FrançaisNombre Parcourir:156 auteur:Éditeur du site publier Temps: 2020-12-08 origine:Propulsé
Les céramiques piézoélectriques sont des céramiques ferroélectriques qui sont faites d'oxydes mixtes (zircone, oxyde de plomb, oxyde de titane, etc.) après un frittage à haute température et une réaction en phase solide, et par un traitement de polarisation à haute tension DC pour leur faire avoir un effet piézoélectrique à haute teneur en fonction. Il s'agit d'un matériau en céramique fonctionnel qui peut convertir l'énergie mécanique et l'énergie électrique. En raison de ses bonnes propriétés mécaniques et de ses propriétés piézoélectriques stables, de la céramique piézoélectrique, en tant que force importante, chaleur, électricité et matériau fonctionnel sensible à la lumière, ont été largement utilisés dans les capteurs, les transducteurs ultrasoniques , les micro-displateurs et d'autres composants électriques. Avec la recherche continue et l'amélioration de la technologie des matériaux, ainsi que le développement rapide de champs de haute technologie tels que l'électronique, l'information, l'aérospatiale, etc., la technologie de production et le développement d'applications de céramiques piézoélectriques contenant de nouveaux matériaux très intelligents sont des sujets chauds.
Les électrons libres de céramiques piézoélectriques sont disposés désordonnés avant la polarisation. Après le traitement de polarisation, la polarisation résiduelle est générée le long de la direction de polarisation pour devenir polycristallin anisotrope. Les électrons libres ont tendance à être cohérents et la piézoélectricité est considérablement améliorée. Comme le montre la figure 1 et la figure 2, le matériau en céramique piézoélectrique peut être transformé en n'importe quelle forme et dans n'importe quelle direction de polarisation. Les matériaux en céramique piézoélectrique avant et après la polarisation ont des constantes diélectriques différentes (ε) et des constantes piézoélectriques (D).
Réglez la constante diélectrique avant la polarisation:
ε11 = ε22 = ε33. Si le matériau piézoélectrique est polarisé dans la direction 3, les deux autres surfaces d'électrodes sont perpendiculaires à la direction de polarisation. La constante diélectrique après polarisation: ε11 = ε22 ≠ ε33 et la valeur de ε33 est beaucoup plus grande que ε11. La constante piézoélectrique de la céramique piézoélectrique est également anisotrope, et la valeur de la constante piézoélectrique D est également différente dans différentes directions. Parmi eux, la valeur le long de la direction 3 est la plus importante, c'est-à-dire D33> D31 et D32. Lors de la mesure avec un ambètre, seul D33 a un courant et aucun courant n'est généré dans les deux autres directions. La polarisation de la céramique piézoélectrique est très similaire à l'aimantation des aimants, et la force du champ magnétique avant et après la magnétisation changera considérablement.
Les recherches sur la technologie de frittage à basse température de la céramique piézoélectrique ont commencé après 1960, généralement à partir des deux aspects de l'ajout d'aide à frittage et d'amélioration du processus pour réduire la température de frittage. Depuis les années 1980, les chercheurs au pays et à l'étranger ont mené des recherches approfondies sur le frittage à basse température des céramiques piézoélectriques. Li Longshi de l'Université de Tsinghua a ajouté un co-solvant au système binaire PZT et a développé un matériau avec de bonnes performances et fritté à basse température de 960 degrés Celsius. Q. Yill et al. Ajout d'aides à frittage à des céramiques à base de KNN pour préparer des matériaux en céramique piézoélectrique sans plomb avec d'excellentes performances à basse température. De plus, les chercheurs ont également effectué de nombreuses explorations utiles dans l'amélioration du processus et ont obtenu certains résultats.
La baisse de la température de frittage des matériaux en céramique piézoélectrique est généralement réalisée à partir des deux aspects de l'ajout de co-solvant et d'amélioration du processus. Il existe principalement les quatre méthodes suivantes:
Ajoutant du flux au matériau de base, il existe trois méthodes de frittage à basse température:
La première façon est de réduire la température de frittage en formant une solution solide. Le remplacement des ions provoque la distorsion du réseau cristallin, augmente les défauts structurels et réduit la barrière entre les domaines électriques, facilitant ainsi la diffusion des ions et favorisant le frittage. La deuxième façon est de réduire la température de frittage en formant le frittage de la phase liquide. Le réarrangement des grains et le contact renforcé dans le frittage de la phase liquide peuvent augmenter la mobilité des frontières des grains, décharger complètement les pores, favoriser la croissance des grains de cristal, augmenter la densité du corps en porcelaine et atteindre le but de réduire la température de frittage. La troisième façon est de réduire la température de frittage et d'améliorer les performances grâce à un frittage de phase liquide de transition. Les additifs à faible point de fusion forment d'abord une phase liquide pour favoriser le frittage pendant le processus de frittage, puis servir de phase finale du processus de frittage tardif, sucer la phase cristalline principale et jouer un rôle de modification du dopage.
