Türk diliGörüntüleme sayısı:156 Yazar:Bu siteyi düzenle Gönderildi: 2020-12-08 Kaynak:Bu site
Piezoelektrik seramikler, yüksek sıcaklık sinterleme ve katı faz reaksiyonundan sonra ve piezoelektrik etkisi için toplu olarak piezoelektrik etkisi olmasını sağlamak için DC yüksek voltaj polarizasyon tedavisi yoluyla karışık oksitlerden (zirkonya, kurşun oksit, titanyum oksit, vb.) Ferroelektrik seramiklerdir. Mekanik enerjiyi ve elektrik enerjisini dönüştürebilen fonksiyonel bir seramik malzemedir. İyi mekanik özellikleri ve stabil piezoelektrik özellikleri nedeniyle, önemli bir kuvvet, ısı, elektrik ve ışığa duyarlı fonksiyonel materyal olarak piezoelektrik seramikler, sensörlerde, yaygın olarak kullanılmıştır . ultrasonik dönüştürücülerde , mikro-displacers ve diğer elektronik bileşenlerde Malzeme teknolojisinin sürekli araştırılması ve iyileştirilmesi ile elektronik, bilgi, havacılık ve uzay vb. Gibi yüksek teknoloji alanlarının hızlı geliştirilmesi, üretim teknolojisi ve son derece akıllı yeni malzemeler içeren piezoelektrik seramiklerin uygulama geliştirmesi sıcak konulardır.
Piezoelektrik seramiklerin serbest elektronları polarizasyondan önce düzensiz düzenlenmiştir. Polarizasyon tedavisinden sonra, kalıntı polarizasyon anizotropik polikristalin haline gelmek için polarizasyon yönü boyunca üretilir. Serbest elektronlar tutarlı olma eğilimindedir ve piezoelektrik büyük ölçüde arttırılır. Şekil 1 ve Şekil 2'de gösterildiği gibi, piezoelektrik seramik malzeme herhangi bir şekle ve polarizasyon yönüne dönüştürülebilir. Polarizasyondan önce ve sonra piezoelektrik seramik malzemeler farklı dielektrik sabitleri (ε) ve piezoelektrik sabitleri (d) vardır.
Polarizasyondan önce dielektrik sabitini ayarlayın:
ε11 = ε22 = ε33. Piezoelektrik malzeme 3 yönünde polarize edilirse, diğer iki elektrot yüzeyi polarizasyon yönüne diktir. Polarizasyondan sonra dielektrik sabiti: ε11 = ε22 ≠ ε33 ve ε33 değeri ε11'den çok daha büyüktür. Piezoelektrik seramiklerin piezoelektrik sabiti de anizotropiktir ve piezoelektrik sabitinin D değeri de farklı yönlerde farklıdır. Bunlar arasında, 3 yönü boyunca değer en büyük, yani D33> D31 ve D32'dir. Bir ampermetre ile ölçülürken, sadece D33'ün akımı vardır ve diğer iki yönde hiçbir akım üretilmez. Piezoelektrik seramiklerin polarizasyonu mıknatısların mıknatıslanmasına çok benzer ve mıknatıslanmadan önce ve sonra manyetik alan mukavemeti büyük ölçüde değişecektir.
Piezoelektrik seramiklerin düşük sıcaklık sinterleme teknolojisi üzerine yapılan araştırma, genellikle sinterleme yardımı eklemenin ve sinterleme sıcaklığını azaltmak için süreci iyileştirmenin iki yönünden, 1960'dan sonra başladı. 1980'lerden bu yana, yurtiçinde ve yurtdışındaki akademisyenler piezoelektrik seramiklerin düşük sıcaklıkta sinterlenmesi hakkında kapsamlı araştırmalar yaptılar. Tsinghua Üniversitesi'nden Li Longshi, PZT ikili sistemine bir ortak çözücü ekledi ve iyi performansa sahip bir malzeme geliştirdi ve 960 santigrat derece düşük sıcaklıkta sinterlendi. S. Yill ve ark. Düşük sıcaklıklarda mükemmel performansa sahip kurşunsuz piezoelektrik seramik malzemeleri hazırlamak için KNN bazlı seramiklere sinterleme yardımcıları eklendi. Buna ek olarak, araştırmacılar da süreci iyileştirmede birçok yararlı keşif gerçekleştirdiler ve belirli sonuçlar elde etmişlerdir.
