العربيةتصفح الكمية:156 الكاتب:محرر الموقع نشر الوقت: 2020-12-08 المنشأ:محرر الموقع
السيراميك الكهروضوئية هي سيراميك كهروضوئي مصنوع من أكاسيد مختلطة (الزركونيا ، أكسيد الرصاص ، أكسيد التيتانيوم ، إلخ) بعد تلبد درجات الحرارة العالية وتفاعل الطور الصلب ، ومن خلال علاج الاستقطاب العالي العالي لجعلها لها تأثير بيزويكتيك بشكل جماعي. إنها مادة خزفية وظيفية يمكنها تحويل الطاقة الميكانيكية والطاقة الكهربائية. نظرًا لخصائصها الميكانيكية الجيدة والخصائص الكهروإجهادية المستقرة ، تم استخدام السيراميك الكهروضوئية ، كقوة مهمة ، والحرارة ، والكهرباء ، والمواد الوظيفية الحساسة للضوء ، على نطاق واسع في أجهزة الاستشعار ، والمحولات بالموجات فوق الصوتية ، والمجالات الدقيقة ، وغيرها من المكونات الإلكترونية. من خلال البحث المستمر وتحسين تكنولوجيا المواد ، وكذلك التطور السريع للحقول ذات التقنية العالية مثل الإلكترونيات والمعلومات والفضاء ، وما إلى ذلك ، فإن تكنولوجيا الإنتاج وتطوير الخزف الكهروضوئي الذي يحتوي على مواد جديدة ذكية للغاية هي مواضيع ساخنة.
يتم ترتيب الإلكترونات الحرة من السيراميك الكهروإجهادي غير منظم قبل الاستقطاب. بعد علاج الاستقطاب ، يتم توليد الاستقطاب المتبقي على طول اتجاه الاستقطاب ليصبح متعدد الكريستالات متباين الخواص. تميل الإلكترونات الحرة إلى أن تكون متسقة ، ويتم تعزيز الكهروضوئية إلى حد كبير. كما هو مبين في الشكل 1 والشكل 2 ، يمكن تحويل مادة السيراميك الكهروضوئية في أي شكل وأي اتجاه استقطاب. المواد الخزفية الكهروضوئية قبل وبعد الاستقطاب لها ثوابت عازلة مختلفة (ε) والثوابت الكهروإجهادية (D).
اضبط ثابت العزل الكهربائي قبل الاستقطاب:
ε11 = ε22 = ε33. إذا كانت المادة الكهروإجهادية مستقطبة في الاتجاه 3 ، فإن السطحين القطب الآخران عموديان على اتجاه الاستقطاب. الثابت العازلة بعد الاستقطاب: ε11 = ε22 ≠ ε33 وقيمة ε33 أكبر بكثير من ε11. إن الثابت الكهروضوئي للسيراميك الكهروضوئي هو أيضًا متباين الخواص ، كما أن قيمة ثابت الكهروضوئي D تختلف أيضًا في اتجاهات مختلفة. من بينها ، القيمة على طول الاتجاه 3 هي الأكبر ، أي D33> D31 و D32. عند القياس باستخدام مقياس الذروة ، لا يحتوي D33 إلا على التيار ، ولا يتم إنشاء أي تيار في الاتجاهين الآخرين. يشبه استقطاب السيراميك الكهروإجهادي إلى حد كبير مغنطة المغناطيس ، وستتغير قوة المجال المغناطيسي قبل وبعد المغنطيسية إلى حد كبير.