Cet 'double effet ' de faibles additifs de point de fusion peut réduire la température de frittage de 250-300 ℃ et améliorer les performances.
La méthode de synthèse chimique peut réduire la température de frittage, mais la plage de refroidissement est limitée et la température de frittage du matériau est encore supérieure à 1000 ℃.
Le frittage à chaud peut augmenter la force motrice de frittage de la céramique et faciliter la diffusion des pores ou des postes vacants de la limite de grains au corps en céramique, augmentant ainsi la densité du corps en céramique et réduisant la température de frittage. En utilisant un matériau en céramique piézoélectrique pzoélectrique fritté à chaud, la température de frittage est réduite de 150-200 ℃, et les performances sont également beaucoup améliorées.
Sous la pression de centaines de milliers d'atmosphères, la poudre peut être densifiée et frittée. Par exemple, la poudre de céramique PZT émissive a été pressée à froid à 150 000 atmosphères, et par conséquent, un corps en céramique avec une densité de 7,2 g / cm (90% de la densité théorique) a été obtenu et la poudre de céramique était à l'origine jaune terreux. Pressé à froid et fritté dans un corps en porcelaine gris-noir.
Comparez les recherches ci-dessus sur le frittage à basse température des matériaux en céramique piézoélectrique au pays et à l'étranger. Il y a les conclusions suivantes:
(1) Lors de la formation d'une solution solide pour abaisser la température de frittage, le remplacement des ions doit être effectué dans certaines conditions, et les défauts structurels résultants sont limités, de sorte que la chute de température n'est pas importante, généralement à moins de 200 ℃.
(2) L'effet de la baisse de la température de frittage par la formation d'une phase liquide est évident, mais le produit de phase liquide reste dans la microstructure en céramique. L'existence de ce produit à faible point de fusion entraînera une baisse de la résistance mécanique du matériau, des propriétés diélectriques et des propriétés piézoélectriques
(3) La température de frittage lorsque la poudre est fabriquée par synthèse chimique est encore supérieure à 1000 degrés Celsius. De plus, en raison des différentes capacités de composition de divers ions métalliques dans la solution, pendant le processus de déshydratation ou de calcination, les composés peuvent séparer ou former d'autres composés. On peut voir que toutes les matières premières ne peuvent pas être préparées par synthèse chimique.
(4) Pendant le processus de frittage à chaud, l'orientation des grains de cristal sera produite pour rendre ses propriétés piézoélectriques directionnelles. Le corps en céramique sera refroidi dans le moule pour produire une plus grande contrainte interne, ce qui affectera les propriétés piézoélectriques, et la température de frittage ne peut pas être abaissée trop bas.
(5) L'utilisation du 'double effet ' des additifs à faible point de fusion peut réduire considérablement la température de frittage tout en améliorant les propriétés piézoélectriques du matériau, avec un faible coût et un processus simple. Il s'agit d'une méthode idéale pour le frittage à basse température de la céramique piézoélectrique.
Depuis la naissance du premier titanate de baryum en céramique piézoélectrique en 1942, en tant que produit d'application de la céramique piézoélectrique, il s'est répandu dans tous les aspects de la vie des gens. L'application de matériaux piézoélectriques comme lien du couplage électromécanique peut être à peu près divisé en deux aspects: l'application de dispositifs de contrôle de fréquence en céramique piézoélectrique représentés par les résonateurs piézoélectriques et l'application d'applications quasi-statiques qui convertissent l'énergie mécanique et l'énergie électrique.
La céramique piézoélectrique polarisée, c'est-à-dire le vibrateur piézoélectrique, a la fréquence de vibration naturelle déterminée par sa taille et l'effet piézoélectrique peut obtenir une oscillation électrique stable. Lorsque la fréquence de la tension appliquée est la même que la fréquence de vibration naturelle du vibrateur piézoélectrique, la résonance sera causée et l'amplitude sera considérablement augmentée. Dans ce processus, le champ électrique alterné génère une déformation à travers l'effet piézoélectrique inverse et la déformation génère un courant à travers l'effet piézoélectrique positif. Réalisez la conversion mutuelle maximale entre l'énergie électrique et l'énergie mécanique. L'utilisation des caractéristiques des vibrateurs piézoélectriques, divers filtres, résonateurs et autres appareils peut être fabriqué. Ces appareils ont un coût à faible coût, de petite taille, pas d'absorption d'humidité, une longue durée de vie, une bonne stabilité de fréquence, un facteur de qualité équivalent plus élevé que les filtres LC, une large gamme de fréquences et une grande précision, en particulier utilisées dans la communication multicanal et la réception de modulation d'amplitude et divers instruments de radio et de mesure peuvent améliorer la capacité anti-ininterference. Il a donc remplacé une partie considérable des oscillateurs et des filtres électromagnétiques, et cette tendance se développe toujours.