Piezoelektrik seramik malzemelerin sinterleme sıcaklığının düşürülmesi genellikle birlikte çözücü eklemenin ve işlemi iyileştirmenin iki yönünden gerçekleştirilir. Esas olarak aşağıdaki dört yöntem vardır:
Temel malzemeye akı ekleyerek, üç düşük sıcaklık sinterleme yöntemi vardır:
İlk yol, katı bir çözelti oluşturarak sinterleme sıcaklığını azaltmaktır. İyon replasmanı, kristal kafesin bozulmasına neden olur, yapısal kusurları arttırır ve elektrik alanları arasındaki bariyeri azaltır, böylece iyon difüzyonunu kolaylaştırır ve sinterlemeyi teşvik eder. İkinci yol, sıvı faz sinterlemesini oluşturarak sinterleme sıcaklığını azaltmaktır. Tahıl yeniden düzenlemesi ve sıvı faz sinterlemesinde güçlendirilmiş temas, tane sınır hareketliliğini artırabilir, gözenekleri tamamen boşalabilir, kristal tanelerin büyümesini teşvik edebilir, porselen vücudun yoğunluğunu artırabilir ve sinterleme sıcaklığını azaltma amacına ulaşabilir. Üçüncü yol, sinterleme sıcaklığını azaltmak ve geçiş sıvı fazı sinterleme yoluyla performansı artırmaktır. Düşük erime noktası katkı maddeleri önce sinterleme işlemi sırasında sinterlemeyi teşvik etmek için sıvı bir faz oluşturur ve daha sonra geç sinterleme işleminde son aşama olarak hizmet eder, ana kristal faza geri çekilir ve doping modifikasyonunun rolünü oynar.
Düşük erime noktası katkı maddelerinin bu 'ikili efekti' sinterleme sıcaklığını 250-300 ℃ azaltabilir ve performansı artırabilir.
Kimyasal sentez yöntemi sinterleme sıcaklığını azaltabilir, ancak soğutma aralığı sınırlıdır ve malzemenin sinterleme sıcaklığı hala 1000 ℃ 'den daha yüksektir.
Sıcak basma sinterleme, seramiklerin sinterleme itici gücünü artırabilir ve gözeneklerin veya boşlukların tahıl sınırından seramik gövdeye difüzyonunu kolaylaştırabilir, böylece seramik gövdenin yoğunluğunu arttırır ve sinterleme sıcaklığını azaltabilir. Sıcak basın sinterlenmiş PZT piezoelektrik seramik malzeme kullanılarak sinterleme sıcaklığı 150-200 ℃ azalır ve performans da çok iyileştirilir.
Yüz binlerce atmosfer basıncı altında, toz yoğunlaştırılabilir ve sinterlenebilir. Örneğin, impisif PZT seramik tozu 150.000 atmosferde soğuk preslenmişti ve sonuç olarak, 7.2g/cm yoğunluğa sahip bir seramik gövde elde edildi (teorik yoğunluğun% 90'ı) elde edildi ve seramik tozu başlangıçta dünyevi sarı idi. Soğuk preslenmiş ve gri siyah bir porselen gövdeye sinterlenmiş.
Yukarıdaki araştırmaları yurtiçinde ve yurtdışında piezoelektrik seramik malzemelerin düşük sıcaklıkta sinterlemesi ile karşılaştırın. Aşağıdaki sonuçlar vardır:
(1) Sinterleme sıcaklığını düşürmek için katı bir çözelti oluştururken, iyon replasmanı belirli koşullar altında gerçekleştirilmeli ve sonuçta ortaya çıkan yapısal kusurlar sınırlıdır, bu nedenle sıcaklık düşüşü genellikle 200 ℃ içinde büyük değildir.
(2) Bir sıvı fazın oluşumu yoluyla sinterleme sıcaklığının düşürülmesinin etkisi açıktır, ancak sıvı faz ürünü seramik mikroyapında kalır. Bu düşük erime noktası ürününün varlığı, malzemenin mekanik mukavemetinin, dielektrik özelliklerinin ve piezoelektrik özelliklerinin azalmasına neden olacaktır.
(3) Toz kimyasal sentez ile yapıldığında sinterleme sıcaklığı hala 1000 santigrat dereceden daha yüksektir. Ek olarak, çözeltideki çeşitli metal iyonlarının farklı bileşik yetenekleri nedeniyle, dehidrasyon veya kalsiyans işlemi sırasında, bileşikler diğer bileşikleri ayırabilir veya oluşturabilir. Tüm hammaddelerin kimyasal sentez ile hazırlanamayacağı görülebilir.
