PortuguêsNúmero Browse:156 Autor:editor do site Publicar Time: 2020-12-08 Origem:alimentado
A cerâmica piezoelétrica são cerâmicas ferroelétricas feitas de óxidos mistos (zircônia, óxido de chumbo, óxido de titânio, etc.) após sinterização de alta temperatura e reação de fase sólida e através de tratamento de polarização de alta tensão de DC para torná-los com efeito piezoelétrico. É um material de cerâmica funcional que pode converter energia mecânica e energia elétrica. Devido às suas boas propriedades mecânicas e propriedades piezoelétricas estáveis, cerâmica piezoelétrica, como uma força importante, calor, eletricidade e material funcional sensível à luz, tem sido amplamente utilizados em sensores, transdutores ultrassônicos , micro-contribuintes e outros componentes eletrônicos. Com a pesquisa contínua e a melhoria da tecnologia do material, bem como o rápido desenvolvimento de campos de alta tecnologia, como eletrônicos, informações, aeroespacial etc., a tecnologia de produção e o desenvolvimento de aplicações de cerâmica piezoelétrica contendo novos materiais altamente inteligentes são tópicos quentes.
Os elétrons livres da cerâmica piezoelétrica são organizados desordenados antes da polarização. Após o tratamento da polarização, a polarização residual é gerada ao longo da direção da polarização para se tornar policristalina anisotrópica. Os elétrons livres tendem a ser consistentes e a piezoeletricidade é bastante aprimorada. Como mostrado na Figura 1 e na Figura 2, o material cerâmico piezoelétrico pode ser transformado em qualquer forma e em qualquer direção de polarização. Os materiais cerâmicos piezoelétricos antes e após a polarização têm constantes dielétricas diferentes (ε) e constantes piezoelétricas (D).
Defina a constante dielétrica antes da polarização:
ε11 = ε22 = ε33. Se o material piezoelétrico for polarizado na direção 3, as outras duas superfícies do eletrodo serão perpendiculares à direção da polarização. A constante dielétrica após a polarização: ε11 = ε22 ≠ ε33 e o valor de ε33 é muito maior que ε11. A constante piezoelétrica da cerâmica piezoelétrica também é anisotrópica, e o valor da constante piezoelétrica d também é diferente em direções diferentes. Entre eles, o valor ao longo da direção 3 é o maior, ou seja, D33> D31 e D32. Ao medir com um amperímetro, apenas o D33 possui corrente e nenhuma corrente é gerada nas outras duas direções. A polarização da cerâmica piezoelétrica é muito semelhante à magnetização de ímãs, e a força do campo magnético antes e após a magnetização mudará bastante.
A pesquisa sobre a tecnologia de sinterização de baixa temperatura da cerâmica piezoelétrica começou após 1960, geralmente a partir dos dois aspectos da adição de ajuda à sinterização e melhorar o processo para reduzir a temperatura de sinterização. Desde a década de 1980, os estudiosos em casa e no exterior realizaram uma extensa pesquisa sobre a sinterização de baixa temperatura da cerâmica piezoelétrica. Li Longshi, da Universidade de Tsinghua, acrescentou um co-solvente ao sistema binário da PZT e desenvolveu um material com bom desempenho e sinterizado a uma temperatura baixa de 960 graus Celsius. Q. Yill et al. Adicionado ajuda a sinterização à cerâmica baseada em KNN para preparar materiais cerâmicos piezoelétricos sem chumbo com excelente desempenho em baixas temperaturas. Além disso, os pesquisadores também realizaram muitas explorações úteis para melhorar o processo e alcançaram certos resultados.
A redução da temperatura de sinterização dos materiais de cerâmica piezoelétrica é geralmente realizada a partir dos dois aspectos da adição de co-solvente e melhoria do processo. Existem principalmente os quatro métodos a seguir:
Adicionando fluxo ao material base, existem três métodos de sinterização de baixa temperatura:
A primeira maneira é reduzir a temperatura de sinterização, formando uma solução sólida. A substituição de íons causa distorção da rede de cristal, aumenta os defeitos estruturais e reduz a barreira entre os domínios elétricos, facilitando assim a difusão de íons e promovendo a sinterização. A segunda maneira é reduzir a temperatura de sinterização, formando a sinterização da fase líquida. O rearranjo de grãos e o contato fortalecido na sinterização da fase líquida podem aumentar a mobilidade do limite de grãos, descarregar completamente os poros, promover o crescimento de grãos de cristal, aumentar a densidade do corpo da porcelana e alcançar o objetivo de reduzir a temperatura de sinterização. A terceira maneira é reduzir a temperatura de sinterização e melhorar o desempenho através da sinterização da fase líquida de transição. Os aditivos de baixo ponto de fusão primeiro formam uma fase líquida para promover a sinterização durante o processo de sinterização e, em seguida, servem como a fase final no processo de sinterização tardia, sugando a principal fase cristalina e desempenhando um papel de modificação de doping.