بدأ البحث عن تقنية تلبد درجات الحرارة المنخفضة للسيراميك الكهروضوئي بعد عام 1960 ، وعادةً من جانبي إضافة المساعدات المذرية وتحسين العملية لتقليل درجة حرارة التلبيد. منذ الثمانينيات من القرن الماضي ، أجرى العلماء في الداخل والخارج أبحاثًا مكثفة حول تلبد درجات الحرارة المنخفضة للسيراميك الكهروضوئي. أضاف Li Longshi من جامعة Tsinghua مذيبًا مشتركًا إلى نظام PZT الثنائي وقام بتطوير مادة ذات أداء جيد وتثبت عند درجة حرارة منخفضة تبلغ 960 درجة مئوية. س. ييل وآخرون. تمت إضافة المساعدات الملبدة للسيراميك المستندة إلى KNN لإعداد مواد سيراميك كهرو كإجهادية خالية من الرصاص مع أداء ممتاز في درجات حرارة منخفضة. بالإضافة إلى ذلك ، قام الباحثون أيضًا بالعديد من الاستكشافات المفيدة في تحسين العملية ، وحققوا نتائج معينة.
عادة ما يتم خفض درجة حرارة التلبد من مواد السيراميك الكهروضوئية من الجانبين لإضافة مذيب مشترك وتحسين العملية. هناك بشكل أساسي الطرق الأربع التالية:
إضافة تدفق إلى المادة الأساسية ، هناك ثلاث طرق تلبيد درجات الحرارة المنخفضة:
الطريقة الأولى هي تقليل درجة حرارة التلبد عن طريق تشكيل محلول صلب. يؤدي استبدال الأيونات إلى تشويه الشبكة البلورية ، ويزيد من العيوب الهيكلية ، ويقلل من الحاجز بين المجالات الكهربائية ، وبالتالي تسهيل انتشار أيون وتعزيز التلبد. الطريقة الثانية هي تقليل درجة حرارة التلبد عن طريق تشكيل تلبيس الطور السائل. يمكن أن يؤدي إعادة ترتيب الحبوب والتلامس المعزز في تلبيس الطور السائل إلى زيادة تنقل حدود الحبوب ، مما يؤدي إلى تفريغ المسام بالكامل ، ويعزز نمو الحبوب البلورية ، وزيادة كثافة جسم الخزف ، وتحقيق الغرض من تقليل درجة حرارة التلبيد. الطريقة الثالثة هي تقليل درجة حرارة التلبد وتحسين الأداء من خلال تلبيس الطور السائل الانتقالي. تشكل إضافات نقطة الانصهار المنخفضة أولاً مرحلة سائلة لتعزيز التلبد أثناء عملية التلبيد ، ثم بمثابة المرحلة النهائية في عملية التلبيد المتأخرة ، والمكية مرة أخرى إلى المرحلة البلورية الرئيسية ، ولعب دور تعديل المنشطات.
هذا 'التأثير المزدوج ' من إضافات نقطة الانصهار المنخفضة يمكن أن يقلل من درجة حرارة التلبيد بمقدار 250-300 ℃ وتحسين الأداء.
يمكن أن تقلل طريقة التوليف الكيميائي من درجة حرارة التلبيد ، لكن نطاق التبريد محدود ، ولا تزال درجة حرارة التلبد للمادة أعلى من 1000 ℃.
يمكن أن يؤدي تلبيس الضغط الساخن إلى زيادة القوة الدافعة المذرية للسيراميك ، وتسهيل نشر المسام أو الشواغر من حدود الحبوب إلى الجسم الخزفي ، مما يزيد من كثافة الجسم الخزفي وتقليل درجة حرارة التلبيد. باستخدام مادة السيراميك الكهروضوئية الملبدة بالضغط الساخن ، يتم تقليل درجة حرارة التلبيد بمقدار 150-200 ℃ ، ويتم تحسين الأداء كثيرًا أيضًا.
تحت ضغط مئات الآلاف من الأجواء ، يمكن تكثيف المسحوق والتلاعب. على سبيل المثال ، كان مسحوق السيراميك PZT الانبعاث مضغوطًا على البارد عند 150،000 جو ، ونتيجة لذلك ، تم الحصول على جسم خزفي بكثافة 7.2 جم/سم (90 ٪ من الكثافة النظرية) ، وكان مسحوق السيراميك أصفر أصفر في الأصل. مضغوط البرد وتثبيته في جسم الخزف الرمادي الأسود.