(4) Sıcak basan sinterleme işlemi sırasında, piezoelektrik özelliklerini yönlü hale getirmek için kristal tane oryantasyonu üretilecektir. Seramik gövde, piezoelektrik özellikleri etkileyecek daha fazla iç stres üretmek için kalıpta soğutulacaktır ve sinterleme sıcaklığı çok düşük alçaltılamaz.
(5) Düşük erime noktası katkı maddelerinin 'ikili etkisinin ' kullanılması, düşük maliyet ve basit işlemle malzemenin piezoelektrik özelliklerini iyileştirirken sinterleme sıcaklığını büyük ölçüde azaltabilir. Bu, piezoelektrik seramiklerin düşük sıcaklıkta sinterlenmesi için ideal bir yöntemdir.
1942'de ilk seramik piezoelektrik malzeme baryum titanatın doğumundan bu yana, piezoelektrik seramiklerin bir uygulama ürünü olarak, insanların yaşamlarının tüm yönlerine yayılmıştır. Piezoelektrik malzemelerin elektromekanik bağlantının bağlantısı olarak uygulanması kabaca iki yöne ayrılabilir: piezoelektrik rezonatörler tarafından temsil edilen piezoelektrik seramik frekans kontrol cihazlarının uygulanması ve mekanik enerji ve elektrik enerjisini dönüştüren yarı statik uygulamaların uygulanması.
Polarize piezoelektrik seramik, yani piezoelektrik vibratör, boyutuna göre belirlenen doğal titreşim frekansına sahiptir ve piezoelektrik etki stabil elektrik salınımı elde edebilir. Uygulanan voltajın frekansı, piezoelektrik vibratörün doğal titreşim frekansı ile aynı olduğunda, rezonansa neden olur ve genlik büyük ölçüde artırılır. Bu işlemde, alternatif elektrik alanı, ters piezoelektrik etki yoluyla gerilme üretir ve suş pozitif piezoelektrik etki yoluyla bir akım üretir. Elektrik enerjisi ve mekanik enerji arasındaki maksimum karşılıklı dönüşümü gerçekleştirin. Piezoelektrik vibratörlerin özelliklerini kullanarak çeşitli filtreler, rezonatörler ve diğer cihazlar üretilebilir. Bu cihazlar düşük maliyetli, küçük boyut, nem emilimi, uzun ömür, iyi frekans stabilitesi, LC filtrelerinden daha yüksek eşdeğer kalite faktörüne, geniş frekans aralığına ve yüksek doğruluğa sahiptir, özellikle çok kanallı iletişim ve genlik modülasyonu alımında kullanılır ve çeşitli radyo iletişim ve ölçüm araçları anti-müdahale yeteneğini geliştirebilir. Bu yüzden elektromanyetik osilatörlerin ve filtrelerin önemli bir bölümünü değiştirdi ve bu eğilim hala gelişiyor.
Piezoelektrik transformatörler, elektrik enerjisinin karşılıklı dönüşümünün özellikleri ve piezoelektrik etkinin mekanik enerjisi kullanılarak yapılır. İki bölümden oluşur, bir giriş ucu ve bir çıkış ucu ve polarizasyon yönleri birbirine diktir. Giriş ucu kalınlık yönünde polarize edilir ve uzunlamasına titreşim için alternatif voltaj uygulanır. Ters piezoelektrik etki nedeniyle, çıkışta yüksek voltaj çıkışı olacaktır. Piezoelektrik seramik transformatör yeni bir katı hal elektronik cihazdır. Geleneksel elektromanyetik transformatör ile karşılaştırıldığında, basit bir yapıya, küçük boyut, hafif, büyük transformasyon oranı, iyi stabilite, elektromanyetik parazit ve gürültü yok, yüksek verimlilik, yüksek enerji yoğunluğu, yüksek güvenlik, hiçbir sarma, yanma avantajları yok, manyetik sızıntı fenomeni ve elektromanyetik radyasyon kirliliğine sahip değil.