Este 'efeito duplo ' de aditivos de baixo ponto de fusão pode reduzir a temperatura de sinterização em 250-300 ℃ e melhorar o desempenho.
O método de síntese química pode reduzir a temperatura de sinterização, mas a faixa de resfriamento é limitada e a temperatura de sinterização do material ainda é superior a 1000 ℃.
A sinterização a quente pode aumentar a força motriz de sinterização da cerâmica e facilitar a difusão de poros ou vagas do limite de grãos para o corpo cerâmico, aumentando assim a densidade do corpo cerâmico e reduzindo a temperatura de sinterização. Utilizando o material cerâmico piezoelétrico PZT sinterizado com pressão quente, a temperatura de sinterização é reduzida em 150-200 ℃ e o desempenho também é melhorado muito.
Sob a pressão de centenas de milhares de atmosferas, o pó pode ser densificado e sinterizado. Por exemplo, o emissivo pó de cerâmica de PZT foi pressionado a frio em 150.000 atmosferas e, como resultado, um corpo de cerâmica com densidade de 7,2g/cm (90% da densidade teórica) foi obtida e o pó cerâmico era originalmente amarelo. Pressionado a frio e sinterizado em um corpo de porcelana cinza-preto.
Compare a pesquisa acima sobre sinterização de baixa temperatura de materiais cerâmicos piezoelétricos em casa e no exterior. Existem as seguintes conclusões:
(1) Ao formar uma solução sólida para diminuir a temperatura de sinterização, a substituição de íons deve ser realizada sob certas condições e os defeitos estruturais resultantes são limitados, portanto a queda de temperatura não é grande, geralmente dentro de 200 ℃.
(2) O efeito de diminuir a temperatura de sinterização através da formação de uma fase líquida é óbvia, mas o produto da fase líquida permanece na microestrutura de cerâmica. A existência desse produto de baixo ponto de fusão causará a resistência mecânica do material, as propriedades dielétricas e as propriedades piezoelétricas para recusar
(3) A temperatura de sinterização quando o pó é feita por síntese química ainda é superior a 1000 graus Celsius. Além disso, devido aos diferentes recursos de composição de vários íons metálicos na solução, durante a desidratação ou processo de calcina, os compostos podem separar ou formar outros compostos. Pode -se observar que nem todas as matérias -primas podem ser preparadas por síntese química.
(4) Durante o processo de sinterização a quente, a orientação dos grãos de cristal será produzida para tornar direcionalmente suas propriedades piezoelétricas. O corpo cerâmico será resfriado no molde para produzir maior estresse interno, o que afetará as propriedades piezoelétricas, e a temperatura de sinterização não pode ser reduzida muito baixa.
(5) O uso do 'efeito duplo' de aditivos de baixo ponto de fusão pode reduzir bastante a temperatura de sinterização, melhorando as propriedades piezoelétricas do material, com baixo custo e processo simples. Este é um método ideal para sinterização de baixa temperatura da cerâmica piezoelétrica.
Desde o nascimento do primeiro material piezoelétrico de cerâmica em 1942, como um produto de aplicação da cerâmica piezoelétrica, ele se espalhou por todos os aspectos da vida das pessoas. A aplicação de materiais piezoelétricos como a ligação do acoplamento eletromecânica pode ser dividida aproximadamente em dois aspectos: a aplicação de dispositivos de controle de frequência cerâmica piezoelétricos representados por ressonadores piezoelétricos e a aplicação de aplicações quase-estáticas que convertem energia mecânica e energia elétrica.
A cerâmica piezoelétrica polarizada, ou seja, o vibrador piezoelétrico, tem a frequência de vibração natural determinada por seu tamanho e o efeito piezoelétrico pode obter oscilação elétrica estável. Quando a frequência da tensão aplicada for a mesma que a frequência de vibração natural do vibrador piezoelétrico, será causada a ressonância e a amplitude será bastante aumentada. Nesse processo, o campo elétrico alternado gera tensão através do efeito piezoelétrico inverso, e a tensão gera uma corrente através do efeito piezoelétrico positivo. Perceba a conversão mútua máxima entre energia elétrica e energia mecânica. Usando as características dos vibradores piezoelétricos, vários filtros, ressonadores e outros dispositivos podem ser fabricados. Esses dispositivos têm baixo custo, tamanho pequeno, absorção de umidade, vida útil longa, estabilidade de boa frequência, fator de qualidade equivalente mais alto do que os filtros de LC, ampla faixa de frequência e alta precisão, especialmente usadas na comunicação multicanal e na recepção de modulação de amplitude e em vários instrumentos de comunicação de rádio e medição podem melhorar a capacidade anti-intencional. Por isso, substituiu uma parte considerável dos osciladores e filtros eletromagnéticos, e essa tendência ainda está se desenvolvendo.
