NederlandsAantal Bladeren:156 Auteur:Site Editor Publicatie tijd: 2020-12-08 Oorsprong:aangedreven
Piëzo-elektrische keramiek is ferro-elektrisch keramiek dat is gemaakt van gemengde oxiden (zirkonia, loodoxide, titaniumoxide, enz.) Na sinteren en vaste fase-reactie op hoge temperatuur en door DC hoogspanningspolarisatiebehandeling om ze piëzo-elektrisch effect te laten hebben. Het is een functioneel keramisch materiaal dat mechanische energie en elektrische energie kan omzetten. Vanwege zijn goede mechanische eigenschappen en stabiele piëzo-elektrische eigenschappen, zijn piëzo-elektrische keramiek, als een belangrijke kracht, warmte, elektriciteit en lichtgevoelig functioneel materiaal, op grote schaal gebruikt in sensoren, ultrasone transducers , micro-displacers en andere elektronische componenten. Met het continue onderzoek en de verbetering van materiaaltechnologie, evenals de snelle ontwikkeling van hightech velden zoals elektronica, informatie, ruimtevaart, enz., De productietechnologie en applicatieontwikkeling van piëzo-elektrische keramiek die zeer intelligente nieuwe materialen bevatten, zijn hot topics.
De vrije elektronen van piëzo -elektrische keramiek zijn stoornis voor polarisatie gerangschikt. Na de polarisatiebehandeling wordt de resterende polarisatie gegenereerd langs de polarisatierichting om anisotrope polykristallijn te worden. De vrije elektronen zijn meestal consistent en de piëzo -elektriciteit is sterk verbeterd. Zoals getoond in figuur 1 en figuur 2, kan het piëzo -elektrische keramische materiaal in elke vorm en elke polarisatierichting worden gemaakt. Piëzo -elektrische keramische materialen voor en na polarisatie hebben verschillende diëlektrische constanten (ε) en piëzo -elektrische constanten (d).
Stel de diëlektrische constante in vóór polarisatie:
ε11 = ε22 = ε33. Als het piëzo -elektrische materiaal wordt gepolariseerd in richting 3, staan de andere twee elektrode -oppervlakken loodrecht op de polarisatierichting. De diëlektrische constante na polarisatie: ε11 = ε22 ≠ ε33 en de waarde van ε33 is veel groter dan ε11. De piëzo -elektrische constante van piëzo -elektrische keramiek is ook anisotrope, en de waarde van de piëzo -elektrische constante d is ook verschillend in verschillende richtingen. Onder hen is de waarde in de richting 3 de grootste, dat wil zeggen D33> D31 en D32. Bij het meten met een ampèremeter heeft alleen D33 stroom en wordt geen stroom gegenereerd in de andere twee richtingen. De polarisatie van piëzo -elektrische keramiek lijkt erg op de magnetisatie van magnetisatie en de magnetische veldsterkte voor en na magnetisatie zal sterk veranderen.
Het onderzoek naar lage temperatuur sinterentechnologie van piëzo-elektrische keramiek begon na 1960, meestal van de twee aspecten van het toevoegen van sinterhulp en het verbeteren van het proces om de sintertemperatuur te verlagen. Sinds de jaren tachtig hebben wetenschappers in binnen- en buitenland uitgebreid onderzoek gedaan naar de lage temperatuur sinteren van piëzo-elektrische keramiek. Li Longshi van de Universiteit van Tsinghua voegde een co-oplosmiddel toe aan het PZT-binaire systeem en ontwikkelde een materiaal met goede prestaties en gesinterd bij een lage temperatuur van 960 graden Celsius. V. Yill et al. Sinterhulpmiddelen toegevoegd aan KNN-gebaseerd keramiek om loodvrije piëzo-elektrische keramische materialen te bereiden met uitstekende prestaties bij lage temperaturen. Bovendien hebben onderzoekers ook veel nuttige verkenningen uitgevoerd bij het verbeteren van het proces en hebben ze bepaalde resultaten bereikt.
