Application du titanate de zirconate de plomb (PZT) utilisé pour l'actionneur piézoélectrique

1. Introduction

Les matériaux intelligents comprennent des matériaux de détection et des matériaux de conduite. Les matériaux perceptifs sont une classe de matériaux qui ont une fonction de détection pour la contrainte externe ou interne, la tension, la chaleur, la lumière, l'électricité, le magnétisme, l'énergie rayonnante et les quantités chimiques. Ils peuvent être utilisés pour fabriquer divers appareils de capteur; Les matériaux qui répondent aux conditions environnementales ou aux changements internes et effectuent des actions qui peuvent être utilisées pour fabriquer une variété de dispositifs d'entraînement. L'appareil intelligent est un actionneur piézo avec une fonction de lecteur de détection en matériaux intelligents. La structure intelligente est composée de matériaux et d'appareils. Il intègre la détection, le traitement du signal, le contrôle et la conduite dans un système de matériaux ou un système structurel. Il peut détecter l'environnement ou les paramètres internes, traiter les informations, émettre des commandes, exécuter et effectuer des actions. pour atteindre l'auto-diagnostic, l'auto-guérison et l'adaptation. L'application de systèmes et de structures matérielles intelligents est très étendue, non seulement dans les armes de défense de défense telles que les avions, les navires de guerre, etc., mais aussi dans des domaines stratégiquement importants de l'économie nationale, en particulier dans les domaines de haute technologie. Les matériaux principaux complétant actuellement les systèmes et les structures de matériaux intelligents sont les matériaux de mémoire de forme, les matériaux piézoélectriques (y compris la céramique piézoélectrique, les polymères piézoélectriques), les matériaux électrostricttifs, les fibres optiques et les variantes électrorhéiques, les variantes magnétorhéologiques, et similaires. L'utilisation de ces matériaux intelligents, combinés avec une conception et une fabrication composites intelligentes et sophistiquées, ce qui se traduit par un système et une structure de matériaux entraînés, détectés et contrôlés.

Les matériaux piézoélectriques sont une classe majeure de matériaux dans les systèmes et structures de matériaux intelligents. Un cristal diélectrique deTransducteur de céramique piézoélectriqueavec un effet piézoélectrique sera polarisé et former une charge de surface sous l'action de la contrainte mécanique. Si un tel cristal diélectrique est placé dans un champ électrique, l'action du champ électrique entraînera un déplacement relatif des centres de charge positifs et négatifs à l'intérieur du diélectrique pour provoquer une déformation. . Étant donné que le matériau piézoélectrique a les caractéristiques ci-dessus, l'uniformité de l'élément piézo-piezo et de l'élément d'action peuvent être réalisés. Les matériaux piézoélectriques peuvent être largement utilisés dans les matériaux et les structures intelligents, en particulier pour l'autodiagnostic des matériaux, l'auto-adaptation, la réduction des vibrations et le contrôle du bruit. Les types de matériaux piézoélectriques se sont développés, notamment un monocristal, une polycristalline, un verre microcristallin, des polymères organiques et des matériaux composites. Depuis les années 1980, avec la fin du point culminant des matériaux en céramique piézoélectrique du développement de systèmes binaires aux systèmes ternaires et multi-composants, la recherche sur les matériaux piézoélectriques a été lente. Avec le développement rapide de la science et de la technologie, le développement et l'exploration sous la demande d'application ont donné un nouvel élan à la recherche sur les matériaux piézoélectriques. Avec les efforts inlassables des travailleurs scientifiques et de la technologie dans la recherche fondamentale et l'amélioration des processus de production, le nouveau type de pression a eu lieu au cours de la dernière décennie. L'émergence continue de matériaux électriques a fait la recherche sur les matériaux piézoélectriques.

