¿Qué es la cerámica piezoeléctrica?
La cerámica piezoeléctrica (chip de cerámica piezoeléctrica) es un material policristalino con efecto piezoeléctrico, llamado así por su proceso de producción similar a la cerámica. Es un término general para la cerámica ferroeléctrica con efectos piezoeléctricos, que se realizan mezclando óxidos (circonia, óxido de plomo, óxido de titanio, etc.), sinterización de alta temperatura y reacción de estado sólido para producir tratamiento de polarización policristalina. La cerámica piezoeléctrica tiene excelentes propiedades mecánicas y propiedades piezoeléctricas estables. Como material funcional importante para la fuerza, el calor, la electricidad y la detección de la luz, se han utilizado ampliamente en componentes electrónicos como varillas de amplitud, transductores ultrasónicos y dispositivos de micro desplazamiento.
La historia del desarrollo de la cerámica piezoeléctrica:
En 1880, los hermanos Curie descubrieron por primera vez el efecto piezoeléctrico de la turmalina, marcando el comienzo de la historia de la piezoelectricidad.
En 1881, los hermanos Curie verificaron experimentalmente el efecto piezoeléctrico inverso y dieron las mismas constantes piezoeléctricas positivas y negativas que el cuarzo.
De 1842 a 1949, se descubrieron una constante dieléctrica alta, ferroelectricidad y piezoelectricidad en la cerámica piezoeléctrica BATIO3. El problema de polarización se resolvió posteriormente.
En la década de 1950, Estados Unidos y Japón realizaron investigaciones sobre el uso de cerámica piezoeléctrica BATIO3 para producir transductores ultrasónicos, transductores de alta frecuencia, sensores de presión, filtros y otras aplicaciones.
En 1954, los Estados Unidos B Jaffe et al. Descubrió que el titanato de circonato de plomo (PZT) tiene piezoelectricidad muy fuerte y estable, que avanza en gran medida la investigación de la aplicación de dispositivos piezoeléctricos.
Más tarde, para proteger la tierra y la vida humana, prevenir la contaminación ambiental, la cerámica piezoeléctrica no principal se convirtió en la dirección de futuras investigaciones y aplicaciones.
Hasta ahora, la aplicación de la cerámica piezoeléctrica ha sido extremadamente extensa, desde el desarrollo del espacio hasta la vida doméstica.
Conceptos básicos de cerámica piezoeléctrica:
Polarización espontánea
Por debajo de 120 grados, la estructura cristalina BATIO3 está ligeramente distorsionada y exhibe una estructura tetragonal. BA 2+ ti 4+ sufre un desplazamiento en relación con O 2-, lo que resulta en la desalineación de centros de carga positivos y negativos y polarización (polarización espontánea). Esta temperatura de transición se conoce comúnmente como la temperatura de la curie o el punto de curie (TC).
Polarización artificial
La polarización artificial es el proceso de aplicar un campo eléctrico de corriente continua suficientemente alta a una cerámica piezoeléctrica y mantenerla a cierta temperatura y tiempo, lo que obliga a sus dominios eléctricos a girar o, en otras palabras, forzando su polarización espontánea para hacer arreglos direccionales. El siguiente diagrama ilustra los cambios en los dominios eléctricos en la cerámica antes del tratamiento de polarización.
Cerámica ferroeléctrica
Algunos materiales exhiben polarización espontánea dentro de un cierto rango de temperatura. Además, su polarización espontánea puede revertirse por la acción de un campo eléctrico externo, y esta propiedad del material se llama ferroelectricidad. Los materiales cerámicos con esta característica se llaman cerámica ferroeléctrica.
El principio de la cerámica piezoeléctrica: efecto piezoeléctrico
El efecto piezoeléctrico se refiere a la deformación de ciertos medios bajo la acción de la fuerza, lo que hace que la superficie de los medios se cargue, que es el efecto piezoeléctrico positivo. Por el contrario, cuando se aplica un campo eléctrico de excitación, el medio se someterá a una deformación mecánica, conocida como el efecto piezoeléctrico inverso. La esencia del efecto piezoeléctrico positivo es la polarización del medio causado por la acción mecánica; La esencia del efecto piezoeléctrico inverso es la polarización del medio causado por la acción de un campo eléctrico.
