Italianonumero Sfoglia:156 Autore:Editor del sito Pubblica Time: 2020-12-08 Origine:motorizzato
Le ceramiche piezoelettriche sono ceramiche ferroelettriche realizzate in ossidi misti (zirconia, ossido di piombo, ossido di titanio, ecc.) Dopo sinterizzazione ad alta temperatura e reazione in fase solida e attraverso il trattamento di polarizzazione ad alta tensione CC per farli avere un effetto piezoelettrico collettivamente. È un materiale ceramico funzionale che può convertire l'energia meccanica e l'energia elettrica. A causa delle sue buone proprietà meccaniche e delle proprietà piezoelettriche stabili, delle ceramiche piezoelettriche, come forza importante, calore, elettricità e materiale funzionale sensibile alla luce, sono stati ampiamente utilizzati in sensori, trasduttori ultrasuoni , micro-displacer e altri componenti elettronici. Con la continua ricerca e miglioramento della tecnologia dei materiali, nonché il rapido sviluppo di campi ad alta tecnologia come elettronica, informazione, aerospaziale, ecc.
Gli elettroni liberi di ceramica piezoelettrica sono disposti disordinati prima della polarizzazione. Dopo il trattamento di polarizzazione, la polarizzazione residua viene generata lungo la direzione di polarizzazione per diventare policristallino anisotropico. Gli elettroni liberi tendono ad essere coerenti e la piezoelettricità è notevolmente migliorata. Come mostrato nella Figura 1 e nella Figura 2, il materiale ceramico piezoelettrico può essere realizzato in qualsiasi forma e direzione di polarizzazione. I materiali ceramici piezoelettrici prima e dopo la polarizzazione hanno costanti dielettriche diverse (ε) e costanti piezoelettriche (D).
Imposta la costante dielettrica prima della polarizzazione:
ε11 = ε22 = ε33. Se il materiale piezoelettrico è polarizzato nella direzione 3, le altre due superfici elettrodi sono perpendicolari alla direzione di polarizzazione. La costante dielettrica dopo la polarizzazione: ε11 = ε22 ≠ ε33 e il valore di ε33 è molto più grande di ε11. Anche la costante piezoelettrica della ceramica piezoelettrica è anisotropica e il valore della costante piezoelettrica D è diverso anche in direzioni diverse. Tra questi, il valore lungo la direzione 3 è il più grande, cioè D33> D31 e D32. Quando si misura con un amperometro, solo D33 ha la corrente e nessuna corrente viene generata nelle altre due direzioni. La polarizzazione della ceramica piezoelettrica è molto simile alla magnetizzazione dei magneti e la resistenza del campo magnetico prima e dopo la magnetizzazione cambierà notevolmente.
La ricerca sulla tecnologia di sinterizzazione a bassa temperatura della ceramica piezoelettrica è iniziata dopo il 1960, di solito dai due aspetti dell'aggiunta di aiuti di sinterizzazione e del miglioramento del processo per ridurre la temperatura di sinterizzazione. Dagli anni '80, gli studiosi in patria e all'estero hanno condotto ampie ricerche sulla sinterizzazione a bassa temperatura della ceramica piezoelettrica. Li Longshi dell'Università di Tsinghua ha aggiunto un co-solvente al sistema binario PZT e ha sviluppato un materiale con buone prestazioni e sinterizzato a una bassa temperatura di 960 gradi Celsius. Q. Yill et al. Aggiunti aiuti di sinterizzazione a ceramiche a base di KNN per preparare materiali in ceramica piezoelettrica senza piombo con prestazioni eccellenti a basse temperature. Inoltre, i ricercatori hanno anche effettuato molte utili esplorazioni per migliorare il processo e hanno ottenuto alcuni risultati.