2 Aperçu des matériaux piézoélectriques

Dans leCrystal de céramique piézoélectrique, l'asymétrie de la disposition des ions positifs et négatifs et la non-coïncidence du centre de gravité des charges positives et négatives de l'unité forment un moment dipolaire électrique. Ces moments dipolaires électriques sont alignés dans une certaine direction pour devenir une structure de domaine, et les domaines sont désordonnés sur le cristal. Les effets de polarisation s'annulent mutuellement, la polarisation dans le matériau est nulle et la direction de polarisation du domaine polarisée par le champ électrique DC a tendance à être dans la même direction. Lorsqu'une force externe agit sur le matériau piézoélectrique pour provoquer une déformation, le matériau est lié positivement et négativement. La hauteur de la charge devient plus petite et l'intensité de polarisation devient également plus petite. La charge libre à l'origine adsorbée sur l'électrode est partiellement libérée, et le phénomène de décharge se produit, qui est appelé l'effet piézoélectrique positif; Un certain champ électrique d'intensité est appliqué aux deux pôles du matériau piézoélectrique, et l'espacement des charges positives et négatif est plus grand, l'intensité de polarisation devient également plus grande et certaines charges libres sont adsorbées sur les électrodes pour provoquer la charge phénomène. La charge électrique se déplace dans le circuit pour sortir de l'énergie mécanique à l'extérieur, qui est appelée l'effet piézoélectrique inverse.

2.3 Méthode de préparation des matériaux piézoélectriques

Pour différents matériaux piézoélectriques, une méthode de préparation appropriée est sélectionnée selon son application, les caractéristiques. La méthode de préparation est divisée en une méthode de phase solide, une méthode de phase liquide et une méthode de phase gazeuse selon la phase de la phase qui se produit pendant la préparation.

2.3.1 Méthode de phase solide

Lorsque le PZT Piezo est préparé par la méthode de phase solide traditionnelle, la température de frittage supérieure à 1200 ° C provoquera la volatilisation de PBO. Il est difficile de contrôler le rapport stoechiométrique, ce qui rend difficile la microstructure et les propriétés électriques du matériau à contrôler. Il convient aux matières premières, aux processus simples et aux matériaux piézoélectriques. Où les exigences de performance ne sont pas élevées.

2.3.2 Méthode de phase liquide

La préparation des matériaux piézoélectriques par méthode de phase liquide est actuellement la méthode la plus couramment utilisée, notamment la méthode de coprécipitation, la méthode de synthèse hydrothermale, la méthode sol-gel, la méthode d'hydrolyse en alcoxyde et similaire. La méthode de coprécipitation permet un frittage à basse température pour obtenir un matériau piézoélectrique ayant une densité plus élevée que la densité théorique. La méthode de coprécipitation a utilisé une méthode de rôtissage programmée de température de 700 degrés pour préparer la poudre IO3 BAT avec une taille de particules de 60N m. Les chercheurs aux États-Unis ont utilisé une méthode de coprécipitation combinée à un processus de lyophilisation pour synthétiser la poudre PZ T de la taille nano-taille à 800 degrés. Le frittage a donné un matériel avec une densité théorique de 98%. Dans l'étude, N B2 O 5 et T A 2 O5 ont été utilisés comme réactifs précurseurs, et K t an B O3 Poughders a été préparé par méthode hydrothermale et méthode thermique de solvant. Les céramiques piézoélectriques frittes ont été étudiées. Le coefficient de couplage atteint 0,5 et le coefficient piézoélectrique D 33 se situe entre 150 à 450p C / N. Cependant, la méthode hydrothermale nécessite une température et une pression plus élevées, et l'investissement de l'équipement est important, ce qui limite l'application de la méthode. La méthode sol-gel est la méthode la plus couramment utilisée dans la méthode de phase liquide. Des films de haute performance peuvent être préparés par Sol-Gel combinés à divers processus de moulage et de frittage.

2.3. Méthode de phase gazeuse 3

La méthode de la phase gazeuse convient à la préparation de films piézoélectriques à l'échelle nano, principalement le dépôt de vapeur physique et le dépôt chimique de vapeur. Parmi eux, la méthode de pulvérisation est la méthode la plus couramment utilisée. Une électrode inférieure P T / T I a été déposée sur le substrat Si 2 / S I par une méthode de pulvérisation cible, et un film PZT ayant une épaisseur d'environ 800 mm a été préparé par radiofréquence (RF). Le dépôt de vapeur chimique peut contrôler avec précision la composition chimique du produit de réaction, et il est pratique pour la drogue, mais il est difficile d'obtenir un matériau de source de gaz approprié, qui ne convient pas à la préparation à faible coût et à grand volume d'un film, et est pratiquement utilisé moins.