Les transformateurs piézoélectriques sont fabriqués en utilisant les caractéristiques de la conversion mutuelle de l'énergie électrique et de l'énergie mécanique de l'effet piézoélectrique. Il est composé de deux parties, d'une extrémité d'entrée et d'une extrémité de sortie, et les directions de polarisation sont perpendiculaires les unes aux autres. L'entrée est polarisée dans la direction de l'épaisseur et la tension alternée est appliquée pour les vibrations longitudinales. En raison de l'effet piézoélectrique inverse, il y aura une sortie à haute tension à la sortie. Le transformateur en céramique piézoélectrique est un nouveau type de dispositif électronique à semi-conducteurs. Par rapport au transformateur électromagnétique traditionnel, il a une structure simple, une petite taille, un rapport de transformation léger et grand, une bonne stabilité, aucune interférence électromagnétique et un bruit, une efficacité élevée, une densité à haute énergie, une sécurité élevée, pas de l'enroulement, pas d'avantages de la combustion, pas de phénomène de fuite magnétique.
Selon le mode de travail du transformateur en céramique piézoélectrique, il peut être divisé en catégories suivantes: transformateur en céramique piézoélectrique de type rosen, transformateur en céramique piézoélectrique en mode vibration, mode de vibration radiale. Ces dernières années, certains transformateurs piézoélectriques avec de meilleures performances sont apparus, tels que le transformateur en céramique piézoélectrique en mode de vibration du troisième ordre avec deux bornes d'entrée et le transformateur en céramique piézoélectrique multicouche multicouche haute puissance. À l'heure actuelle, les transformateurs en céramique piézoélectrique sont principalement utilisés pour AC-DC, DC-DC, et d'autres dispositifs d'alimentation et des dispositifs de génération de haute tension, tels que les tubes à cathode froide, les tubes néon, les tubes laser et les petits tubes à rayons X, le tube à affichage radar, etc.
Le transducteur piézoélectrique utilise l'effet piézoélectrique de la céramique piézoélectrique et l'effet piézoélectrique inversé pour réaliser la conversion mutuelle de l'énergie électrique et de l'énergie sonore. Le transducteur à ultraso-piezoélectrique en fait partie. Il s'agit d'un dispositif acoustique sous-marin qui transmet et reçoit des ondes ultrasoniques sous l'eau. Sous l'action des ondes sonores, le transducteur piézoélectrique dans l'eau induit des charges électriques aux deux extrémités du transducteur. Ceci est le récepteur d'ondes sonores. Si un champ électrique alterné est appliqué à une feuille de céramique piézoélectrique, la feuille de céramique deviendra de plus en plus mince et plus épaisse de temps en temps, et elle vibre et émettra des ondes sonores. Il s'agit d'un émetteur à ultrasons. Les transducteurs piézoélectriques sont également largement utilisés dans l'industrie pour la navigation sous-marine, l'exploration des océans, la mesure de précision, le nettoyage à ultrasons, la détection solide, l'imagerie médicale, le diagnostic à ultrasons et le traitement des maladies ultrasoniques. Un autre champ d'application des d'aujourd'hui transducteurs ultrasoniques piézoélectriques est les systèmes de télémétrie et de télécommande. Des exemples d'application spécifiques incluent des buzzers en céramique piézoélectrique, des allumeurs piézoélectriques, des microscopes à ultrasons, etc.
Le moteur à ultrasons piézoélectrique est un nouveau type de micromotrice qui utilise l'effet piézoélectrique inverse de la céramique piézoélectrique pour générer des vibrations ultrasoniques, amplifie la micro-déformation du matériau par résonance, et est entraînée par la friction entre la partie vibrante et la partie mobile, sans la puil électromagnétique usagée. Par rapport aux moteurs électromagnétiques traditionnels, il a un coût à faible coût, une structure simple, une petite taille, une densité élevée de puissance, de bonnes performances à basse vitesse (un fonctionnement à basse vitesse peut être obtenu sans mécanisme de décélération), un grand couple et un couple de freinage, une réponse rapide et une précision de contrôle élevée, pas de champ magnétique et de champ électrique, pas d'interférence électromagnétique et de bruit électromagnétique. Les moteurs ultrasoniques piézoélectriques sont largement utilisés dans les instruments de précision, l'aérospatiale, le contrôle automatique, l'automatisation de bureau, les systèmes micro-mécaniques, le micro-assemblage, le positionnement de précision et d'autres domaines en raison de leurs propres caractéristiques et avantages de performance. À l'heure actuelle, le Japon est dans la position de technologie principale dans ce domaine. Les moteurs à ultrasons piézoélectriques ont été largement utilisés pour la focalisation automatique des caméras et des caméras vidéo, et des séries de produits à grande échelle ont été formées.
