горячих осадков может увеличить движущую силу спекания керамики и облегчить диффузию пор или вакансии от границы зерна к керамическому телу, тем самым увеличивая плотность керамического тела и снижая температуру спекания. Используя горячее печенье пьезоэлектрический керамический материал PZT, температура спекания снижается на 150-200 ℃, и производительность также значительно улучшается.
Под давлением сотен тысяч атмосфер, порошок может быть уплотнен и спечен. Например, излучающий керамический порошок PZT был холодным на 150 000 атмосфер, и в результате было получено керамическое тело с плотностью 7,2 г/см (90% теоретической плотности), а керамический порошок первоначально был земным желтым. Холодный и спех в серо-черное фарфоровое тело.
Сравните вышеупомянутое исследование по низкотемпературному спеканию пьезоэлектрических керамических материалов в домашних условиях и за рубежом. Есть следующие выводы:
(1) При формировании твердого раствора для снижения температуры спекания должна быть выполнена замена ионов, а результирующие структурные дефекты ограничены, поэтому падение температуры не является большим, как правило, в пределах 200 ℃.
(2) Влияние снижения температуры спекания за счет образования жидкой фазы очевидно, но продукт жидкой фазы остается в керамической микроструктуре. Существование этого продукта с низкой точкой плавления приведет к тому, что механическая прочность материала, диэлектрические свойства и пьезоэлектрические свойства снижаются
(3) Температура спекания, когда порошок производится химическим синтезом, все еще выше 1000 градусов по Цельсию. Кроме того, из -за различных возможностей составления различных ионов металлов в растворе, во время процесса обезвоживания или кальцификации, соединения могут отделять или образовывать другие соединения. Можно видеть, что не все сырья могут быть приготовлены с помощью химического синтеза.
(4) Во время процесса спекания горячего ощущения будет создана ориентация кристаллического зерна, чтобы сделать его пьезоэлектрические свойства направленными. Керамическое тело будет охлаждено в форме, чтобы получить большее внутреннее напряжение, что повлияет на пьезоэлектрические свойства, а температура спекания не может быть снижена слишком низкой.
(5) Использование двойного эффекта »из добавок с низкой температурой плавления может значительно снизить температуру спекания, одновременно улучшая пьезоэлектрические свойства материала, с низкой стоимостью и простым процессом. Это идеальный метод для низкотемпературного спекания пьезоэлектрической керамики.
С момента рождения первого керамического пьезоэлектрического материала Barium Titanate в 1942 году, как продукт применения пьезоэлектрической керамики, он распространился во всех аспектах жизни людей. Применение пьезоэлектрических материалов в качестве связи электромеханической связи может быть примерно разделено на два аспекта: применение пьезоэлектрических устройств управления частотой керамической частоты, представленных пьезоэлектрическими резонаторами и применение квазистатических применений, которые преобразуют механическую энергию и электрическую энергию.
Поляризованная пьезоэлектрическая керамика, то есть пьезоэлектрический вибратор, имеет естественную частоту вибрации, определенную ее размером, а пьезоэлектрический эффект может получить стабильное электрическое колебание. Когда частота приложенного напряжения будет такой же, как и частота естественной вибрации пьезоэлектрического вибратора, будет вызван резонанс, и амплитуда будет значительно увеличена. В этом процессе чередующее электрическое поле генерирует напряжение через обратный пьезоэлектрический эффект, а деформация генерирует ток через положительный пьезоэлектрический эффект. Реализовать максимальное взаимное преобразование между электрической энергией и механической энергией. Использование характеристик пьезоэлектрических вибраторов, различных фильтров, резонаторов и других устройств может быть изготовлено. Эти устройства имеют низкий стоимость, малый размер, без поглощения влажности, длительного срока службы, хорошей стабильности частоты, более высокого эквивалентного коэффициента качества, чем фильтры LC, широкий диапазон частот и высокая точность, особенно используемая в многоканальной связи и приеме амплитуды модуляции, а также различные радиосвязи и измерения могут улучшить способность противопоставления. Таким образом, он заменил значительную часть электромагнитных генераторов и фильтров, и эта тенденция все еще развивается.