Os transformadores piezoelétricos são feitos usando as características da conversão mútua de energia elétrica e energia mecânica do efeito piezoelétrico. É composto por duas partes, uma extremidade de entrada e uma extremidade de saída, e as direções de polarização são perpendiculares entre si. A extremidade de entrada é polarizada na direção da espessura e a tensão alternada é aplicada para vibração longitudinal. Devido ao efeito piezoelétrico inverso, haverá uma saída de alta tensão na saída. O transformador cerâmico piezoelétrico é um novo tipo de dispositivo eletrônico de estado sólido. Comparado com o transformador eletromagnético tradicional, ele possui uma estrutura simples, tamanho pequeno, índice leve, grande transformação, boa estabilidade, interferência eletromagnética e ruído, alta eficiência, alta densidade de energia, alta segurança, sem enrolamento, sem vantagens de combustão, sem vazamento magnético de fenômeno e radionstrução eletromégnética.
De acordo com o modo de funcionamento do transformador de cerâmica piezoelétrica, ele pode ser dividido nas seguintes categorias: Transformador de cerâmica piezoelétrica do tipo Rosen, Modo de vibração de espessura Transformador cerâmico piezoelétrico, transformador de cerâmica piezoelétrica piezoelétrica. Nos últimos anos, alguns transformadores piezoelétricos com melhor desempenho apareceram, como o transformador de cerâmica piezoelétrica Rosen Rosen Piezoelétrico com dois terminais de entrada e o transformador cerâmico piezoelétrico de alta potência. Atualmente, os transformadores de cerâmica piezoelétrica são usados principalmente para AC-DC, DC-DC e outros dispositivos de energia e dispositivos de geração de alta tensão, como tubos de cátodo frio, tubos de neon, tubos de laser e pequenos tubos de raios-X, transmissor de alta tensão, transmissor de alta tensão, laser, laser, lastros, laser, lases, laser, transmissor de laser.
O transdutor piezoelétrico usa o efeito piezoelétrico da cerâmica piezoelétrica e o efeito piezoelétrico reverso para realizar a conversão mútua de energia elétrica e energia sonora. O transdutor ultrassônico piezoelétrico é um deles. É um dispositivo acústico subaquático que transmite e recebe ondas ultrassônicas debaixo d'água. Sob a ação das ondas sonoras, o transdutor piezoelétrico na água induz cargas elétricas nas duas extremidades do transdutor. Este é o receptor de onda sonora. Se um campo elétrico alternado for aplicado a uma folha de cerâmica piezoelétrica, a folha de cerâmica ficará mais fina e mais espessa de tempos em tempos, e vibrará e emitirá ondas sonoras. Este é um transmissor ultrassônico. Os transdutores piezoelétricos também são amplamente utilizados na indústria para navegação subaquática, exploração oceânica, medição de precisão, limpeza ultrassônica, detecção sólida, imagem médica, diagnóstico ultrassônico e tratamento de doença ultrassônica. Outro campo de aplicação dos de hoje transdutores ultrassônicos piezoelétricos são os sistemas de telemetria e controle remoto. Exemplos de aplicação específicos incluem campainhas de cerâmica piezoelétrica, ignitadores piezoelétricos, microscópios ultrassônicos, etc.
O motor ultrassônico piezoelétrico é um novo tipo de micromotor que usa o efeito piezoelétrico inverso da cerâmica piezoelétrica para gerar vibração ultrassônica, amplifica a micro deformação do material através da ressonância e é impulsionado pelo fricção entre a parte vibratória e a parte móvel, sem que a hidráulica, e a parede vibratória e a parte que se move, sem a sempre que o rico, sem a ressonância, o fricção entre a parte vibratória e a parte de movimentação, sem a vibração. Comparado aos motores eletromagnéticos tradicionais, possui estrutura simples, tamanho simples, tamanho pequeno, alta densidade de potência, bom desempenho de baixa velocidade (operação em baixa velocidade pode ser alcançada sem mecanismo de desaceleração), torque grande e torque de frenagem, resposta rápida e precisão de controle alta, campo magnético e campo elétrico, sem eletromagnético e interferência eletromagnética. Os motores ultrassônicos piezoelétricos são amplamente utilizados em instrumentos de precisão, aeroespacial, controle automático, automação de escritórios, sistemas micro-mecânicos, micro-montagem, posicionamento de precisão e outros campos devido a suas próprias características e vantagens de desempenho. Atualmente, o Japão está na posição de liderança da tecnologia nesse campo. Os motores ultrassônicos piezoelétricos têm sido amplamente utilizados para o foco automático de câmeras e câmeras de vídeo, e uma série de produtos em larga escala foi formada.