La céramique piézoélectrique sans plomb est également appelée céramique piézoélectrique compatible respectueuse. Il faut que les matériaux en céramique ne produisent pas de substances qui peuvent être nocives pour l'environnement en cours de préparation, d'utilisation et d'élimination, afin d'éviter les dommages à la santé humaine et de réduire la pollution de l'environnement. Parmi les divers matériaux en céramique piézoélectrique contenant du plomb actuellement utilisés dans l'industrie, la teneur en oxyde de plomb représente plus de 60% de la masse totale du matériau. Il est évident que ces matériaux nuisent au corps humain et à l'environnement dans le processus de fabrication, de traitement, de stockage et de transport, d'utilisation et d'élimination des déchets. Par conséquent, les matériaux en céramique piézoélectrique sans rendez-vous sans plomb sont une direction importante de la recherche et du développement ces dernières années. Cependant, les matériaux en céramique piézoélectrique actuellement utilisés sont principalement basés sur le PZT, et ses performances piézoélectriques sont bien meilleures que les autres matériaux de céramique piézoélectrique. De plus, les propriétés électriques du matériau peuvent être ajustées par la modification du dopage et le contrôle du processus pour répondre à diverses exigences d'application.
Afin de jouer un rôle dans l'application d'hydrophones, les matériaux composites piézoélectriques ont été progressivement développés dans les années 1970. Le matériau composite piézoélectrique est une sorte de matériau composite fonctionnel avec un effet piézoélectrique composé de phase de céramique piézoélectrique et de phase de polymère en un certain mode de connexion. En raison de l'ajout de la phase polymère flexible, la densité, l'impédance acoustique et la constante diélectrique du matériau composite piézoélectrique sont réduites, tandis que la figure du mérite et le coefficient de couplage électromécanique du matériau composite sont améliorés, ce qui surmonte la vigneté et le piézoélectricité des céradiques piézoélectriques simples. Inconvénients du coût élevé des polymères. En plus d'être utilisés comme hydrophones, les composites piézoélectriques sont également utilisés dans les champs industriels, médicaux et de communication. Après plus de 40 ans de recherche continue sur les composites piézoélectriques, ses recherches sur les applications ont réalisé des progrès considérables, mais sa théorie complète n'a pas encore été établie et son développement d'applications n'a pas encore été exploré. À l'heure actuelle, la recherche sur les matériaux composites piézoélectriques se concentre principalement sur le développement des types de connexions, l'amélioration des processus de moulage et la préparation de dispositifs multifonctionnels.
Avec le développement rapide de la nanotechnologie ces dernières années, les nanoceramiques ont progressivement attiré l'attention des gens. La nanopourbe est formée et frittée pour former une nano céramique dense et uniforme en vrac. La ténacité, la résistance et la superplasticité du matériau ont été considérablement améliorées, ce qui surmonte de nombreuses lacunes de céramique d'ingénierie, et a un impact important sur les propriétés mécaniques, électriques, thermiques, magnétiques et optiques du matériau. En sélectionnant le système de composition des matériaux et en ajoutant des particules de nano-échelle, des moustaches, des fibres de tranche, etc. En contrôlant la croissance des grains nanocristallins, des effets de confinement quantique et des ferroélectriques avec des propriétés étranges peuvent être obtenues pour améliorer la conversion électromécanique et les propriétés de libération thermique des matériaux de pyrolyse piézoélectrique. Divers types de transformateurs piézoélectriques, de pilotes piézoélectriques, de technologie de soudage à ultrasons à haute puissance, de mangeoires vibrantes vibrantes piézoélectriques, de nouvelles technologies de MCV ultrasoniques et d'ingénierie ultrasonique haute puissance soutenant les centrales nucléaires qui se sont développées rapidement ces dernières années sont tous des nano-ceramiques nano-céréamiques dans la piézoélectricité.
Avec la compréhension approfondie de la structure des matériaux et de la recherche et de l'expansion de la technologie des applications, les matériaux en céramique piézoélectrique seront largement utilisés dans des champs de haute technologie tels que la technologie électronique, la technologie de la communication, la technologie laser et la biotechnologie. Avec le développement rapide de ces domaines et de nouveaux besoins de développement économique et social, il y aura des exigences plus élevées pour la performance de la céramique piézoélectrique, telles que la température élevée de la curie, le coefficient de couplage électromécanique élevé et le facteur de qualité mécanique.
