DeutschAnzahl Durchsuchen:156 Autor:Site Editor veröffentlichen Zeit: 2020-12-08 Herkunft:Powered
Piezoelektrische Keramik sind ferroelektrische Keramik, die aus gemischten Oxiden (Zirkonia, Bleioxid, Titanoxid usw.) bestehen, nach Hochtemperatur-Sintering und fester Phasenreaktion und durch DC-Hochspannungspolarisationsbehandlung eine piezoelektrische Wirkung gemeinsam. Es ist ein funktionelles Keramikmaterial, das mechanische Energie und elektrische Energie umwandeln kann. Aufgrund seiner guten mechanischen Eigenschaften und stabilen piezoelektrischen Eigenschaften wurden piezoelektrische Keramiken als wichtige Kraft, Wärme, Elektrizität und lichtempfindliches Funktionsmaterial in Sensoren, Ultraschallwandlern , Mikrodisplacern und anderen elektronischen Komponenten weit verbreitet. Mit der kontinuierlichen Forschung und Verbesserung der materiellen Technologie sowie der schnellen Entwicklung von High-Tech-Feldern wie Elektronik, Informationen, Luft- und Raumfahrt usw. sind die Produktionstechnologie und die Anwendungsentwicklung von piezoelektrischen Keramiken, die hochintelligente neue Materialien enthalten, heiße Themen.
Die freien Elektronen der piezoelektrischen Keramik sind vor der Polarisierung ungeordnet. Nach der Polarisationsbehandlung wird die Restpolarisation entlang der Polarisationsrichtung erzeugt, um anisotrope Polykristallin zu werden. Die freien Elektronen sind in der Regel konsistent und die Piezoelektrizität wird erheblich verbessert. Wie in Abbildung 1 und Abbildung 2 gezeigt, kann das piezoelektrische Keramikmaterial in eine beliebige Form und Polarisationsrichtung verarbeitet werden. Piezoelektrische Keramikmaterialien vor und nach der Polarisation haben unterschiedliche dielektrische Konstanten (ε) und piezoelektrische Konstanten (D).
Stellen Sie die Dielektrizitätskonstante vor der Polarisation ein:
ε11 = ε22 = ε33. Wenn das piezoelektrische Material in Richtung 3 polarisiert ist, sind die beiden anderen Elektrodenoberflächen senkrecht zur Polarisationsrichtung. Die dielektrische Konstante nach der Polarisation: ε11 = ε22 ≠ ε33 und der Wert von ε33 ist viel größer als ε11. Die piezoelektrische Konstante der piezoelektrischen Keramik ist ebenfalls anisotrop, und der Wert der piezoelektrischen Konstante D ist ebenfalls in unterschiedlichen Richtungen unterschiedlich. Unter ihnen ist der Wert entlang der Richtung 3 der größte, dh D33> D31 und D32. Bei der Messung mit einem Amperemeter hat nur D33 Strom und in den beiden anderen Richtungen wird kein Strom erzeugt. Die Polarisation der piezoelektrischen Keramik ist der Magnetisierung von Magneten sehr ähnlich, und die Magnetfeldstärke vor und nach der Magnetisierung ändert sich stark.
Die Untersuchung der Sintertechnologie mit niedriger Temperature der piezoelektrischen Keramik begann nach 1960, normalerweise von den beiden Aspekten des Hinzufügens von Sinterhilfe und Verbesserung des Prozesses zur Verringerung der Sintertemperatur. Seit den 1980er Jahren haben Wissenschaftler im In- und Ausland umfangreiche Untersuchungen zum Sintern der piezoelektrischen Keramik mit niedriger Temperatur durchgeführt. Li Longshi von der Tsinghua University fügte dem PZT-Binärsystem ein Co-Lösungsmittel hinzu und entwickelte ein Material mit einer guten Leistung und sorgte bei einer niedrigen Temperatur von 960 Grad Celsius. Q. Yill et al. Sinterhilfen für Keramik auf KNN-basierten Keramik hinzugefügt, um badfreie piezoelektrische Keramikmaterialien mit hervorragender Leistung bei niedrigen Temperaturen vorzubereiten. Darüber hinaus haben Forscher auch viele nützliche Erkundungen zur Verbesserung des Prozesses durchgeführt und bestimmte Ergebnisse erzielt.