Пьезоэлектрические трансформаторы производятся с использованием характеристик взаимного преобразования электрической энергии и механической энергии пьезоэлектрического эффекта. Он состоит из двух частей, входного конца и выходного конца, а направления поляризации перпендикулярно друг другу. Входной конец поляризован в направлении толщины, а переменное напряжение применяется для продольной вибрации. Из -за обратного пьезоэлектрического эффекта на выходе будет высокий выходной выход. Пьезоэлектрический керамический трансформатор-это новый тип твердотельного электронного устройства. По сравнению с традиционным электромагнитным трансформатором, он имеет простую структуру, небольшой размер, легкий, большой коэффициент трансформации, хорошая стабильность, отсутствие электромагнитных помех и шума, высокая эффективность, высокая плотность энергии, высокая безопасность, без обмотки, никаких преимуществ сжигания, феномена без магнитной утечки и загрязнения электромагнитного излучения.
В соответствии с рабочим режимом пьезоэлектрического керамического трансформатора, его можно разделить на следующие категории: пьезоэлектрический керамический трансформатор Rosen Type, пьезоэлектрический керамический трансформатор режима толщины, режима радиальной вибрации. В последние годы появились некоторые пьезоэлектрические трансформаторы с лучшей производительностью, такие как режим вибрации третьего порядка Розен пьезоэлектрический керамический трансформатор с двумя входными терминалами и многослойный многослойный пьезоэлектрический керамический трансформатор. В настоящее время пьезоэлектрические керамические трансформаторы в основном используются для AC-DC, DC-DC, а также другие мощные устройства, а также устройства с высоким напряжением, такие как холодные катодные трубки, неоновые трубки, лазерные трубки и небольшие рентгеновские трубки, электростатическое распыление высокого напряжения, электростатическое столкновение с высоким напряжением и вождение радиопроизводительной дисплей.
Пьезоэлектрический преобразователь использует пьезоэлектрический эффект пьезоэлектрической керамики и обратного пьезоэлектрического эффекта, чтобы реализовать взаимное преобразование электрической энергии и энергии звука. Пьезоэлектрический ультразвуковой датчик является одним из них. Это подводное акустическое устройство, которое передает и получает ультразвуковые волны под водой. Под действием звуковых волн пьезоэлектрический преобразователь в воде вызывает электрические заряды на обоих концах датчика. Это приемник звуковой волны. Если к пьезоэлектрическому керамическому листу применяется чередующее электрическое поле, керамический лист время от времени станет более тонким и толстым, и он будет вибрировать и излучать звуковые волны. Это ультразвуковой передатчик. Пьезоэлектрические преобразователи также широко используются в промышленности для подводной навигации, исследования океана, точного измерения, ультразвуковой очистки, обнаружения твердого вещества, медицинской визуализации, ультразвукового диагноза и лечения ультразвукового заболевания. Другим поле применения сегодняшних пьезоэлектрических ультразвуковых преобразователей является телеметрия и системы дистанционного управления. Конкретные примеры применения включают пьезоэлектрические керамические зуммеры, пьезоэлектрические зажигатели, ультразвуковые микроскопы и т. Д.
Пьезоэлектрический ультразвуковой двигатель представляет собой новый тип микромотора, который использует обратный пьезоэлектрический эффект пьезоэлектрической керамики для генерации ультразвуковой вибрации, усиливает микро деформацию материала посредством резонанса и движивается трение между вибрирующей частью и движущейся частью без элитной электромагнетической колики. По сравнению с традиционными электромагнитными двигателями, он имеет низкую стоимость, простую структуру, небольшой размер, высокая плотность мощности, хорошие низкоскоростные характеристики (работа с низкой скоростью может быть достигнута без механизма замедления), большой крутящий момент и крутящий момент торможения, быстрый отклик и точность управления высоким, без магнитного поля и электрического поля, без электромагнитного интерфейса и электромагнитного шума. Пьезоэлектрические ультразвуковые двигатели широко используются в точных инструментах, аэрокосмическом, автоматическом управлении, автоматизации офиса, микромеханических системах, микроэссамбрии, точном позиционировании и других областях из-за их собственных характеристик и преимуществ производительности. В настоящее время Япония находится в лидере технологий в этой области. Пьезоэлектрические ультразвуковые двигатели широко использовались для автоматической фокусировки камер и видеокамеров, и были сформированы крупномасштабные серии продуктов.