L'abbassamento della temperatura di sinterizzazione dei materiali ceramici piezoelettrici viene generalmente effettuato dai due aspetti dell'aggiunta del co-solvente e del miglioramento del processo. Esistono principalmente i seguenti quattro metodi:
Aggiungendo flusso al materiale di base, ci sono tre metodi di sinterizzazione a bassa temperatura:
Il primo modo è ridurre la temperatura di sinterizzazione formando una soluzione solida. La sostituzione degli ioni provoca la distorsione del reticolo cristallino, aumenta i difetti strutturali e riduce la barriera tra i domini elettrici, facilitando così la diffusione ionica e promuovendo la sinterizzazione. Il secondo modo è ridurre la temperatura di sinterizzazione formando la sinterizzazione della fase liquida. Il riarrangiamento del grano e il contatto rafforzato nella sinterizzazione della fase liquida possono aumentare la mobilità limite del grano, scaricare completamente i pori, promuovere la crescita dei grani di cristallo, aumentare la densità del corpo in porcellana e raggiungere lo scopo di ridurre la temperatura di sinterizzazione. Il terzo modo è ridurre la temperatura di sinterizzazione e migliorare le prestazioni attraverso la sinterizzazione della fase liquida di transizione. Gli additivi a basso punto di fusione formano innanzitutto una fase liquida per promuovere la sinterizzazione durante il processo di sinterizzazione, quindi servire come fase finale del processo di sinterizzazione tardiva, succhiare nella fase cristallina principale e svolgere un ruolo della modifica del doping.
Questo 'Dual Effect ' di additivi a basso punto di fusione può ridurre la temperatura di sinterizzazione di 250-300 ℃ e migliorare le prestazioni.
Il metodo di sintesi chimica può ridurre la temperatura di sinterizzazione, ma l'intervallo di raffreddamento è limitato e la temperatura di sinterizzazione del materiale è ancora superiore a 1000 ℃.
La sinterizzazione a caldo può aumentare la forza guida di sinterizzazione della ceramica e facilitare la diffusione di pori o posti vacanti dal confine del grano al corpo ceramico, aumentando così la densità del corpo ceramico e riducendo la temperatura di sinterizzazione. Usando il materiale ceramico piezoelettrico PZT sinterizzato a caldo, la temperatura di sinterizzazione è ridotta di 150-200 ℃ e anche le prestazioni sono migliorate molto.
Sotto la pressione di centinaia di migliaia di atmosfere, la polvere può essere densificata e sinterizzata. Ad esempio, la polvere ceramica PZT emissiva era pressata a freddo a 150.000 atmosfere e, di conseguenza, è stato ottenuto un corpo ceramico con una densità di 7,2 g/cm (90% della densità teorica) e la polvere ceramica era originariamente giallo terroso. Formato a freddo e sinterizzato in un corpo in porcellana nero grigio.
Confronta la ricerca di cui sopra sulla sinterizzazione a bassa temperatura di materiali ceramici piezoelettrici in patria e all'estero. Ci sono le seguenti conclusioni:
(1) Quando si forma una soluzione solida per ridurre la temperatura di sinterizzazione, la sostituzione degli ioni deve essere eseguita in determinate condizioni e i difetti strutturali risultanti sono limitati, quindi la caduta di temperatura non è grande, generalmente entro 200 ℃.
(2) L'effetto di abbassare la temperatura di sinterizzazione attraverso la formazione di una fase liquida è evidente, ma il prodotto di fase liquida rimane nella microstruttura ceramica. L'esistenza di questo prodotto a basso punto di fusione causerà la resistenza meccanica del materiale, le proprietà dielettriche e le proprietà piezoelettriche per diminuire
(3) La temperatura di sinterizzazione quando la polvere è prodotta mediante sintesi chimica è ancora superiore a 1000 gradi Celsius. Inoltre, a causa delle diverse capacità di composizione di vari ioni metallici nella soluzione, durante la disidratazione o il processo di calcolo, i composti possono separare o formare altri composti. Si può vedere che non tutte le materie prime possono essere preparate mediante sintesi chimica.
(4) Durante il processo di sinterizzazione a caldo, l'orientamento del grano cristallino verrà prodotto per rendere direzionale le sue proprietà piezoelettriche. Il corpo ceramico verrà raffreddato nello stampo per produrre una maggiore sollecitazione interna, che influenzerà le proprietà piezoelettriche e la temperatura di sinterizzazione non può essere abbassata troppo in basso.