Het verlagen van de sintertemperatuur van piëzo-elektrische keramische materialen wordt meestal uitgevoerd uit de twee aspecten van het toevoegen van co-oplosmiddel en het verbeteren van het proces. Er zijn voornamelijk de volgende vier methoden:
Door flux aan het basismateriaal toe te voegen, zijn er drie sintermethoden voor lage temperatuur:
De eerste manier is om de sintertemperatuur te verlagen door een vaste oplossing te vormen. Ionvervanging veroorzaakt vervorming van het kristalrooster, verhoogt de structurele defecten en vermindert de barrière tussen elektrische domeinen, waardoor iondiffusie wordt vergemakkelijkt en sintering bevordert. De tweede manier is om de sintertemperatuur te verlagen door de vloeibare fase te vormen die sinteren. De herschikking van de korrel en het versterkte contact in vloeibare fase sinteren kan de korrelgrensmobiliteit vergroten, de poriën volledig afvoeren, de groei van kristalkorrels bevorderen, de dichtheid van het porseleinen lichaam verhogen en het doel bereiken om de sintertemperatuur te verminderen. De derde manier is om de sintertemperatuur te verlagen en de prestaties te verbeteren door sinterfase van overgangsvloeistoffen. De lage smeltpuntadditieven vormen eerst een vloeibare fase om sintering te bevorderen tijdens het sinterproces, en dienen vervolgens als de laatste fase in het late sinterproces, terug in de hoofdkristallijne fase en een rol van doping -modificatie spelen.
Dit 'dubbele effect ' van additieven met een laag smeltpunt kan de sintertemperatuur met 250-300 ℃ verlagen en de prestaties verbeteren.
De chemische synthesemethode kan de sintertemperatuur verminderen, maar het koelbereik is beperkt en de sintertemperatuur van het materiaal is nog steeds hoger dan 1000 ℃.
Hot-dringende sintering kan de sinterende drijvende kracht van keramiek vergroten en de verspreiding van poriën of vacatures van de korrelgrens naar het keramische lichaam vergemakkelijken, waardoor de dichtheid van het keramische lichaam wordt verhoogd en de sintertemperatuur wordt verlaagd. Met behulp van hot-press gesinterd PZT piëzo-elektrisch keramisch materiaal, wordt de sintertemperatuur verlaagd met 150-200 ℃ en de prestaties zijn ook veel verbeterd.
Onder druk van honderdduizenden atmosferen kan het poeder worden verdicht en gesinterd. Het emissieve PZT-keramische poeder werd bijvoorbeeld koudgeperend op 150.000 atmosferen, en als gevolg daarvan werd een keramisch lichaam met een dichtheid van 7,2 g/cm (90% van de theoretische dichtheid) verkregen en het keramische poeder was oorspronkelijk aardig geel. Koud geperst en gesinterd in een grijs zwart porseleinen lichaam.
Vergelijk het bovenstaande onderzoek naar lage temperatuur sinteren van piëzo-elektrische keramische materialen in binnen- en buitenland. Er zijn de volgende conclusies:
(1) Bij het vormen van een vaste oplossing om de sintertemperatuur te verlagen, moet ionenvervanging onder bepaalde omstandigheden worden uitgevoerd en de resulterende structurele defecten zijn beperkt, dus de temperatuurdaling is niet groot, meestal binnen 200 ℃.
(2) Het effect van het verlagen van de sintertemperatuur door de vorming van een vloeibare fase is duidelijk, maar het vloeistoffaseproduct blijft in de keramische microstructuur. Het bestaan van dit lage smeltpuntproduct zal de mechanische sterkte, diëlektrische eigenschappen en piëzo -elektrische eigenschappen van het materiaal veroorzaken om af te dalen
(3) De sintertemperatuur wanneer het poeder wordt gemaakt door chemische synthese is nog steeds hoger dan 1000 graden Celsius. Vanwege de verschillende samengestelde mogelijkheden van verschillende metaalionen in de oplossing, kunnen bovendien tijdens het uitdroging- of calcinatieproces verbindingen scheiden of andere verbindingen vormen. Het is te zien dat niet alle grondstoffen kunnen worden bereid door chemische synthese.
(4) Tijdens het warmdrukkende sinterproces zal de oriëntatie van de kristalkorrel worden geproduceerd om zijn piëzo-elektrische eigenschappen directioneel te maken. Het keramische lichaam zal in de mal worden gekoeld om grotere interne spanning te produceren, die de piëzo -elektrische eigenschappen zullen beïnvloeden, en de sintertemperatuur kan niet te laag worden verlaagd.