قارن الأبحاث المذكورة أعلاه حول تلبد درجات الحرارة المنخفضة للمواد السيرامية الكهروضوئية في المنزل والخارج. هناك الاستنتاجات التالية:
(1) عند تكوين محلول صلب لخفض درجة حرارة التلبد ، يجب إجراء استبدال الأيونات في ظل ظروف معينة ، وتكون العيوب الهيكلية الناتجة محدودة ، وبالتالي فإن انخفاض درجة الحرارة ليس كبيرًا ، بشكل عام في 200 ℃.
(2) تأثير خفض درجة حرارة التلبد من خلال تكوين الطور السائل واضح ، ولكن يبقى منتج الطور السائل في البنية المجهرية الخزفية. سيؤدي وجود منتج نقاط الانصهار المنخفض إلى القوة الميكانيكية للمادة ، والخصائص العازلة ، والخصائص الكهروإجهادية لتراجع
(3) لا تزال درجة حرارة التلبد عندما يتم تصنيع المسحوق بواسطة التوليف الكيميائي أعلى من 1000 درجة مئوية. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لقدرات مختلفة من أيونات المعادن المختلفة في المحلول ، أثناء عملية الجفاف أو التكلس ، قد تفصل المركبات أو تشكل مركبات أخرى. يمكن ملاحظة أنه لا يمكن تحضير جميع المواد الخام عن طريق التوليف الكيميائي.
(4) أثناء عملية تلبيس الساخنة ، سيتم إنتاج اتجاه الحبوب البلورية لجعل خصائصها الكهروضوئية اتجاهية. سيتم تبريد جسم السيراميك في القالب لإنتاج إجهاد داخلي أكبر ، مما سيؤثر على خصائص الكهروضوئية ، ولا يمكن تخفيض درجة حرارة التلبيد منخفضة للغاية.
(5) يمكن أن يؤدي استخدام التأثير المزدوج 'لمضافات نقطة الانصهار المنخفضة إلى تقليل درجة حرارة التلبد بشكل كبير مع تحسين الخواص الكهروضوئية للمادة ، بتكلفة منخفضة وعملية بسيطة. هذه طريقة مثالية لتلبيخ درجات الحرارة المنخفضة للسيراميك الكهروضوئي.
منذ ولادة أول مواد كهرودية للسيراميك الباريوم في عام 1942 ، كمنتج تطبيق للسيراميك الكهروضوئي ، فقد انتشر في جميع جوانب حياة الناس. يمكن تقسيم تطبيق المواد الكهروإجهادية كوصلة للاقتران الكهروميكانيكي تقريبًا إلى جانبين: تطبيق أجهزة التحكم في الترددات الخزفية الكهروضوئية التي تمثلها مرناني كهروضوئي وتطبيق تطبيقات شبه ثابتة تحول الطاقة الميكانيكية والطاقة الكهربائية.
السيراميك الكهروإجهادي المستقطب ، أي الهزاز الكهروضوئي ، له تردد الاهتزاز الطبيعي الذي يحدده حجمه ، ويمكن أن يحصل تأثير كهروضوئية على التذبذب الكهربائي المستقر. عندما يكون تواتر الجهد المطبق هو نفس تردد الاهتزاز الطبيعي للهزاز الكهروإجهادي ، سيتم سبب الرنين ، وسيتم زيادة السعة بشكل كبير. في هذه العملية ، يولد المجال الكهربائي المتناوب سلالة من خلال تأثير كهرضغطية عكسية ، وتولد السلالة تيارًا من خلال التأثير الإيجابي الكهروضوئي. أدرك الحد الأقصى للتحويل المتبادل بين الطاقة الكهربائية والطاقة الميكانيكية. باستخدام خصائص الهزازات الكهروضوئية ، يمكن تصنيع العديد من المرشحات والراتين والأجهزة الأخرى. هذه الأجهزة لها تكلفة منخفضة ، وحجم صغير ، ولا امتصاص الرطوبة ، والحياة الطويلة ، واستقرار التردد الجيد ، وعامل جودة مكافئ أعلى من مرشحات LC ، ونطاق التردد الواسع ، ودقة عالية ، وخاصة المستخدمة في استقبال الاتصالات متعددة القنوات والتعديل في السعة وأدوات التواصل الراديوي المختلفة والقياس يمكن أن تحسن قدرة مضادات التدخل. لذلك حل محل جزء كبير من المذبذبات والمرشحات الكهرومغناطيسية ، وهذا الاتجاه لا يزال يتطور.
