Cos'è la ceramica piezoelettrica?

La ceramica piezoelettrica (chip in ceramica piezoelettrica) è un materiale policristallino con effetto piezoelettrico, che prende il nome dal suo simile processo di produzione alla ceramica. È un termine generale per la ceramica ferroelettrica con effetti piezoelettrici, che vengono realizzati miscelando ossidi (zirconia, ossido di piombo, ossido di titanio, ecc.), Sintering ad alta temperatura e reazione allo stato solido per produrre un trattamento di polarizzazione policristallino. Le ceramiche piezoelettriche hanno eccellenti proprietà meccaniche e proprietà piezoelettriche stabili. Come importante materiale funzionale per forza, calore, elettricità e rilevamento della luce, sono stati ampiamente utilizzati in componenti elettronici come aste di ampiezza, trasduttori ad ultrasuoni e dispositivi di micro spostamento.

 

La storia dello sviluppo della ceramica piezoelettrica:

Nel 1880, i Curie Brothers scoprirono per la prima volta l'effetto piezoelettrico della tormalina, segnando l'inizio della storia della piezoelettricità.

Nel 1881, i fratelli Curie verificarono sperimentalmente l'effetto piezoelettrico inverso e diede le stesse costanti piezoelettriche positive e negative del quarzo.

Dal 1842 al 1949, furono scoperti l'alto costante dielettrico, la ferroelettricità e la piezoelettricità su ceramiche piezoelettriche BATIO3. Il problema della polarizzazione è stato successivamente risolto.

Negli anni '50, gli Stati Uniti e il Giappone hanno condotto ricerche sull'uso della ceramica piezoelettrica BATIO3 per produrre trasduttori ad ultrasuoni, trasduttori ad alta frequenza, sensori di pressione, filtri e altre applicazioni.

Nel 1954, gli Stati Uniti B Jaffe et al. Scoperto che il piombo zirconato tinato (PZT) ha piezoelettricità molto forte e stabile, che avanza notevolmente la ricerca sull'applicazione dei dispositivi piezoelettrici.

Più tardi, al fine di proteggere la terra e lo spazio abitativo umano, prevenire l'inquinamento ambientale, la ceramica piezoelettrica non piombo divenne la direzione della ricerca e dell'applicazione future.

Finora, l'applicazione della ceramica piezoelettrica è stata estremamente estesa, dallo sviluppo dello spazio alla vita domestica.

Concetti di base della ceramica piezoelettrica:

Polarizzazione spontanea
Al di sotto di 120 gradi, la struttura cristallina BATIO3 è leggermente distorta e presenta una struttura tetragonale. Ba 2+ ti 4+ subisce uno spostamento relativo a O 2-, con conseguente disallineamento di centri di carica positivi e negativi e polarizzazione (polarizzazione spontanea). Questa temperatura di transizione è comunemente definita temperatura Curie o Curie Point (TC).

Polarizzazione artificiale
La polarizzazione artificiale è il processo di applicazione di un campo elettrico di corrente sufficientemente elevato a una ceramica piezoelettrica e mantenendolo a una certa temperatura e tempo, costringendo i suoi domini elettrici a girare o, in altre parole, costringendo la sua polarizzazione spontanea a prendere accordi direzionali. Il seguente diagramma illustra i cambiamenti nei settori elettrici in ceramica prima del trattamento di polarizzazione.

Ceramica ferroelettrica
Alcuni materiali presentano una polarizzazione spontanea in un certo intervallo di temperatura. Inoltre, la sua polarizzazione spontanea può essere invertita dall'azione di un campo elettrico esterno e questa proprietà del materiale è chiamata ferroelettricità. I materiali in ceramica con questa caratteristica sono chiamati ceramiche ferroelettriche.

Il principio della ceramica piezoelettrica: effetto piezoelettrico

L'effetto piezoelettrico si riferisce alla deformazione di alcuni media sotto l'azione della forza, causando caricare la superficie dei media, che è l'effetto piezoelettrico positivo. Al contrario, quando viene applicato un campo elettrico di eccitazione, il mezzo subirà una deformazione meccanica, nota come effetto piezoelettrico inverso. L'essenza dell'effetto piezoelettrico positivo è la polarizzazione del mezzo causato dall'azione meccanica; L'essenza dell'effetto piezoelettrico inverso è la polarizzazione del mezzo causato dall'azione di un campo elettrico.