(5) Het gebruik van het 'dubbele effect ' van additieven met lage smeltpunt kan de sintertemperatuur aanzienlijk verlagen en de piëzo -elektrische eigenschappen van het materiaal verbeteren, met een lage kosten en eenvoudig proces. Dit is een ideale methode voor het sinteren van lage temperatuur van piëzo-elektrische keramiek.
Sinds de geboorte van de eerste keramische piëzo -elektrische materiaalbariumtitanaat in 1942, als een toepassingsproduct van piëzo -elektrisch keramiek, heeft het zich verspreid over alle aspecten van het leven van mensen. De toepassing van piëzo-elektrische materialen als de link van elektromechanische koppeling kan ruwweg worden onderverdeeld in twee aspecten: de toepassing van piëzo-elektrische keramische frequentiecontrole-apparaten vertegenwoordigd door piëzo-elektrische resonatoren en de toepassing van quasi-statische toepassingen die mechanische energie en elektrische energie converteren.
Het gepolariseerde piëzo -elektrische keramiek, dat wil zeggen de piëzo -elektrische vibrator, heeft de natuurlijke trillingsfrequentie bepaald door zijn grootte en het piëzo -elektrische effect kan stabiele elektrische oscillatie verkrijgen. Wanneer de frequentie van de uitgeoefende spanning hetzelfde is als de natuurlijke trillingsfrequentie van de piëzo -elektrische vibrator, zal resonantie worden veroorzaakt en zal de amplitude sterk worden verhoogd. In dit proces genereert het afwisselend elektrische veld spanning door het omgekeerde piëzo -elektrische effect en de spanning genereert een stroom door het positieve piëzo -elektrische effect. Realiseer de maximale wederzijdse conversie tussen elektrische energie en mechanische energie. Met behulp van de kenmerken van piëzo -elektrische vibrators kunnen verschillende filters, resonatoren en andere apparaten worden vervaardigd. Deze apparaten hebben lage kosten, kleine omvang, geen vochtabsorptie, lange levensduur, goede frequentiestabiliteit, hogere equivalente kwaliteitsfactor dan LC-filters, breed frequentiebereik en hoge nauwkeurigheid, vooral gebruikt bij multi-channel communicatie- en amplitudemodulatie-ontvangst en verschillende radiocommunicatie en meetinstrumenten kunnen het anti-interferentievermogen verbeteren. Het heeft dus een aanzienlijk deel van elektromagnetische oscillatoren en filters vervangen, en deze trend ontwikkelt zich nog steeds.
Piëzo -elektrische transformatoren worden gemaakt met behulp van de kenmerken van de wederzijdse omzetting van elektrische energie en mechanische energie van het piëzo -elektrische effect. Het bestaat uit twee delen, een ingangseinde en een uitgangseinde en de polarisatierichtingen staan loodrecht op elkaar. Het invoeruiteinde is gepolariseerd in de dikterichting en de afwisselende spanning wordt toegepast voor longitudinale trillingen. Vanwege het omgekeerde piëzo -elektrische effect zal er een hoogspanningsuitgang zijn bij de uitgang. De piëzo-elektrische keramische transformator is een nieuw type elektronisch apparaat voor vaste toestand. In vergelijking met de traditionele elektromagnetische transformator heeft het een eenvoudige structuur, kleine grootte, lichtgewicht, grote transformatieverhouding, goede stabiliteit, geen elektromagnetische interferentie en ruis, hoge efficiëntie, hoge energiedichtheid, hoge veiligheid, geen wikkeling, geen voordelen van verbranding, geen magnetische lekkage -fenomenon en elektromagnetische straling.