Die Sentertemperatur von piezoelektrischen Keramikmaterialien wird normalerweise aus den beiden Aspekten der Addition des Co-Lösungsmittels und der Verbesserung des Prozesses durchgeführt. Es gibt hauptsächlich die folgenden vier Methoden:
Wenn Sie dem Basismaterial Fluss hinzufügen, gibt es drei Sintermethoden mit niedriger Temperatur:
Der erste Weg besteht darin, die Sintertemperatur durch Bildung einer festen Lösung zu reduzieren. Der Ersatz von Ionen führt zu einer Verzerrung des Kristallgitters, erhöht die Strukturdefekte und verringert die Barriere zwischen elektrischen Domänen, wodurch die Ionendiffusion und die Förderung des Sinterns erleichtert werden. Der zweite Weg besteht darin, die Sintertemperatur durch Bildung des Sinterns der flüssigen Phase zu reduzieren. Die Getreideumlagerung und der gestärkte Kontakt beim Sintern der Flüssigphasen können die Korngrenze mobile, die Poren vollständig abladen, das Wachstum von Kristallkörnern fördern, die Dichte des Porzellankörpers erhöhen und den Zweck der Reduzierung der Sintertemperatur erreichen. Der dritte Weg besteht darin, die Sintertemperatur zu reduzieren und die Leistung durch Übergangs -Flüssigphasensintern zu verbessern. Die niedrigen Schmelzpunkt -Additive bilden zunächst eine flüssige Phase, um das Sintern während des Sinterprozesses zu fördern und dann als letzte Phase des späten Sinterprozesses zu dienen, in die kristalline Hauptphase zurückzulegen und eine Rolle der Doping -Modifikation zu spielen.
Dieser 'doppelte Effekt ' von niedrigen Schmelzpunktadditiven kann die Sintertemperatur um 250-300 ℃ reduzieren und die Leistung verbessern.
Die chemische Synthesemethode kann die Sintertemperatur verringern, der Kühlbereich ist jedoch begrenzt und die Sintertemperatur des Materials ist immer noch höher als 1000 ° C.
Das heißdruckende Sintern kann die Sintertriebkraft der Keramik erhöhen und die Diffusion von Poren oder offenen Stellen von der Korngrenze zum Keramikkörper erleichtern, wodurch die Dichte des Keramikkörpers und die Verringerung der Sintertemperatur erhöht wird. Unter Verwendung von PZT-piezoelektrischem Keramikmaterial von Heißpressetemperatur wird die Sintertemperatur um 150-200 ° C reduziert und die Leistung wird ebenfalls stark verbessert.
Unter dem Druck von Hunderttausenden von Atmosphären kann das Pulver verdichtet und gesintert werden. Zum Beispiel wurde das emissionsive PZT-Keramikpulver bei 150.000 Atmosphären kalt gepresst, und infolgedessen wurde ein Keramikkörper mit einer Dichte von 7,2 g/cm (90% der theoretischen Dichte) erhalten, und das Keramikpulver war ursprünglich erdig gelb. Kaltgepresst und in einen grau-schwarzen Porzellankörper gesintert.
Vergleichen Sie die obigen Forschungen zum Sintern von piezoelektrischen Keramikmaterialien im In- und Ausland. Es gibt die folgenden Schlussfolgerungen:
(1) Bei der Bildung einer festen Lösung, um die Sintertemperatur zu senken, muss der Ionenersatz unter bestimmten Bedingungen durchgeführt werden, und die resultierenden strukturellen Defekte sind begrenzt, sodass der Temperaturabfall im Allgemeinen innerhalb von 200 ℃ nicht groß ist.
(2) Die Auswirkung der Senkung der Sintertemperatur durch die Bildung einer flüssigen Phase ist offensichtlich, aber das Produkt der flüssigen Phase bleibt in der Keramikmikrostruktur. Die Existenz dieses Produktprodukts mit niedrigem Schmelzpunkt führt zu mechanischen Festigkeit des Materials, der dielektrischen Eigenschaften und der piezoelektrischen Eigenschaften zum Abnehmen
(3) Die Sintertemperatur, wenn das Pulver durch chemische Synthese hergestellt wird, ist immer noch mehr als 1000 Grad Celsius. Zusätzlich können sich aufgrund der unterschiedlichen Verbundkapazitäten verschiedener Metallionen in der Lösung während des Dehydratisierungs- oder Kalkinierungsprozesses andere Verbindungen trennen oder bilden. Es ist ersichtlich, dass nicht alle Rohstoffe durch chemische Synthese hergestellt werden können.
(4) Während des heißdruckenden Sinterprozesses wird die Kristallkornorientierung erzeugt, um seine piezoelektrischen Eigenschaften zur Richtlinie zu machen. Der Keramikkörper wird in der Form abgekühlt, um eine größere innere Spannung zu erzeugen, die die piezoelektrischen Eigenschaften beeinflusst, und die Sintertemperatur kann nicht zu niedrig gesenkt werden.
