EspañolVistas:156 Autor:Editor del sitio Hora de publicación: 2020-12-08 Origen:Sitio
La cerámica piezoeléctrica es una cerámica ferroeléctrica que están hechas de óxidos mixtos (circonia, óxido de plomo, óxido de titanio, etc.) después de la reacción de sinterización de alta temperatura y en fase sólida, y a través del tratamiento de polarización de alto voltaje de CC para hacer que tengan un efecto piezoeléctrico acogiladamente. Es un material cerámico funcional que puede convertir energía mecánica y energía eléctrica. Debido a sus buenas propiedades mecánicas y propiedades piezoeléctricas estables, la cerámica piezoeléctrica, como una fuerza importante, calor, electricidad y material funcional sensible a la luz, se han utilizado ampliamente en sensores, transductores ultrasónicos , micro-desplazadores y otros componentes electrónicos. Con la continua investigación y la mejora de la tecnología de materiales, así como el rápido desarrollo de campos de alta tecnología, como electrónica, información, aeroespacial, etc., la tecnología de producción y el desarrollo de aplicaciones de cerámica piezoeléctrica que contiene nuevos materiales altamente inteligentes son temas candentes.
Los electrones libres de la cerámica piezoeléctrica están dispuestos desordenados antes de la polarización. Después del tratamiento de polarización, la polarización residual se genera a lo largo de la dirección de polarización para convertirse en policristalino anisotrópico. Los electrones libres tienden a ser consistentes, y la piezoelectricidad se mejora enormemente. Como se muestra en la Figura 1 y la Figura 2, el material cerámico piezoeléctrico se puede hacer en cualquier forma y cualquier dirección de polarización. Los materiales cerámicos piezoeléctricos antes y después de la polarización tienen diferentes constantes dieléctricas (ε) y constantes piezoeléctricas (D).
Establezca la constante dieléctrica antes de la polarización:
ε11 = ε22 = ε33. Si el material piezoeléctrico se polariza en la dirección 3, las otras dos superficies de los electrodos son perpendiculares a la dirección de polarización. La constante dieléctrica después de la polarización: ε11 = ε22 ≠ ε33 y el valor de ε33 es mucho mayor que ε11. La constante piezoeléctrica de la cerámica piezoeléctrica también es anisotrópica, y el valor de la constante piezoeléctrica D también es diferente en diferentes direcciones. Entre ellos, el valor a lo largo de la dirección 3 es el más grande, es decir, D33> D31 y D32. Al medir con un amperímetro, solo D33 tiene corriente, y no se genera corriente en las otras dos direcciones. La polarización de la cerámica piezoeléctrica es muy similar a la magnetización de los imanes, y la intensidad del campo magnético antes y después de la magnetización cambiará enormemente.
La investigación sobre la tecnología de sinterización de baja temperatura de la cerámica piezoeléctrica comenzó después de 1960, generalmente desde los dos aspectos de agregar ayuda para sinterización y mejorar el proceso para reducir la temperatura de sinterización. Desde la década de 1980, los académicos en el hogar y en el extranjero han realizado una extensa investigación sobre la sinterización de baja temperatura de la cerámica piezoeléctrica. Li Longshi, de la Universidad de Tsinghua, agregó un co-solvente al sistema binario PZT y desarrolló un material con buen rendimiento y sinterizado a una temperatura baja de 960 grados Celsius. P. Yill et al. Se agregó ayudas de sinterización a las cerámicas a base de KNN para preparar materiales cerámicos piezoeléctricos sin plomo con un excelente rendimiento a bajas temperaturas. Además, los investigadores también han llevado a cabo muchas exploraciones útiles para mejorar el proceso y han logrado ciertos resultados.
Bajar la temperatura de sinterización de los materiales cerámicos piezoeléctricos generalmente se lleva a cabo desde los dos aspectos de agregar co-solvente y mejorar el proceso. Existen principalmente los siguientes cuatro métodos:
Agregar flujo al material base, hay tres métodos de sinterización de baja temperatura:
La primera forma es reducir la temperatura de sinterización formando una solución sólida. El reemplazo de iones provoca la distorsión de la red cristalina, aumenta los defectos estructurales y reduce la barrera entre los dominios eléctricos, facilitando así la difusión de iones y promoviendo la sinterización. La segunda forma es reducir la temperatura de sinterización formando la sinterización de la fase líquida. El reordenamiento del grano y el contacto fortalecido en la sinterización de fase líquida pueden aumentar la movilidad límite de grano, descargar completamente los poros, promover el crecimiento de los granos de cristal, aumentar la densidad del cuerpo de porcelana y lograr el propósito de reducir la temperatura de sinterización. La tercera forma es reducir la temperatura de sinterización y mejorar el rendimiento a través de la sinterización de fase líquida de transición. Los aditivos de bajo punto de fusión primero forman una fase líquida para promover la sinterización durante el proceso de sinterización, y luego sirven como la fase final en el proceso de sinterización tardía, chupando nuevamente a la fase cristalina principal y desempeñando un papel de la modificación de dopaje.