Пьезоэлектрическая керамика без свинца также называется экологически совместимой пьезоэлектрической керамикой. Это требует, чтобы керамические материалы не производили веществ, которые могут быть вредными для окружающей среды в процессе подготовки, использования и утилизации, чтобы избежать вреда здоровью человека и уменьшить загрязнение окружающей среды. Среди различных свинцовых пьезоэлектрических керамических материалов, которые в настоящее время используются в промышленности, содержание оксида свинца составляет более 60% от общей массы материала. Самоочевидно, что эти материалы причиняют вред человеческому организму и окружающей среде в процессе производства, обработки, хранения и транспортировки, использования и транспортировки компонентов. Таким образом, экологически чистые пьезоэлектрические керамические материалы без свинца являются важным направлением исследований и разработок в последние годы. Тем не менее, используемые в настоящее время пьезоэлектрические керамические материалы в основном основаны на PZT, а пьезоэлектрические характеристики намного лучше, чем другие пьезоэлектрические керамические материалы. Кроме того, электрические свойства материала могут быть скорректированы посредством модификации легирования и управления процессом для удовлетворения различных требований применения.
Чтобы сыграть роль в применении гидрофонов, пьезоэлектрические композитные материалы постепенно разрабатывались в 1970 -х годах. Пьезоэлектрический композитный материал представляет собой своего рода функциональный композитный материал с пьезоэлектрическим эффектом, состоящим из пьезоэлектрической керамической фазы и полимерной фазы в определенном режиме соединения. Благодаря добавлению гибкой полимерной фазы, плотность, акустическое импеданс и диэлектрическую постоянную пьезоэлектрического композитного материала уменьшаются, в то время как фигура заслуг и коэффициент электромеханической связи улучшается, что превышает блесну и пьезоэлектричность простых пьезоэлектрических церамам. Недостатки высокой стоимости полимеров. В дополнение к использованию в качестве гидрофонов, пьезоэлектрические композиты также используются в промышленных, медицинских и коммуникационных областях. После более чем 40 лет непрерывных исследований пьезоэлектрических композитов, его исследование применения достигло значительного прогресса, но его полная теория еще не была установлена, и его разработка применения еще не изучена. В настоящее время исследование пьезоэлектрических композитных материалов в основном фокусируется на разработке типов соединений, улучшении процессов литья и подготовке многофункциональных устройств.
В последние годы быстрое развитие нанотехнологий наноцерамика постепенно привлекло внимание людей. Нанопоросток образуется и спечен, образуя плотную и равномерную массовую нано -керамику. Прочность, сила и сверхпластичность материала были значительно улучшены, что преодолевает многие недостатки инженерной керамики и оказывает важное влияние на механические, электрические, термические, магнитные и оптические свойства материала. Выбирая систему композиции материала и добавляя наномасштабные частицы, усы, пластинки и т. Д., Чтобы изменить ее, можно получить нано пьезоэлектрические керамические материалы с высокой производительностью и низкотемпературным спеканием. Контролируя рост нанокристаллических зерен, могут быть получены квантовые эффекты ограничения и сегнетоэлектрики с странными свойствами для улучшения электромеханического преобразования и свойств теплового высвобождения материалов пьезоэлектрического пиролиза. Различные типы пьезоэлектрических трансформаторов, пьезоэлектрических драйверов, мощный ультразвуковой сварки, пьезоэлектрические вибрирующие кормушки, новые ультразвуковые сердечно-сосудистые технологии и мощная ультразвуковая инженерия, поддерживающие атомные электростанции, которые быстро развивались в последние годы,-это нанокарамака в пьезоэлектритности.
С глубоким пониманием материальной структуры и исследования и расширения технологии применения пьезоэлектрические керамические материалы будут широко использоваться в высокотехнологичных областях, таких как электронные технологии, коммуникационные технологии, лазерные технологии и биотехнология. В связи с быстрым развитием этих областей и новых потребностей в экономическом и социальном развитии будет более высокие требования для производительности пьезоэлектрической керамики, такой как высокая температура Curie, высокий коэффициент электромеханической связи и коэффициент качества механического качества.