A cerâmica piezoelétrica sem chumbo também é chamada de cerâmica piezoelétrica ambientalmente compatível. Requer que os materiais cerâmicos não produzam substâncias que possam ser prejudiciais ao meio ambiente no processo de preparação, uso e descarte, de modo a evitar danos à saúde humana e reduzir a poluição ambiental. Entre os vários materiais cerâmicos piezoelétricos contendo chumbo atualmente utilizados na indústria, o conteúdo do óxido de chumbo é responsável por mais de 60% da massa total do material. É evidente que esses materiais causam danos ao corpo humano e ao meio ambiente no processo de fabricação, processamento, armazenamento e transporte, uso e descarte de resíduos. Portanto, os materiais cerâmicos piezoelétricos sem chumbo são uma direção importante de pesquisa e desenvolvimento nos últimos anos. No entanto, os materiais cerâmicos piezoelétricos atualmente utilizados são baseados principalmente na PZT, e seu desempenho piezoelétrico é muito melhor do que outros materiais cerâmicos piezoelétricos. Além disso, as propriedades elétricas do material podem ser ajustadas através da modificação do doping e do controle de processos para atender a vários requisitos de aplicação.
Para desempenhar um papel na aplicação de hidrofones, os materiais compósitos piezoelétricos foram gradualmente desenvolvidos na década de 1970. O material compósito piezoelétrico é um tipo de material composto funcional com um efeito piezoelétrico composto por fase de cerâmica piezoelétrica e fase de polímero em um determinado modo de conexão. Devido à adição da fase de polímero flexível, a densidade, a impedância acústica e a constante dielétrica do material compósito piezoelétrico é reduzido, enquanto a figura de mérito e o coeficiente de acoplamento eletromecânicos do material compósito são aprimorados, o que supere a brittleidade e a piezoelectricidade da pietrictrictrity da pietrictricetria. Desvantagens do alto custo dos polímeros. Além de serem usados como hidrofones, os compósitos piezoelétricos também são usados nos campos industriais, médicos e de comunicação. Após mais de 40 anos de pesquisa contínua sobre compósitos piezoelétricos, sua pesquisa de aplicativos fez um progresso considerável, mas sua teoria completa ainda não foi estabelecida e seu desenvolvimento de aplicativos ainda não foi explorado. Atualmente, a pesquisa de materiais compósitos piezoelétricos se concentra principalmente no desenvolvimento de tipos de conexão, melhoria dos processos de moldagem e preparação de dispositivos multifuncionais.
Com o rápido desenvolvimento da nanotecnologia nos últimos anos, as nanocerâmicas gradualmente atraíram a atenção das pessoas. O nanopowder é formado e sinterizado para formar um nano cerâmico denso e uniforme a granel. A resistência, a resistência e a superplasticidade do material foram bastante aprimoradas, o que supera muitas deficiências da cerâmica de engenharia e tem um impacto importante nas propriedades mecânicas, elétricas, térmicas, magnéticas e ópticas do material. Ao selecionar o sistema de composição do material e adicionar partículas de nano-escala, bigodes, fibras de wafer etc. Para modificá-lo, podem ser obtidos materiais cerâmicos nano piezoelétricos com sinterização de alto desempenho e baixa temperatura. Ao controlar o crescimento de grãos nanocristalinos, podem ser obtidos efeitos de confinamento quântico e ferroelétricos com propriedades estranhas para melhorar a conversão eletromecânica e as propriedades de liberação térmica de materiais de pirólise piezoelétrica. Vários tipos de transformadores piezoelétricos, motoristas piezoelétricos, tecnologia de soldagem ultrassônica de alta potência, alimentadores vibratórios piezoelétricos, novas tecnologias de CVD ultrassônicas e engenharia ultrassônica de alta potência que apoiam as usinas nucleares que se desenvolveram rapidamente nos últimos anos.
Com o profundo entendimento da estrutura do material e a pesquisa e expansão da tecnologia de aplicativos, os materiais cerâmicos piezoelétricos serão amplamente utilizados em campos de alta tecnologia, como tecnologia eletrônica, tecnologia de comunicação, tecnologia a laser e biotecnologia. Com o rápido desenvolvimento desses campos e novas necessidades de desenvolvimento econômico e social, haverá requisitos mais altos para o desempenho da cerâmica piezoelétrica, como alta temperatura curta, alto coeficiente de acoplamento eletromecânico e fator de qualidade mecânica.
