مواد سيراميك كهرضغطية منخفضة درجة الحرارة: المزايا والتطبيقات

تعد مادة السيراميك الكهروضائية ذات الحرارة المنخفضة هي مادة وظيفية خاصة ذات تأثير كهروإجهادي وتأثير عازلة ، والتي يمكن أن تحول الطاقة الميكانيكية إلى الطاقة الكهربائية أو تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية. تكمن أهمية هذه المواد في تطبيقاتها الواسعة النطاق في أجهزة الاستشعار والأجهزة الراديوية والهزازات والعديد من المجالات الأخرى.

انخفاض درجة حرارة piezoelectric material

تتطلب مواد السيراميك الكهروضوئية التقليدية تلبيث درجات الحرارة العالية لتحقيق أداء جيد ، ولكن هذا سيؤدي إلى مشاكل مثل انكماش المواد والتشوه أثناء التلبيد. يمكن للمواد السيراميك الكهربية الملبدة بدرجة الحرارة المنخفضة إكمال عملية التلبيد عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا (عادة ما تكون أقل من 1000 درجة مئوية) ، وبالتالي تجنب المشكلات المذكورة أعلاه. بالإضافة إلى ذلك ، فإن عملية تحضير مواد السيراميك الكهروضوئية الملبدة بدرجة الحرارة المنخفضة هي أيضًا أبسط وتوفير للطاقة وصديقة للبيئة.

تشمل المكونات الرئيسية للمواد الخزفية الكهروضوية ذات درجة الحرارة المنخفضة ، وتيتانيوم الزركونيوم الرصاص (PZT) ، وتيتانيوم الزركونيوم الباريوم (BZT) ، وتوترات الرصاص الرصاص (PST) ، وما إلى ذلك. تستخدم هذه المواد على نطاق واسع في مجالات الموجة الصوتية ، ومستشعر السترونتيوم ، ومستشعرات الضغط ، وتدفق. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أيضًا استخدامها لتصنيع النقطات الصغيرة والهزازات والمحولات بالموجات فوق الصوتية والأجهزة الأخرى.

تصنيف مواد سيراميك كهروضوئية منخفضة درجة الحرارة

التكوين الكيميائي

وفقًا للتكوين الكيميائي ، يمكن تقسيمه إلى PZT و BZT و PSN وأنواع أخرى.

تعد Titanate Zirconium Zirconium (PZT) واحدة من أكثر المواد السيرامية الكهربية التي تم تلبيتها في درجات الحرارة المنخفضة شيوعًا ، والتي تحتوي على معامل كهروضوئية عالية واستقرار جيد. تيتانيت Zirconate Zirconate Titanate (BZT) و Titanate Strontium Titanate (PSN) تستخدم على نطاق واسع في أجهزة كهروضوئية.

التركيب البلوري وتكوين الطور

وفقًا للبنية البلورية وتكوين الطور ، يمكن تقسيمه إلى نوع مرحلة واحدة ونوع متعدد المراحل.

تشير المواد ذات الطور الواحد إلى مواد سيراميك تحتوي على بنية بلورية واحدة فقط ، مثل مواد PZT النقية. تتضمن المادة متعددة الطبقات هيكلين أو أكثر ، مثل PZT-BT (Bismuth Barium titanate).

طريقة التحضير

وفقًا لطريقة التحضير ، يمكن تقسيمها إلى طريقة تفاعل المرحلة الصلبة ، وطريقة SOL-GEL ، وطريقة التوليف الحراري المائي وما إلى ذلك.

طريقة تفاعل الحالة الصلبة هي طريقة تحضير تقليدية ، والتي تتطلب عادةً تلبيد درجات الحرارة العالية للحصول على منتج مثالي. طريقة SOL-GEL هي طريقة تحضير ناشئة ، والتي يمكن أن تكمل عملية التلبيد عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا. التوليف الحراري المائي هو طريقة شائعة الاستخدام لإعداد المواد غير المتجانسة.