(5) L'uso di 'Dual Effect ' di additivi a basso punto di fusione può ridurre notevolmente la temperatura di sinterizzazione migliorando al contempo le proprietà piezoelettriche del materiale, con a basso costo e processo semplice. Questo è un metodo ideale per la sinterizzazione a bassa temperatura della ceramica piezoelettrica.
Dalla nascita del primo materiale piezoelettrico in ceramica bario titanato nel 1942, come prodotto di applicazione della ceramica piezoelettrica, si è diffuso in tutti gli aspetti della vita delle persone. L'applicazione di materiali piezoelettrici come collegamento dell'accoppiamento elettromeccanico può essere approssimativamente divisa in due aspetti: l'applicazione di dispositivi di controllo della frequenza ceramica piezoelettrica rappresentati da risonatori piezoelettrici e l'applicazione di applicazioni quasi statiche che convertono l'energia meccanica e l'energia elettrica.
La ceramica piezoelettrica polarizzata, ovvero il vibratore piezoelettrico, ha la frequenza di vibrazione naturale determinata dalla sua dimensione e l'effetto piezoelettrico può ottenere un'oscillazione elettrica stabile. Quando la frequenza della tensione applicata è uguale alla frequenza di vibrazione naturale del vibratore piezoelettrico, la risonanza sarà causata e l'ampiezza sarà notevolmente aumentata. In questo processo, il campo elettrico alternato genera deformazione attraverso l'effetto piezoelettrico inverso e la deformazione genera una corrente attraverso l'effetto piezoelettrico positivo. Realizzare la massima conversione reciproca tra energia elettrica e energia meccanica. È possibile fabbricare le caratteristiche dei vibratori piezoelettrici, vari filtri, risonatori e altri dispositivi. Questi dispositivi hanno a basso costo, dimensioni ridotte, assorbimento di umidità, lunga durata, buona stabilità di frequenza, fattore di qualità equivalente più elevato rispetto ai filtri LC, ampia gamma di frequenze e alta precisione, specialmente utilizzate nella comunicazione multicanale e nella ricezione della modulazione dell'ampiezza e vari comunicazioni radio e strumenti di misurazione possono migliorare la capacità anti-interferenza. Quindi ha sostituito una parte considerevole degli oscillatori e dei filtri elettromagnetici e questa tendenza si sta ancora sviluppando.
I trasformatori piezoelettrici vengono realizzati utilizzando le caratteristiche della conversione reciproca dell'energia elettrica e l'energia meccanica dell'effetto piezoelettrico. È composto da due parti, un'estremità di ingresso e un'estremità di uscita e le direzioni di polarizzazione sono perpendicolari l'una all'altra. L'estremità di ingresso è polarizzata nella direzione dello spessore e la tensione alternata viene applicata per la vibrazione longitudinale. A causa dell'effetto piezoelettrico inverso, ci sarà un'uscita ad alta tensione all'uscita. Il trasformatore di ceramica piezoelettrica è un nuovo tipo di dispositivo elettronico a stato solido. Rispetto al tradizionale trasformatore elettromagnetico, ha una struttura semplice, dimensioni ridotte, leggero, grande rapporto di trasformazione, buona stabilità, nessuna interferenza elettromagnetica e rumore, elevata efficienza, alta densità di energia, alta sicurezza, senza avvolgimento, nessun vantaggio della combustione, nessun fenomenone di perdita magnetica e inquinamento da radiazioni elettromagnetiche.
Secondo la modalità di lavoro del trasformatore di ceramica piezoelettrica, può essere diviso nelle seguenti categorie: trasformatore di ceramica piezoelettrica in modalità ceramica in modalità di vibrazione radiale, trasformatore di ceramica di vibrazione radiale in modalità di vibrazione radiale. Negli ultimi anni sono apparsi alcuni trasformatori piezoelettrici con prestazioni migliori, come il trasformatore di ceramica piezoelettrica Rosen in modalità vibrazione di terzo ordine con due terminali di ingresso e il trasformatore di ceramica piezoelettrica multistrato ad alta potenza. Al momento, i trasformatori ceramici piezoelettrici sono utilizzati principalmente per AC-DC, DC-DC e altri dispositivi di alimentazione e dispositivi di generazione di alta tensione, come tubi a catodo freddo, tubi al neon, tubi laser e piccoli tubi a raggi X, spruzzatura elettrostatica ad alta tensione, ad alta tensione e guida a tubo di radar, ecc.