Volgens de werkmodus van de piëzo -elektrische keramische transformator kan deze worden onderverdeeld in de volgende categorieën: Rosen type piëzo -elektrische keramische transformator, dikte trillingsmodus piëzo -elektrische keramische transformator, radiale trillingsmodus piëzo -elektrische ceramische ceramische transformator. In de afgelopen jaren zijn sommige piëzo-elektrische transformatoren met betere prestaties verschenen, zoals de derde-orde trillingsmodus Rosen piëzo-elektrische keramische transformator met twee inputterminals en de krachtige meerlagige piëzo-elektrische keramische transformator. Momenteel worden piëzo-elektrische keramische transformatoren voornamelijk gebruikt voor AC-DC, DC-DC en andere vermogensapparaten en hoogspanningsgenererende apparaten, zoals koude kathodebuizen, neonbuizen, laserbuizen en kleine röntgenbuizen, hoge spanning elektrostatische spraying, hoge spanning elektrostatisch flocing en rijden van radar display bui, etc. etc.
De piëzo -elektrische transducer maakt gebruik van het piëzo -elektrische effect van piëzo -elektrische keramiek en het omgekeerde piëzo -elektrische effect om de wederzijdse conversie van elektrische energie en geluidsenergie te realiseren. De piëzo -elektrische ultrasone transducer is er een van. Het is een akoestisch apparaat onder water dat ultrasone golven onder water verzendt en ontvangt. Onder de werking van geluidsgolven induceert de piëzo -elektrische transducer in het water elektrische ladingen aan beide uiteinden van de transducer. Dit is de geluidsgolfontvanger. Als een afwisselend elektrisch veld wordt aangebracht op een piëzo -elektrische keramische plaat, wordt de keramische plaat van tijd tot tijd dunner en dikker en trilt het en stoten geluidsgolven uit. Dit is een ultrasone zender. Piëzo -elektrische transducers worden ook op grote schaal gebruikt in de industrie voor onderwaternavigatie, oceaanonderzoek, precisiemeting, ultrasone reiniging, vaste detectie, medische beeldvorming, ultrasone diagnose en behandeling met ultrasone ziekten. Een ander applicatieveld van de piëzo -elektrasone transducers van vandaag is telemetrie- en afstandsbedieningssystemen. Specifieke toepassingsvoorbeelden zijn piëzo -elektrische keramische zoemers, piëzo -elektrische ontstekers, ultrasone microscopen, enz.
De piëzo -elektrische ultrasone motor is een nieuw type micromotor dat het inverse piëzo -elektrische effect van piëzo -elektrische keramiek gebruikt om ultrasone trillingen te genereren, versterkt de micro -vervorming van het materiaal door resonantie en wordt aangedreven door de wrijving tussen het vibrerende deel en het bewegende gedeelte, zonder het gebruik van het bewegende deel, zonder het gebruik van de usuele elektromagnetische spoel. In vergelijking met traditionele elektromagnetische motoren heeft het lage kosten, eenvoudige structuur, kleine formaat, hoge vermogensdichtheid, goede lage snelheidsprestaties (lage snelheidsbewerking kan worden bereikt zonder vertragingsmechanisme), groot koppel- en remkoppel, snelle respons en controle-nauwkeurigheid Hoog, no-magnetisch veld en elektrisch veld, geen elektromagnetische interferentie en elektromagnetisch ruis. Piëzo-elektrische ultrasone motoren worden veel gebruikt in precisie-instrumenten, ruimtevaart, automatische controle, kantoorautomatisering, micro-mechanische systemen, micro-assemblage, precisiepositionering en andere velden vanwege hun eigen kenmerken en voordelen voor prestaties. Momenteel bevindt Japan zich in de leidende positie van technologie op dit gebied. Piëzo-elektrische ultrasone motoren zijn veel gebruikt voor automatische focus van camera's en videocamera's, en grootschalige reeks producten zijn gevormd.
Loodvrije piëzo-elektrische keramiek wordt ook wel milieuvriendelijke piëzo-elektrische keramiek genoemd. Het vereist dat keramische materialen geen stoffen produceren die schadelijk kunnen zijn voor het milieu tijdens het voorbereiden, gebruik en verwijdering, om schade aan de menselijke gezondheid te voorkomen en milieuvervuiling te verminderen. Onder de verschillende loodbattende piëzo-elektrische keramische materialen die momenteel in de industrie worden gebruikt, is het gehalte aan loodoxide goed voor meer dan 60% van de totale massa van het materiaal. Het is vanzelfsprekend dat deze materialen schade toebrengen aan het menselijk lichaam en het milieu tijdens het proces van productie, verwerking, opslag en transport, gebruik en afvalverwijdering. Daarom zijn loodvrije milieuvriendelijke piëzo-elektrische keramische materialen een belangrijke richting van onderzoek en ontwikkeling in de afgelopen jaren. De piëzo -elektrische keramische materialen die momenteel worden gebruikt, zijn echter voornamelijk gebaseerd op PZT en de piëzo -elektrische prestaties zijn veel beter dan andere piëzo -elektrische keramische materialen. Bovendien kunnen de elektrische eigenschappen van het materiaal worden aangepast door dopingaanpassing en procescontrole om aan verschillende toepassingsvereisten te voldoen.