Piezoelektrik seramik transformatörün çalışma moduna göre, aşağıdaki kategorilere ayrılabilir: Rosen tipi piezoelektrik seramik transformatör, Kalınlık Titreşim Modu piezoelektrik seramik transformatör, radyal titreşim modu piezoelektrik seramik transformatör. Son yıllarda, iki giriş terminaline sahip üçüncü dereceden titreşim modu rosen piezoelektrik seramik transformatör ve yüksek güçlü çok katmanlı piezoelektrik seramik transformatör gibi daha iyi performansa sahip bazı piezoelektrik transformatörler ortaya çıktı. Şu anda, piezoelektrik seramik transformatörler esas olarak AC-DC, DC-DC ve diğer güç cihazları ve soğuk katot tüpleri, neon tüpleri, lazer tüpleri, lazer tüpleri ve yüksek voltajlı elektrostatik püskürtme, yüksek voltajlı elektrostatik flock ve radar ekran tüpünün sürüşü gibi yüksek voltaj üretim cihazları için kullanılmaktadır.
Piezoelektrik dönüştürücü, elektrik enerjisi ve ses enerjisinin karşılıklı dönüşümünü gerçekleştirmek için piezoelektrik seramiklerin piezoelektrik etkisini ve ters piezoelektrik etkiyi kullanır. Piezoelektrik ultrasonik dönüştürücü bunlardan biridir. Su altında ultrasonik dalgaları ileten ve alan bir sualtı akustik cihazdır. Ses dalgalarının etkisi altında, sudaki piezoelektrik dönüştürücü, dönüştürücünün her iki ucunda elektrik yüklerine neden olur. Bu ses dalgası alıcısı. Bir piezoelektrik seramik tabakaya alternatif bir elektrik alanı uygulanırsa, seramik tabaka zaman zaman daha ince ve kalınlaşır ve titreşecek ve ses dalgaları yayar. Bu ultrasonik bir vericidir. Piezoelektrik transdüserler sektörde sualtı navigasyonu, okyanus keşfi, hassas ölçüm, ultrasonik temizlik, katı tespit, tıbbi görüntüleme, ultrasonik tanı ve ultrasonik hastalık tedavisi için yaygın olarak kullanılmaktadır. Bugünün piezoelektrik ultrasonik dönüştürücülerinin bir başka uygulama alanı telemetri ve uzaktan kumanda sistemleridir. Özel uygulama örnekleri arasında piezoelektrik seramik buzzerler, piezoelektrik ateşleyiciler, ultrasonik mikroskoplar, vb.
Piezoelektrik ultrasonik motor, ultrasonik titreşim üretmek için piezoelektrik seramiklerin ters piezoelektrik etkisini kullanan yeni bir mikromotor türüdür, materyalin mikro deformasyonunu, titreşen kısım ve hareketli kısım arasındaki sürtünme tarafından sürüklenir. Geleneksel elektromanyetik motorlarla karşılaştırıldığında, düşük maliyetli, basit yapıya, küçük boyut, yüksek güç yoğunluğu, iyi düşük hızlı performans (yavaşlama mekanizması olmadan düşük hızlı çalışma elde edilebilir), büyük tork ve frenleme torku, hızlı tepki ve kontrol doğruluğu yüksek, manyetik alan ve elektrik alanı, elektromanyetik girişim ve elektromanyetik gürültü yoktur. Piezoelektrik ultrasonik motorlar, hassas enstrümanlar, havacılık, otomatik kontrol, ofis otomasyonu, mikro-mekanik sistemler, mikro montaj, hassas konumlandırma ve diğer alanlarda kendi özellikleri ve performans avantajları nedeniyle yaygın olarak kullanılmaktadır. Şu anda, Japonya bu alanda teknolojinin önde gelen konumundadır. Piezoelektrik ultrasonik motorlar, kameraların ve video kameraların otomatik olarak odaklanması için yaygın olarak kullanılmaktadır ve büyük ölçekli ürün serileri oluşmuştur.
Kurşunsuz piezoelektrik seramiklere çevre açısından uyumlu piezoelektrik seramikler de denir. Seramik malzemelerin, insan sağlığına zarar vermek ve çevre kirliliğini azaltmak için hazırlık, kullanım ve bertaraf sürecinde çevreye zararlı olabilecek maddeler üretmemesini gerektirir. Şu anda endüstride kullanılan çeşitli kurşun içeren piezoelektrik seramik malzemeler arasında, kurşun oksit içeriği, malzemenin toplam kütlesinin% 60'ından fazlasını oluşturmaktadır. Bu malzemelerin bileşen üretimi, işleme, depolama ve nakliye, kullanım ve atık bertarafı sürecinde insan vücuduna ve çevreye zarar verdiği açıktır. Bu nedenle, kurşunsuz çevre dostu piezoelektrik seramik malzemeler son yıllarda önemli bir araştırma ve geliştirme yönüdür. Bununla birlikte, şu anda kullanılan piezoelektrik seramik malzemeleri esas olarak PZT'ye dayanmaktadır ve piezoelektrik performansı diğer piezoelektrik seramik malzemelerden çok daha iyidir. Ayrıca, malzemenin elektriksel özellikleri, çeşitli uygulama gereksinimlerini karşılamak için doping modifikasyonu ve işlem kontrolü ile ayarlanabilir.