Il trasduttore piezoelettrico utilizza l'effetto piezoelettrico della ceramica piezoelettrica e l'effetto piezoelettrico inverso per realizzare la conversione reciproca dell'energia elettrica e dell'energia sonora. Il trasduttore ultrasonico piezoelettrico è uno di questi. È un dispositivo acustico subacqueo che trasmette e riceve onde ad ultrasuoni sott'acqua. Sotto l'azione delle onde sonore, il trasduttore piezoelettrico nell'acqua induce cariche elettriche ad entrambe le estremità del trasduttore. Questo è il ricevitore d'onda sonora. Se un campo elettrico alternato viene applicato a un foglio di ceramica piezoelettrico, il foglio di ceramica diventerà più sottile e più spesso e di tanto in tanto e vibra e emetterà onde sonore. Questo è un trasmettitore ad ultrasuoni. I trasduttori piezoelettrici sono anche ampiamente utilizzati nel settore per la navigazione subacquea, l'esplorazione oceanica, la misurazione della precisione, la pulizia ad ultrasuoni, il rilevamento solido, l'imaging medico, la diagnosi ultrasonica e il trattamento delle malattie ultrasuoni. Un altro campo di applicazione dei di oggi trasduttori ultrasonici piezoelettrici sono i sistemi di telemetria e telecomando. Esempi di applicazione specifici includono cicalini ceramici piezoelettrici, accensione piezoelettrica, microscopi ad ultrasuoni, ecc.
Il motore ad ultrasuoni piezoelettrici è un nuovo tipo di micromotore che utilizza l'effetto piezoelettrico inverso della ceramica piezoelettrica per generare vibrazioni ad ultrasuoni, amplifica la micro deformazione del materiale attraverso la risonanza e è guidato dall'apprendimento tra la parte vibrante e la parte in movimento, senza il solito elettromagna elettromagnetica. Rispetto ai tradizionali motori elettromagnetici, ha a basso costo, struttura semplice, dimensioni ridotte, ad alta densità di potenza, buone prestazioni a bassa velocità (il funzionamento a bassa velocità può essere ottenuto senza meccanismo di decelerazione), grande coppia e coppia di frenata, risposta rapida e accuratezza di controllo alta, nessun campo magnetico e campo elettrico, nessun campo elettrico elettromagnetico e rumore elettromagnetico. I motori ad ultrasuoni piezoelettrici sono ampiamente utilizzati in strumenti di precisione, aerospaziale, controllo automatico, automazione degli uffici, sistemi micro-meccanici, microassemblaggio, posizionamento di precisione e altri campi a causa delle proprie caratteristiche e vantaggi delle prestazioni. Allo stato attuale, il Giappone è nella posizione principale della tecnologia in questo campo. I motori ad ultrasuoni piezoelettrici sono stati ampiamente utilizzati per la messa a fuoco automatica di fotocamere e videocamere e sono state formate serie di prodotti su larga scala.
Le ceramiche piezoelettriche senza piombo sono anche chiamate ceramiche piezoelettriche compatibili nell'ambiente. Richiede che i materiali ceramici non producano sostanze che possano essere dannose per l'ambiente nel processo di preparazione, uso e smaltimento, in modo da evitare danni alla salute umana e ridurre l'inquinamento ambientale. Tra i vari materiali ceramici piezoelettrici contenenti piombo attualmente utilizzati nell'industria, il contenuto di ossido di piombo rappresenta oltre il 60% della massa totale del materiale. È evidente che questi materiali causano danni al corpo umano e all'ambiente nel processo di produzione, lavorazione, stoccaggio e trasporto, uso e smaltimento dei rifiuti componenti. Pertanto, i materiali in ceramica piezoelettrica ecologici senza piombo sono un'importante direzione di ricerca e sviluppo negli ultimi anni. Tuttavia, i materiali ceramici piezoelettrici attualmente utilizzati sono principalmente basati sulla PZT e le sue prestazioni piezoelettriche sono molto meglio di altri materiali ceramici piezoelettrici. Inoltre, le proprietà elettriche del materiale possono essere regolate attraverso la modifica del doping e il controllo dei processi per soddisfare vari requisiti di applicazione.