Este 'efecto dual ' de los aditivos de bajo punto de fusión puede reducir la temperatura de sinterización en 250-300 ℃ y mejorar el rendimiento.
El método de síntesis química puede reducir la temperatura de sinterización, pero el rango de enfriamiento es limitado y la temperatura de sinterización del material aún es más alta que 1000 ℃.
La sinterización de presión caliente puede aumentar la fuerza impulsora de la cerámica de sinterización, y facilitar la difusión de poros o vacantes desde el límite de grano hasta el cuerpo cerámico, aumentando así la densidad del cuerpo cerámico y reduciendo la temperatura de sinterización. Utilizando el material cerámico piezoeléctrico PZT sinterizado en caliente, la temperatura de sinterización se reduce en 150-200 ℃, y el rendimiento también mejora mucho.
Bajo la presión de cientos de miles de atmósferas, el polvo puede densificarse y sinterizar. Por ejemplo, el polvo de cerámica PZT emisivo fue prensado en frío a 150,000 atmósferas, y como resultado, se obtuvo un cuerpo cerámico con una densidad de 7,2 g/cm (90% de la densidad teórica), y el polvo cerámico era originalmente amarillo terroso. Prensado en frío y sinterizado en un cuerpo de porcelana gris-negro.
Compare la investigación anterior sobre la sinterización de baja temperatura de los materiales cerámicos piezoeléctricos en el hogar y en el extranjero. Hay las siguientes conclusiones:
(1) Al formar una solución sólida para reducir la temperatura de sinterización, el reemplazo de iones debe llevarse a cabo bajo ciertas condiciones, y los defectos estructurales resultantes son limitados, por lo que la caída de la temperatura no es grande, generalmente dentro de 200 ℃.
(2) El efecto de reducir la temperatura de sinterización a través de la formación de una fase líquida es obvio, pero el producto de fase líquida permanece en la microestructura cerámica. La existencia de este producto de bajo punto de fusión provocará que la resistencia mecánica del material, las propiedades dieléctricas y las propiedades piezoeléctricas disminuyan
(3) La temperatura de sinterización cuando el polvo se realiza mediante síntesis química aún es superior a 1000 grados centígrados. Además, debido a las diferentes capacidades de compuesto de varios iones metálicos en la solución, durante el proceso de deshidratación o calcinización, los compuestos pueden separar o formar otros compuestos. Se puede ver que no todas las materias primas pueden prepararse mediante síntesis química.
(4) Durante el proceso de sinterización de presión caliente, la orientación de grano de cristal se producirá para hacer que sus propiedades piezoeléctricas direccionales. El cuerpo cerámico se enfriará en el molde para producir un mayor estrés interno, lo que afectará las propiedades piezoeléctricas, y la temperatura de sinterización no puede bajar demasiado.
(5) El uso del 'efecto dual' de los aditivos de bajo punto de fusión puede reducir en gran medida la temperatura de sinterización al tiempo que mejora las propiedades piezoeléctricas del material, con bajo costo y proceso simple. Este es un método ideal para la sinterización de baja temperatura de la cerámica piezoeléctrica.
Desde el nacimiento del primer titanato de bario de material piezoeléctrico de cerámica en 1942, como un producto de aplicación de cerámica piezoeléctrica, se ha extendido por todos los aspectos de la vida de las personas. La aplicación de materiales piezoeléctricos como enlace del acoplamiento electromecánico se puede dividir aproximadamente en dos aspectos: la aplicación de dispositivos de control de frecuencia de cerámica piezoeléctrica representados por resonadores piezoeléctricos y la aplicación de aplicaciones cuasiestáticas que convierten energía mecánica y energía eléctrica.
La cerámica piezoeléctrica polarizada, es decir, el vibrador piezoeléctrico, tiene la frecuencia de vibración natural determinada por su tamaño y el efecto piezoeléctrico puede obtener una oscilación eléctrica estable. Cuando la frecuencia del voltaje aplicado es la misma que la frecuencia de vibración natural del vibrador piezoeléctrico, se causará resonancia y la amplitud aumentará considerablemente. En este proceso, el campo eléctrico alterno genera tensión a través del efecto piezoeléctrico inverso, y la cepa genera una corriente a través del efecto piezoeléctrico positivo. Realice la conversión mutua máxima entre la energía eléctrica y la energía mecánica. Se pueden fabricar las características de los vibradores piezoeléctricos, varios filtros, resonadores y otros dispositivos. Estos dispositivos tienen bajo costo, tamaño pequeño, sin absorción de humedad, larga vida útil, buena estabilidad de frecuencia, factor de calidad equivalente más alto que los filtros LC, el amplio rango de frecuencia y la alta precisión, especialmente utilizada en la comunicación múltiple y la recepción de modulación de amplitud y varios instrumentos de comunicación de radio y medición de instrumentos pueden mejorar la capacidad anti-interferencia. Por lo tanto, ha reemplazado una parte considerable de los osciladores y filtros electromagnéticos, y esta tendencia aún se está desarrollando.