Produzione di ceramiche piezoelettriche
I passaggi principali nel processo di produzione della ceramica piezoelettrica sono: pretrattamento in lenza di granulazione di pretrattamento che forma test di invecchiamento della polarizzazione dell'elettrodo di lavorazione.

 

materia prima
Le materie prime sono le basi per la preparazione di ceramiche piezoelettriche. Per PZT, le sue materie prime principali sono PB3O4, ZRO2 e TIO2. Quando si selezionano le materie prime, dovrebbe essere generalmente prestato attenzione alla loro composizione chimica e allo stato fisico. I requisiti di purezza per le materie prime dovrebbero essere moderati. Le materie prime ad alta purezza sono costose e la temperatura di sinterizzazione è alta con un intervallo di temperatura ristretto. Le impurità nelle materie prime con purezza leggermente più bassa possono agire come mineralizzatori e aiuti alla fusione, ma invece abbassare la temperatura di sinterizzazione e allargare l'intervallo di temperatura. Tuttavia, le materie prime con purezza eccessivamente bassa contengono più impurità e non sono adatte per l'uso.

 

Impurità

Le impurità sono divise in impurità dannose e impurità benefiche. La modifica del doping PZT può essere divisa in sostituzione equivalente e sostituzione eterovalente; La sostituzione eterovalente può essere divisa in modifica della sostituzione morbida, modifica della sostituzione dura e altre modifiche alla sostituzione.

Sostituzione equivalente
La sostituzione equivalente si riferisce alla sostituzione degli ioni Pb 2+ con ioni bivalenti come Ca 2+, sr 2+, mg 2+, ecc., Che hanno raggi più piccoli di Pb { {4}} ioni. Di conseguenza, la costante dielettrica ε della ceramica PZT aumenta ↑, il coefficiente di accoppiamento elettromeccanico KP aumenta ↑ e la costante piezoelettrica D aumenta, migliorando così le prestazioni piezoelettriche della ceramica PZT.

 

Sostituzione eterovalente
La modifica della sostituzione della morbida sostituzione della sostituzione eterovalente si riferisce all'aggiunta di alcuni additivi alla materia prima che può ridurre la resistenza al campo coercitivo EC mediante ↓, facilitando la polarizzazione. Pertanto, sotto l'azione del campo elettrico o dello stress, le proprietà del materiale diventano "morbide". (Il corpo in porcellana dopo aver sparato diventa giallo)

La dura sostituzione della sostituzione eterovalente si riferisce all'aggiunta di alcuni additivi che possono aumentare la resistenza al campo coercitiva e rendere più difficile la polarizzazione, con conseguente che le proprietà del materiale diventano "difficili" sotto l'azione del campo elettrico o dello stress. Dopo aver sparato, il corpo in porcellana appare nero

 

Il mercato della ceramica piezoelettrica

La ceramica piezoelettrica, come importanti materiali funzionali, occupano una proporzione considerevole nel campo dell'elettronica. Nel 2000, le vendite globali di ceramiche piezoelettriche hanno raggiunto circa 3 miliardi di dollari. Negli ultimi anni, le vendite annuali di ceramiche piezoelettriche in tutto il mondo sono cresciute a un tasso del 15%. Al fine di proteggere la Terra dall'inquinamento ambientale, il Parlamento europeo ha approvato una legge nel 2001 sulla restrizione di sostanze dannose nelle apparecchiature elettriche ed elettroniche, che include dispositivi piezoelettrici contenenti piombo nelle sostanze limitate. Al momento, i prodotti nel mercato della ceramica piezoelettrica nazionale operano ancora utilizzando metodi tradizionali tecnologici e di produzione e i prodotti senza piombo non hanno ancora formato un vantaggio industriale. Lead prive di piombo è la direzione principale degli sforzi nel settore.

 

Applicazione di ceramiche piezoelettriche

L'applicazione della ceramica piezoelettrica è molto ampia. Ad esempio, detonatori piezoelettrici, rilevatori ad ultrasuoni, driver piezoelettrici, accensione piezoelettrica, convertitori piezoelettrici, ventilatori di ceramici piezoelettrici, elamici piezoelettrici, elamiche piezoelettriche. La nostra azienda generalmente utilizza PZT -4 e PZT -8 ceramica piezoelettrica perché questi due tipi hanno un'elevata efficienza di conversione elettromeccanica e sono adatti per la lavorazione ultrasonica del generatore ad alta potenza e la pulizia ultrasonica dei componenti transduttori.