انخفاض درجة حرارة Piezoelectric Materials مقارنة بالمواد التقليدية

بالمقارنة مع مواد السيراميك الكهروضوئية التقليدية ذات درجة الحرارة العالية ، فإن مواد السيراميك الكهروضوئية المنخفضة في درجات الحرارة لديها المزايا التالية:

تلبد درجات الحرارة المنخفضة: تتطلب مواد السيراميك الكهروضوئية التقليدية ذات الحرارة العالية عملية تلبيد على المدى الطويل في درجة حرارة عالية ، مما يؤدي بسهولة إلى مشاكل مثل انكماش وتشوه المادة. يمكن للمواد السيراميك الكهربية الملبدة بدرجة الحرارة المنخفضة إكمال عملية التلبيد عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا (عادة ما تكون أقل من 1000 درجة مئوية) ، وبالتالي تجنب المشكلات المذكورة أعلاه.

توفير الطاقة وحماية البيئة: تستهلك عملية إعداد المواد الخزفية الكهروضائية التقليدية ذات درجة الحرارة العالية الكثير من الطاقة والموارد ، وسيتم توليد بعض الغازات الضارة أثناء عملية التلبيد. عملية تحضير مواد السيراميك الكهروضوئية ذات درجة الحرارة المنخفضة هي أكثر توفير للطاقة وصديقة للبيئة.

يعد إعداد المواد متعددة المراحل أمرًا بسيطًا: إن إعداد المواد متعددة المراحل عن طريق مواد السيراميك الكهروضوئية التقليدية ذات درجة الحرارة العالية تتطلب التحكم الدقيق في درجة الحرارة وتدفق عملية معقدة. يمكن تحضير مواد السيراميك الكهروضوبية الملبدة بدرجة الحرارة المنخفضة بواسطة طريقة بسيطة للمواد متعددة المراحل.

الأداء المستقر: إن أداء مواد السيراميك الكهروضوبية منخفضة الحرارة المنخفضة أكثر استقرارًا ، ولا يتأثر بسهولة بالبيئات الخارجية مثل درجة الحرارة والجو ، بحيث يمكن استخدامها في مجموعة واسعة من التطبيقات.

ومع ذلك ، فإن مواد السيراميك الكهروضوئية ذات درجة الحرارة المنخفضة لها عيوب:

الخواص الفيزيائية الضعيفة نسبيًا: مقارنة بمواد سيراميك كهرو كإجهادية عالية الحرارة ، قد تكون الخواص الفيزيائية لمواد سيراميك كهرو كإجهادية منخفضة درجة الحرارة أسوأ قليلاً ، مما قد يحد من استخدامها في بعض حقول التطبيق.

لا تزال عملية تلبيد درجة الحرارة المنخفضة تحتاج إلى الكمال: نظرًا لأن عملية التحضير للمواد الخزفية الكهروضائية الملبدة بالدرجة الأولى في درجات الحرارة المنخفضة ، فهي جديدة نسبيًا ، يجب تحسينها وتحسينها لتحسين جودة المنتج واستقراره.

تطبيقات انخفاض درجة حرارة piezoeled piezoelectric مواد السيراميك

أجهزة استشعار الاهتزاز: يمكن استخدام مواد السيراميك الكهروضوئية منخفضة الحرارة لتصنيع أجهزة استشعار الاهتزاز ، مثل أجهزة استشعار الاهتزاز لضاغط تكييف الهواء ، والتي يمكنها قياس البيانات مثل تردد الاهتزاز وشدته.

أجهزة الاستشعار الصوتية: يمكن استخدام مواد السيراميك الكهروضوئية منخفضة الحرارة لتصنيع أجهزة استشعار صوتية ، مثل أجهزة الكشف بالموجات فوق الصوتية وأعداد التدفق ، والتي يمكن استخدامها لمراقبة سرعة وتدفق الماء وتدفق الهواء.

مستشعر الضغط: يمكن استخدام مواد السيراميك الكهروضوئية ذات درجة الحرارة المنخفضة لتصنيع أجهزة استشعار الضغط ، كما هو الحال في المعدات الطبية ، والتحكم في الإنتاج الصناعي وغيرها من المجالات ، والتي يمكن أن تقيس الضغط في الوقت الفعلي.

الأنظمة الدقيقة للكهرباء الميكانيكية (MEMS): يمكن استخدام مواد السيراميك الكهروضوئية منخفضة الحرارة لتصنيع النظم الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) ، مثل مقاييس التسارع ، الجيروسكوبات ، وما إلى ذلك.

محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية: يمكن استخدام مواد السيراميك الكهروضوئية منخفضة الحرارة لتصنيع محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية ، مثل معدات التصوير الطبية والمنظفات. يمكن لهذه الأجهزة تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية وموجات صوتية ، وتمكين اكتشاف المواد ومعالجتها.