Fabricación de cerámica piezoeléctrica
Los principales pasos en el proceso de producción de la cerámica piezoeléctrica son: granulación previa al pretratamiento del pretratamiento que formaba pruebas de envejecimiento de polarización de electrodos de mecanizado de disparo.
materia prima
Las materias primas son la base para preparar la cerámica piezoeléctrica. Para PZT, sus materias primas principales son PB3O4, ZRO2 y TiO2. Al seleccionar materias primas, generalmente se debe prestar atención a su composición química y estado físico. Los requisitos de pureza para las materias primas deben ser moderados. Las materias primas de alta pureza son caras, y la temperatura de sinterización es alta con un rango de temperatura estrecho. Las impurezas en las materias primas con pureza ligeramente menor pueden actuar como mineralizantes y ayudas de fusión, pero en su lugar reducir la temperatura de sinterización y ampliar el rango de temperatura. Sin embargo, las materias primas con pureza excesivamente baja contienen más impurezas y no son adecuadas para su uso.
Impureza
Las impurezas se dividen en impurezas dañinas e impurezas beneficiosas. La modificación de dopaje PZT se puede dividir en sustitución equivalente y sustitución heterovalente; La sustitución heterovalente se puede dividir en modificación de sustitución blanda, modificación de sustitución dura y otras modificaciones de sustitución.
Sustitución equivalente
La sustitución equivalente se refiere a la sustitución de iones Pb 2+ con iones divalentes como ca 2+, sr 2+, mg 2+, etc., que tienen radios más pequeños que Pb { {4}} iones. Como resultado, la constante dieléctrica ε de la cerámica PZT aumenta ↑, el coeficiente de acoplamiento electromecánico KP aumenta ↑, y la constante piezoeléctrica d aumenta, mejorando así el rendimiento piezoeléctrico de la cerámica PZT.
Sustitución heterovalente
La modificación de la sustitución suave en la sustitución heterovalente se refiere a la adición de algunos aditivos a la materia prima que puede reducir la fuerza de campo coercitiva EC en ↓, lo que facilita la polarización. Por lo tanto, bajo la acción del campo eléctrico o el estrés, las propiedades del material se vuelven "blandas". (El cuerpo de porcelana después del disparo se vuelve amarillo)
La sustitución dura en la sustitución heterovalente se refiere a la adición de algunos aditivos que pueden aumentar la resistencia al campo coercitiva EC y hacer que la polarización sea más difícil, lo que resulta en que las propiedades del material se vuelvan "duras" bajo la acción del campo eléctrico o el estrés. Después de disparar, el cuerpo de porcelana parece negro
El mercado de la cerámica piezoeléctrica
La cerámica piezoeléctrica, como materiales funcionales importantes, ocupan una proporción considerable en el campo de la electrónica. En 2000, las ventas globales de cerámica piezoeléctrica alcanzaron aproximadamente 3 mil millones de dólares estadounidenses. En los últimos años, las ventas anuales de cerámica piezoeléctrica en todo el mundo han crecido a una tasa del 15%. Para proteger la Tierra de la contaminación ambiental, el Parlamento Europeo aprobó una ley en 2001 sobre la restricción de sustancias nocivas en equipos eléctricos y electrónicos, que incluye dispositivos piezoeléctricos que contienen plomo en las sustancias restringidas. En la actualidad, los productos en el mercado nacional de cerámica piezoeléctrica aún operan utilizando tecnología tradicional y métodos de producción, y los productos sin plomo aún no han formado una ventaja industrial. El plomo libre es la principal dirección de los esfuerzos en la industria.
Aplicación de cerámica piezoeléctrica
La aplicación de cerámica piezoeléctrica es muy extensa. Por ejemplo, los detonadores piezoeléctricos, detectores ultrasónicos, controladores piezoeléctricos, encendedores piezoeléctricos, convertidores piezoeléctricos, ventiladores de cerámica piezoeléctrica, pantallas táctil piezoeléctrico, radares de reversión ultrasónica, relajados de cerámica piezoelelécula y así en todo el uso de cerámica piezéctrica. Nuestra empresa generalmente usa PZT -4 y PZT -8 cerámica piezoeléctrica porque estos dos tipos tienen una alta eficiencia de conversión electromecánica y son adecuados para el generador ultrasónico de alta potencia mecanizado ultrasónico y la limpieza ultrasónica de los componentes transductores.