Los transformadores piezoeléctricos se realizan utilizando las características de la conversión mutua de energía eléctrica y energía mecánica del efecto piezoeléctrico. Se compone de dos partes, un extremo de entrada y un extremo de salida, y las direcciones de polarización son perpendiculares entre sí. El extremo de entrada se polariza en la dirección del espesor, y el voltaje alterno se aplica para la vibración longitudinal. Debido al efecto piezoeléctrico inverso, habrá una salida de alto voltaje en la salida. El transformador de cerámica piezoeléctrica es un nuevo tipo de dispositivo electrónico de estado sólido. En comparación con el transformador electromagnético tradicional, tiene una estructura simple, un tamaño pequeño, liviano, una relación de transformación grande, buena estabilidad, sin interferencia electromagnética y ruido, alta eficiencia, alta densidad de energía, alta seguridad, sin devanado, sin ventajas de combustión, sin fenómeno magnético y fenómeno de fuga magnética y contaminación de radiación electromagnética.
Según el modo de trabajo del transformador de cerámica piezoeléctrica, se puede dividir en las siguientes categorías: transformador de cerámica piezoeléctrica tipo rosen, modo de vibración de espesor de vibración transformador de cerámica piezoeléctrica, modo de vibración radial transformador de cerámica piezoeléctrica. En los últimos años, han aparecido algunos transformadores piezoeléctricos con un mejor rendimiento, como el modo de vibración de tercer orden Rosen Transformador de cerámica piezoeléctrica con dos terminales de entrada y el transformador de cerámica piezoeléctrica multicapa de alta potencia. En la actualidad, los transformadores de cerámica piezoeléctricos se utilizan principalmente para AC-DC, DC-DC y otros dispositivos de alimentación y dispositivos de generación de alto voltaje, como tubos de cátodo frío, tubos de neón, tubos con láser y pequeños tubos de rayos X, pulverización electrostática de alto voltaje, reducción electrostática de alto voltaje y conducción de tubo de pantalla radar, etc.
El transductor piezoeléctrico utiliza el efecto piezoeléctrico de la cerámica piezoeléctrica y el efecto piezoeléctrico inverso para realizar la conversión mutua de energía eléctrica y energía sonora. El transductor ultrasónico piezoeléctrico es uno de ellos. Es un dispositivo acústico submarino que transmite y recibe ondas ultrasónicas bajo el agua. Bajo la acción de las ondas de sonido, el transductor piezoeléctrico en el agua induce cargas eléctricas en ambos extremos del transductor. Este es el receptor de onda de sonido. Si se aplica un campo eléctrico alterno a una hoja de cerámica piezoeléctrica, la lámina de cerámica se volverá más delgada y gruesa de vez en cuando, y vibrará y emitirá ondas de sonido. Este es un transmisor ultrasónico. Los transductores piezoeléctricos también se usan ampliamente en la industria para la navegación submarina, la exploración oceánica, la medición de precisión, la limpieza ultrasónica, la detección sólida, las imágenes médicas, el diagnóstico ultrasónico y el tratamiento de la enfermedad ultrasónica. Otro campo de aplicación de actuales los transductores ultrasónicos piezoeléctricos son los sistemas de telemetría y control remoto. Ejemplos de aplicación específicos incluyen timbres de cerámica piezoeléctrica, encendedores piezoeléctricos, microscopios ultrasónicos, etc.
El motor ultrasónico piezoeléctrico es un nuevo tipo de micromotor que utiliza el efecto piezoeléctrico inverso de la cerámica piezoeléctrica para generar vibración ultrasónica, amplifica la deformación micro de la resonancia y está impulsado por la fricción entre la parte vibratoria y la parte mudanza, sin la coil electromagnética usual. En comparación con los motores electromagnéticos tradicionales, tiene bajo costo, estructura simple, tamaño pequeño, alta densidad de potencia, buen rendimiento de baja velocidad (la operación de baja velocidad se puede lograr sin mecanismo de desaceleración), gran torque y torque de frenado, respuesta rápida y precisión de control alto, sin campo magnético y campo eléctrico, sin interferencia electromagnética y ruido intermagnético. Los motores ultrasónicos piezoeléctricos se utilizan ampliamente en instrumentos de precisión, aeroespacial, control automático, automatización de oficinas, sistemas microgecánicos, microensamblaje, posicionamiento de precisión y otros campos debido a sus propias características y ventajas de rendimiento. En la actualidad, Japón se encuentra en la posición principal de la tecnología en este campo. Los motores ultrasónicos piezoeléctricos se han utilizado ampliamente para el enfoque automático de cámaras y cámaras de video, y se han formado series de productos a gran escala.