Hidrofonların uygulanmasında rol oynamak için, 1970'lerde piezoelektrik kompozit malzemeler kademeli olarak geliştirilmiştir. Piezoelektrik kompozit malzeme, belirli bir bağlantı modunda piezoelektrik seramik faz ve polimer fazından oluşan piezoelektrik etkiye sahip bir tür fonksiyonel kompozit malzemedir. Esnek polimer fazının ilave edilmesi nedeniyle, piezoelektrik kompozit malzemenin yoğunluğu, akustik empedans ve dielektrik sabiti azalırken, kompozit malzemenin liyakat ve elektromekanik bağlantı katsayısı iyileştirilir, bu da basit piyonoelektrik seramiklerinin peezoelektrikliğini aşar. Polimerlerin yüksek maliyetinin dezavantajları. Hidrofon olarak kullanılmasına ek olarak, piezoelektrik kompozitler endüstriyel, tıbbi ve iletişim alanlarında da kullanılır. Piezoelektrik kompozitler hakkında 40 yılı aşkın süredir sürekli araştırmalardan sonra, uygulama araştırması önemli bir ilerleme kaydetmiştir, ancak tam teorisi henüz kurulmamış ve uygulama geliştirme henüz araştırılmamıştır. Şu anda, piezoelektrik kompozit malzemelerin araştırılması esas olarak bağlantı türlerinin geliştirilmesi, kalıplama işlemlerinin iyileştirilmesi ve çok işlevli cihazların hazırlanmasına odaklanmaktadır.
Son yıllarda nanoteknolojinin hızlı gelişimi ile nanoseramikler yavaş yavaş insanların dikkatini çekti. Nanopowder, yoğun ve düzgün bir dökme nano seramik oluşturmak için oluşur ve sindirilir. Malzemenin tokluğu, gücü ve süperplastikliği, mühendislik seramiklerinin birçok eksikliğini aşan ve malzemenin mekanik, elektriksel, termal, manyetik ve optik özellikleri üzerinde önemli bir etkiye sahip olan büyük ölçüde iyileştirilmiştir. Malzeme bileşimi sistemini seçerek ve nano ölçekli parçacıklar, bıyıklar, gofret lifleri vb. Ekleyerek, onu değiştirmek için yüksek performanslı ve düşük sıcaklık sinterlemeli nano piezoelektrik seramik malzemeler elde edilebilir. Nanokristal tanelerin büyümesini kontrol ederek, piezoelektrik piroliz malzemelerinin elektromekanik dönüşümünü ve termal salım özelliklerini geliştirmek için kuantum hapsetme etkileri ve garip özelliklere sahip ferroelektrikler elde edilebilir. Çeşitli piezoelektrik transformatörler, piezoelektrik sürücüler, yüksek güçlü ultrasonik kaynak teknolojisi, piezoelektrik titreşimli besleyiciler, yeni ultrasonik CVD teknolojisi ve son yıllarda hızla gelişen nükleer enerji santrallerini destekleyen yüksek güçlü ultrasonik mühendislik piezoelektrikliğinde nano-seramiklerdir.
Malzeme yapısının derinlemesine anlaşılması ve uygulama teknolojisinin araştırma ve genişlemesi ile piezoelektrik seramik malzemeler elektronik teknoloji, iletişim teknolojisi, lazer teknolojisi ve biyoteknoloji gibi yüksek teknoloji alanlarında yaygın olarak kullanılacaktır. Bu alanların hızlı gelişimi ve yeni ekonomik ve sosyal kalkınma ihtiyaçları ile, yüksek curie sıcaklığı, yüksek elektromekanik bağlantı katsayısı ve mekanik kalite faktörü gibi piezoelektrik seramiklerin performansı için daha yüksek gereksinimler olacaktır.