Om een rol te spelen bij de toepassing van hydrofoons, werden piëzo -elektrische composietmaterialen geleidelijk ontwikkeld in de jaren zeventig. Het piëzo -elektrische composietmateriaal is een soort functioneel composietmateriaal met een piëzo -elektrisch effect samengesteld uit piëzo -elektrische keramische fase en polymeerfase in een bepaalde verbindingsmodus. Vanwege de toevoeging van de flexibele polymeerfase, wordt de dichtheid, akoestische impedantie en diëlektrische constante van het piëzo -elektrische composietmateriaal verminderd, terwijl de figuur van verdienste en de elektromechanische koppelingscoëfficiënt van het composietmateriaal verbeterd zijn, die de britters en piëzo -elektriciteit van eenvoudige piezoeleceramics teweegt. Nadelen van de hoge kosten van polymeren. Naast het worden gebruikt als hydrofoons, worden piëzo -elektrische composieten ook gebruikt op de industriële, medische en communicatievelden. Na meer dan 40 jaar continu onderzoek naar piëzo -elektrische composieten, heeft het applicatieonderzoek aanzienlijke vooruitgang geboekt, maar de volledige theorie is nog niet vastgesteld en de ontwikkeling van de applicatie moet nog worden onderzocht. Momenteel is het onderzoek van piëzo -elektrische composietmaterialen vooral gericht op de ontwikkeling van verbindingstypen, verbetering van vormprocessen en de voorbereiding van multifunctionele apparaten.
Met de snelle ontwikkeling van nanotechnologie in de afgelopen jaren heeft nanoceramica geleidelijk de aandacht van mensen getrokken. De nanopowder wordt gevormd en gesinterd om een dicht en uniform bulk nano -keramiek te vormen. De taaiheid, sterkte en superplasticiteit van het materiaal zijn sterk verbeterd, wat veel tekortkomingen van engineering keramiek overwint en een belangrijke impact heeft op de mechanische, elektrische, thermische, magnetische en optische eigenschappen van het materiaal. Door het materiaalsamenstellingssysteem te selecteren en nano-schaal deeltjes, snorharen, wafels, enz. Toevoegen, kunnen nano piëzo-elektrische keramische materialen met hoge prestaties en lage temperatuur sinteren worden verkregen. Door de groei van nanokristallijne korrels te regelen, kunnen kwantumbeperkingseffecten en ferro -elektrica met vreemde eigenschappen worden verkregen om de elektromechanische conversie en thermische afgifte -eigenschappen van piëzo -elektrische pyrolysematerialen te verbeteren. Verschillende soorten piëzo-elektrische transformatoren, piëzo-elektrische stuurprogramma's, hoogkrachtige ultrasone lastechnologie, piëzo-elektrische vibrerende feeders, nieuwe ultrasone CVD-technologie en krachtige ultrasone engineering ondersteunende kerncentrales die zich de afgelopen jaren snel hebben ontwikkeld, zijn allemaal nano-ceramics in de piezoelie.
Met het diepgaande begrip van de materiaalstructuur en het onderzoek en de uitbreiding van applicatietechnologie zullen piëzo-elektrische keramische materialen op grote schaal worden gebruikt in hightech velden zoals elektronische technologie, communicatietechnologie, lasertechnologie en biotechnologie. Met de snelle ontwikkeling van deze gebieden en nieuwe behoeften op het gebied van economische en sociale ontwikkeling, zullen er hogere vereisten zijn voor de prestaties van piëzo -elektrische keramiek, zoals hoge curiestemperatuur, hoge elektromechanische koppelingscoëfficiënt en mechanische kwaliteitsfactor.