Al fine di svolgere un ruolo nell'applicazione di idrofoni, negli anni '70 furono gradualmente sviluppati materiali compositi piezoelettrici. Il materiale composito piezoelettrico è una sorta di materiale composito funzionale con un effetto piezoelettrico composto da fase ceramica piezoelettrica e fase polimerica in una certa modalità di connessione. A causa dell'aggiunta della fase polimerica flessibile, la densità, l'impedenza acustica e la costante dielettrica del materiale composito piezoelettrico sono ridotti, mentre la figura di merito e il coefficiente di accoppiamento elettromeccanico del materiale composito sono migliorati, che sono migliorati per la gocce di corrifiette e il coefficiente di accoppiamento elettromeelettrico. Svantaggi dell'elevato costo dei polimeri. Oltre ad essere utilizzati come idrofoni, i compositi piezoelettrici sono utilizzati anche nei campi industriali, medici e di comunicazione. Dopo oltre 40 anni di ricerche continue sui compositi piezoelettrici, la sua ricerca sull'applicazione ha fatto notevoli progressi, ma la sua teoria completa non è stata ancora stabilita e il suo sviluppo delle applicazioni deve ancora essere esplorato. Allo stato attuale, la ricerca di materiali compositi piezoelettrici si concentra principalmente sullo sviluppo di tipi di connessione, il miglioramento dei processi di stampaggio e la preparazione di dispositivi multifunzionali.
Con il rapido sviluppo della nanotecnologia negli ultimi anni, le nanoceramiche hanno gradualmente attirato l'attenzione delle persone. La nanopowder è formata e sinterizzata per formare una nano ceramica densa e uniforme. La tenacità, la resistenza e la superplasticità del materiale sono state notevolmente migliorate, il che supera molte carenze della ceramica ingegneristica e ha un impatto importante sulle proprietà meccaniche, elettriche, termiche, magnetiche e ottiche del materiale. Selezionando il sistema di composizione del materiale e aggiungendo particelle di nano-scala, baffi, fibre di wafer, ecc. Per modificarlo, è possibile ottenere materiali ceramici piezoelettrici nano con alte prestazioni e sinterizzazione a bassa temperatura. Controllando la crescita dei grani nanocristallini, possono essere ottenuti effetti di confinamento quantistico e ferroelettrici con strane proprietà per migliorare la conversione elettromeccanica e le proprietà del rilascio termico dei materiali pirolisi piezoelettrici. Vari tipi di trasformatori piezoelettrici, driver piezoelettrici, tecnologia di saldatura ad ultrasuoni ad alta potenza, alimentatori vibranti piezoelettrici, nuove tecnologie CVD ultrasuoni e ingegneria ad alta potenza ad alta potenza a sostegno delle centrali nucleari che si sono sviluppate rapidamente negli ultimi anni sono tutte nano-ceramiche nella piezoelettricità.
Con la comprensione approfondita della struttura dei materiali e la ricerca e l'espansione della tecnologia delle applicazioni, i materiali ceramici piezoelettrici saranno ampiamente utilizzati in campi ad alta tecnologia come tecnologia elettronica, tecnologia di comunicazione, tecnologia laser e biotecnologia. Con il rapido sviluppo di questi campi e le nuove esigenze di sviluppo economico e sociale, ci saranno requisiti più elevati per le prestazioni della ceramica piezoelettrica, come la temperatura elevata di curie, l'alto coefficiente di accoppiamento elettromeccanico e il fattore di qualità meccanica.