(5) Die Verwendung des 'doppelten Effekts ' von niedrigen Schmelzpunktadditiven kann die Sintertemperatur erheblich reduzieren und gleichzeitig die piezoelektrischen Eigenschaften des Materials mit kostengünstigen und einfachen Prozessen verbessern. Dies ist eine ideale Methode für das Sintern der piezoelektrischen Keramik mit niedrigem Temperatur.
Seit der Geburt des ersten Keramik -Piezoelektrikum -Barium -Titanats im Jahr 1942 als Anwendungsprodukt der piezoelektrischen Keramik hat es sich in allen Aspekten des Lebens der Menschen ausgebreitet. Die Anwendung von piezoelektrischen Materialien als Verbindung der elektromechanischen Kopplung kann grob in zwei Aspekte unterteilt werden: die Anwendung von piezoelektrischen Keramikfrequenzkontrollgeräten, die durch piezoelektrische Resonatoren und die Anwendung von quasi statischen Anwendungen dargestellt werden, die mechanische Energie und elektrische Energie konvertieren.
Die polarisierte piezoelektrische Keramik, dh der piezoelektrische Vibrator, hat die natürliche Schwingungsfrequenz, die durch seine Größe bestimmt wird, und der piezoelektrische Effekt kann eine stabile elektrische Schwingung erhalten. Wenn die Frequenz der angelegten Spannung der natürlichen Schwingungsfrequenz des piezoelektrischen Vibrators entspricht, wird eine Resonanz verursacht und die Amplitude erheblich erhöht. In diesem Prozess erzeugt das alternierende elektrische Feld die Dehnung durch den inversen piezoelektrischen Effekt, und der Dehnungsstamm erzeugt einen Strom durch den positiven piezoelektrischen Effekt. Realisieren Sie die maximale gegenseitige Umwandlung zwischen elektrischer Energie und mechanischer Energie. Unter Verwendung der Eigenschaften von piezoelektrischen Vibratoren können verschiedene Filter, Resonatoren und andere Geräte hergestellt werden. Diese Geräte weisen niedrige Kosten, geringe Größe, keine Feuchtigkeitsabsorption, lange Lebensdauer, gute Frequenzstabilität, höhere äquivalente Qualitätsfaktor als LC-Filter, breite Frequenzbereich und hohe Genauigkeit auf, insbesondere bei der Kommunikations- und Amplitudenmodulationsempfang von Multi-Channel und verschiedenen Funkkommunikation und Messungsinstrumenten können die Fähigkeit zur Anti-Interferenz verbessern. Daher hat es einen beträchtlichen Teil elektromagnetischer Oszillatoren und Filter ersetzt, und dieser Trend entwickelt sich noch.
Piezoelektrische Transformatoren werden unter Verwendung der Eigenschaften der gegenseitigen Umwandlung der elektrischen Energie und der mechanischen Energie des piezoelektrischen Effekts durchgeführt. Es besteht aus zwei Teilen, einem Eingangsende und einem Ausgangsende, und die Polarisationsrichtungen sind senkrecht zueinander. Das Eingangsende ist in Dickungsrichtung polarisiert und die Wechselspannung wird für die Längsschwingung angelegt. Aufgrund des inversen piezoelektrischen Effekts wird am Ausgang einen Hochspannungsausgang auftreten. Der piezoelektrische Keramiktransformator ist eine neue Art des elektronischen Festkörpergeräts. Im Vergleich zum traditionellen elektromagnetischen Transformator weist es eine einfache Struktur, eine geringe Größe, ein leichtes, großes Transformationsverhältnis, eine gute Stabilität, keine elektromagnetische Interferenz und Rauschen, hohe Effizienz, hohe Energiedichte, hohe Sicherheit, keine Wickelung, nein die Vorteile der Verbrennung, die Verschmutzung des magnetischen Lecks und keine elektromagnetische Strahlungsverschmutzung.