La cerámica piezoeléctrica sin plomo también se llama cerámica piezoeléctrica compatible con el medio ambiente. Requiere que los materiales cerámicos no produzcan sustancias que puedan ser perjudiciales para el medio ambiente en el proceso de preparación, uso y eliminación, para evitar daños a la salud humana y reducir la contaminación ambiental. Entre los diversos materiales de cerámica piezoeléctrica que contienen plomo actualmente utilizados en la industria, el contenido de óxido de plomo representa más del 60% de la masa total del material. Es evidente que estos materiales causan daño al cuerpo humano y al medio ambiente en el proceso de fabricación de componentes, procesamiento, almacenamiento y transporte, uso y eliminación de desechos. Por lo tanto, los materiales cerámicos piezoeléctricos frenéticos sin plomo son una dirección importante de investigación y desarrollo en los últimos años. Sin embargo, los materiales cerámicos piezoeléctricos utilizados actualmente se basan principalmente en PZT, y su rendimiento piezoeléctrico es mucho mejor que otros materiales cerámicos piezoeléctricos. Además, las propiedades eléctricas del material se pueden ajustar a través de la modificación de dopaje y el control de procesos para cumplir con varios requisitos de aplicación.
Para desempeñar un papel en la aplicación de hidrófonos, los materiales compuestos piezoeléctricos se desarrollaron gradualmente en la década de 1970. El material compuesto piezoeléctrico es una especie de material compuesto funcional con un efecto piezoeléctrico compuesto de fase cerámica piezoeléctrica y fase de polímero en un determinado modo de conexión. Debido a la adición de la fase de polímero flexible, la densidad, la impedancia acústica y la constante dieléctrica del material compuesto piezoeléctrico se reducen, mientras que la figura del mérito y el coeficiente de acoplamiento electromecánico del material compuesto, lo que supera la fragilidad y la pieles de la piezoelectricidad de las cerámicas piqueeléctricas simples. Desventajas del alto costo de los polímeros. Además de ser utilizados como hidrófonos, los compuestos piezoeléctricos también se utilizan en los campos industriales, médicos y de comunicaciones. Después de más de 40 años de investigación continua sobre compuestos piezoeléctricos, su investigación de aplicaciones ha logrado un progreso considerable, pero su teoría completa aún no se ha establecido, y el desarrollo de su aplicación aún no se ha explorado. En la actualidad, la investigación de materiales compuestos piezoeléctricos se centra principalmente en el desarrollo de los tipos de conexión, la mejora de los procesos de moldeo y la preparación de dispositivos multifuncionales.
Con el rápido desarrollo de la nanotecnología en los últimos años, las nanocerámicas han atraído gradualmente la atención de las personas. El nanopowder se forma y sinterizado para formar una nano cerámica a granel densa y uniforme. La dureza, la fuerza y la superplasticidad del material se han mejorado enormemente, lo que supera muchas deficiencias de la cerámica de ingeniería y tiene un impacto importante en las propiedades mecánicas, eléctricas, térmicas, magnéticas y ópticas del material. Al seleccionar el sistema de composición de material y agregar partículas de nanoescala, bigotes, fibras de obleas, etc. Para modificarlo, se puede obtener materiales cerámicos piezoeléctricos nano con sinterización de alto rendimiento y baja temperatura. Al controlar el crecimiento de los granos nanocristalinos, se pueden obtener efectos de confinamiento cuántico y ferroeléctricos con propiedades extrañas para mejorar la conversión electromecánica y las propiedades de liberación térmica de los materiales de pirólisis piezoeléctrica. Varios tipos de transformadores piezoeléctricos, controladores piezoeléctricos, tecnología de soldadura ultrasónica de alta potencia, alimentadores vibratorios piezoeléctricos, nueva tecnología de ECV ultrasónica y ingeniería ultrasónica de alta potencia que respaldan las centrales nucleares que se han desarrollado rápidamente en los últimos años son todos nano-cerámica en la piezoelectricidad.
Con la comprensión profunda de la estructura del material y la investigación y expansión de la tecnología de aplicación, los materiales cerámicos piezoeléctricos se utilizarán ampliamente en campos de alta tecnología, como tecnología electrónica, tecnología de comunicación, tecnología láser y biotecnología. Con el rápido desarrollo de estos campos y las nuevas necesidades de desarrollo económico y social, habrá mayores requisitos para el rendimiento de la cerámica piezoeléctrica, como la alta temperatura de la curie, el alto coeficiente de acoplamiento electromecánico y el factor de calidad mecánica.