Nach dem Arbeitsmodus des piezoelektrischen Keramiktransformators kann er in die folgenden Kategorien unterteilt werden: Rosen -Piezoelektrik -Keramiktransformator, Piezoelektrikum Keramiktransformator der Dickenschwingungsmodus, radialer Vibrationsmodus Piezoelektrischer Keramiktransformator. In den letzten Jahren sind einige piezoelektrische Transformatoren mit einer besseren Leistung aufgetreten, wie der Vibrationsmodus dritter Ordnung, der Rosen-Piezoelektrikum-Keramiktransformator mit zwei Eingangsanschlüssen und dem Hochleistungs-Multilayer-Piezoelektrikum-Keramiktransformator mit hoher Leistung. Gegenwärtig werden piezoelektrische Keramiktransformatoren hauptsächlich für AC-DC-, DC-DC- und andere Leistungsgeräte sowie für Hochspannungserzeugungsgeräte wie kalte Kathodenrohre, Neonrohre, Laserrohre und kleine Röntgenröhrchen, Hochspannung elektrostatisches Sprühen, Hochspannungs-Elektro-Elektros und Fahren und Fahren von Röntgenröhrchen usw. usw. verwendet.
Der piezoelektrische Wandler verwendet den piezoelektrischen Effekt der piezoelektrischen Keramik und den umgekehrten piezoelektrischen Effekt, um die gegenseitige Umwandlung von elektrischer Energie und Schallenergie zu realisieren. Der piezoelektrische Ultraschallwandler ist einer von ihnen. Es ist ein akustisches Unterwassergerät, das Ultraschallwellen unter Wasser überträgt und empfängt. Unter der Wirkung von Schallwellen induziert der piezoelektrische Wandler im Wasser an beiden Enden des Wandlers elektrische Ladungen. Dies ist der Soundwellenempfänger. Wenn ein alternierendes elektrisches Feld auf ein piezoelektrisches Keramikblatt aufgetragen wird, wird das Keramikblatt von Zeit zu Zeit dünner und dicker und vibriert und emittiert Schallwellen. Dies ist ein Ultraschallsender. Piezoelektrische Wandler werden auch in der Branche häufig für Unterwassernavigation, Ozeanxploration, Präzisionsmessung, Ultraschallreinigung, feste Erkennung, medizinische Bildgebung, Ultraschalldiagnose und Behandlung mit Ultraschallkrankheiten eingesetzt. Ein weiteres Anwendungsfeld der heutigen piezoelektrischen Ultraschallwandler sind Telemetrie- und Fernbedienungssysteme. Spezifische Anwendungsbeispiele sind piezoelektrische Keramik -Summer, piezoelektrische Zünder, Ultraschallmikroskope usw.
Der piezoelektrische Ultraschallmotor ist eine neue Art von Mikromotor, die den inversen piezoelektrischen Effekt der piezoelektrischen Keramik zur Erzeugung von Ultraschallvibrationen verwendet, die Mikrodeformation des Materials durch Resonanz verstärkt, und wird von der Verbrecher zwischen dem vibrierenden Teil und dem beweglichen Teil der üblichen Elektromagromaktion getrieben. Im Vergleich zu herkömmlichen elektromagnetischen Motoren weist es kostengünstige, einfache Struktur, geringe Größe, hohe Leistungsdichte, gute Leistung mit niedrigem Geschwindigkeit (niedriger Geschwindigkeitsbetrieb ohne Verzögerungsmechanismus), großes Drehmoment und Bremsdrehmoment, schnelle Reaktion und Kontrollgenauigkeit, kein Magnetfeld und elektromagnetische Störungen und elektromagnetische Geräuschgeräusche auf. Piezoelektrische Ultraschallmotoren werden häufig in Präzisionsinstrumenten, Luft- und Raumfahrt, automatischer Steuerung, Büroautomatisierung, mikro-mechanischen Systemen, Mikro-Assembly, Präzisionspositionierung und anderen Bereichen aufgrund ihrer eigenen Eigenschaften und Leistungsvorteile verwendet. Gegenwärtig befindet sich Japan in diesem Bereich in der führenden Technologieposition. Piezoelektrische Ultraschallmotoren wurden häufig für die automatische Fokussierung von Kameras und Videokameras verwendet, und es wurden groß angelegte Produkte gebildet.
Bleifreie piezoelektrische Keramik werden auch als umweltverträgliche piezoelektrische Keramik bezeichnet. Es erfordert, dass Keramikmaterial keine Substanzen erzeugt, die für die Umwelt im Prozess der Vorbereitung, Verwendung und Entsorgung schädlich sein können, um die menschliche Gesundheit zu vermeiden und die Umweltverschmutzung zu verringern. Unter den verschiedenen Blei-haltigen piezoelektrischen Keramikmaterialien, die derzeit in der Industrie verwendet werden, macht der Gehalt an Bleioxid mehr als 60% der Gesamtmasse des Materials aus. Es ist selbstverständlich, dass diese Materialien dem menschlichen Körper und der Umwelt im Prozess der Herstellung, Verarbeitung, Lagerung und Transport, Verwendung und Abfallentsorgung von Komponenten Schaden zufügen. Daher sind in den letzten Jahren eine wichtige Richtung der Forschung und Entwicklung eine wichtige Richtung der Forschung und Entwicklung. Die derzeit verwendeten piezoelektrischen Keramikmaterialien basieren jedoch hauptsächlich auf PZT, und seine piezoelektrische Leistung ist viel besser als andere piezoelektrische Keramikmaterialien. Darüber hinaus können die elektrischen Eigenschaften des Materials durch Doping -Modifikation und Prozessregelung eingestellt werden, um verschiedene Anwendungsanforderungen zu erfüllen.
Um eine Rolle bei der Anwendung von Hydrophonen zu spielen, wurden in den 1970er Jahren allmählich piezoelektrische Verbundwerkstoffe entwickelt. Das piezoelektrische Verbundmaterial ist eine Art funktioneller Verbundmaterial mit einem piezoelektrischen Effekt, der aus piezoelektrischer Keramikphase und Polymerphase in einem bestimmten Verbindungsmodus besteht. Aufgrund der Zugabe der flexiblen Polymerphase wird die Dichte, die akustische Impedanz und die dielektrische Konstante des piezoelektrischen Verbundmaterials verringert, während die Figur des Verdienstes und des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten des Verbundmaterials verbessert werden, was die Britterung und die Piezoelektrizität der einfachen Piezozoelcrinie überwacht. Nachteile der hohen Kosten für Polymere. Piezoelektrische Verbundwerkstoffe werden nicht nur als Hydrophone verwendet, sondern auch in den Bereichen Industrie-, Medizin- und Kommunikationsfelder. Nach mehr als 40 Jahren kontinuierlicher Forschung zu piezoelektrischen Verbundwerkstoffen hat seine Anwendungsforschung erhebliche Fortschritte erzielt, aber ihre vollständige Theorie wurde noch nicht festgestellt, und seine Anwendungsentwicklung muss noch untersucht werden. Derzeit konzentriert sich die Forschung an piezoelektrischen Verbundwerkstoffen hauptsächlich auf die Entwicklung von Verbindungstypen, die Verbesserung der Formprozesse und die Herstellung von multifunktionalen Geräten.
Mit der raschen Entwicklung der Nanotechnologie in den letzten Jahren haben die Nanoceramics die Aufmerksamkeit der Menschen nach und nach auf sich gezogen. Die Nanopau wird gebildet und gesintert, um eine dichte und einheitliche Massen -Nano -Keramik zu bilden. Die Zähigkeit, Festigkeit und Superplastizität des Materials wurde stark verbessert, was viele Mängel der technischen Keramik überwindet und einen wichtigen Einfluss auf die mechanischen, elektrischen, thermischen, magnetischen und optischen Eigenschaften des Materials hat. Durch die Auswahl des Materialzusammensetzungssystems und das Hinzufügen von Partikeln im Bereich Nano-Maßstäbe, Whiskers, Waferfasern usw. Um sie zu verändern, können nanopiezoelektrische Keramikmaterialien mit hoher Leistung und niedrigem Temperatursintern erhalten werden. Durch die Kontrolle des Wachstums von nanokristallinen Körnern können Quantenbeschränkungseffekte und Ferroelektrika mit seltsamen Eigenschaften erhalten werden, um die elektromechanische Umwandlung und die thermischen Freisetzungseigenschaften von piezoelektrischen Pyrolysematerialien zu verbessern. Verschiedene Arten von piezoelektrischen Transformatoren, piezoelektrischen Treibern, Hochleistungs-Ultraschall-Schweißtechnologie, piezoelektrische Vibrationsfuttermittel, neue Ultraschall-CVD-Technologie und Hochleistungs-Ultrasonik-Engineering unterstützen Kernkraftwerke, die sich in den letzten Jahren rasch entwickelt haben, sind alle Nanoceramics in der Piezoelektrität.
Mit dem detaillierten Verständnis der Materialstruktur sowie der Forschung und Ausdehnung der Anwendungstechnologie werden piezoelektrische Keramikmaterialien in High-Tech-Bereichen wie elektronischer Technologie, Kommunikationstechnologie, Lasertechnologie und Biotechnologie häufig eingesetzt. Mit der raschen Entwicklung dieser Bereiche und der neuen Bedürfnisse der wirtschaftlichen und sozialen Entwicklung werden höhere Anforderungen an die Leistung piezoelektrischer Keramik wie hohe Curie -Temperatur, hoher elektromechanischer Kopplungskoeffizient und mechanischer Qualitätsfaktor erfolgen.