يتم إجراء محولات Piezoelectric باستخدام خصائص التحويل المتبادل للطاقة الكهربائية والطاقة الميكانيكية للتأثير الكهروضوئي. يتكون من جزأين ، نهاية الإدخال ، ونهاية الإخراج ، وتوجيهات الاستقطاب عمودي على بعضها البعض. يتم استقطاب نهاية الإدخال في اتجاه السماكة ، ويتم تطبيق الجهد المتناوب للاهتزاز الطولي. بسبب تأثير piezoelectric العكسي ، سيكون هناك إخراج الجهد العالي عند الإخراج. محول السيراميك الكهروضوئي هو نوع جديد من الأجهزة الإلكترونية للدولة الصلبة. بالمقارنة مع المحول الكهرومغناطيسي التقليدي ، فإنه يحتوي على بنية بسيطة ، وحجم صغير ، ونسبة تحول خفيفة ، ونسبة تحول كبيرة ، والاستقرار الجيد ، ولا تداخل الكهرومغناطيسي والضوضاء ، والكفاءة العالية ، وكثافة الطاقة العالية ، وارتفاع السلامة ، وعدم الارتفاع ، ولا مزايا الاحتراق ، ولا ظاهرة للتسرب المغناطيسي وتلوث الإشعاع الكهرومغناطيسي.
وفقًا لوضع العمل لمحول السيراميك الكهروضوئي ، يمكن تقسيمه إلى الفئات التالية: محول السيراميك الكهروضوئي من نوع Rosen ، محول السيراميك الكهرحيات الكهروضوئي. في السنوات الأخيرة ، ظهرت بعض المحولات الكهروإجهادية ذات الأداء الأفضل ، مثل محول السيراميك الكهروضى الكهروضوئي من الدرجة الثالثة مع محطتين إدخالين ومحول السيراميك الكهربي متعدد الطبقات. في الوقت الحاضر ، تستخدم محولات السيراميك الكهروضوئية بشكل أساسي في AC-DC ، DC-DC ، وأجهزة الطاقة الأخرى وأجهزة توليد الجهد العالي ، مثل أنابيب الكاثود الباردة وأنابيب النيون وأنابيب الليزر وأنابيب الأشعة السينية الصغيرة والرش الكهربائي العالي الجهد ، والرش الكهربائي العالي الجهد والتحرك في الجعة العالية من Radar العرض Radar ، وما إلى ذلك ، وما إلى ذلك.
يستخدم محول الطاقة الكهروضوئية التأثير الكهروضوئي للسيراميك الكهروضوئي والتأثير الكهروضوئي العكسي لتحقيق التحويل المتبادل للطاقة الكهربائية والطاقة السليمة. محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية الكهروضوئية هو واحد منهم. إنه جهاز صوتي تحت الماء ينقل ويتلقى الموجات فوق الصوتية تحت الماء. تحت عمل موجات الصوت ، يحفز محول الطاقة الكهروضوئية في الماء شحنات كهربائية في كلا طرفي المحول. هذا هو جهاز استقبال الموجة الصوتية. إذا تم تطبيق حقل كهربائي متناوب على ورقة سيراميك كهروضوئية ، فستصبح ورقة السيراميك أرق وأثخن من وقت لآخر ، وسوف تهتز وتنبعث من موجات الصوت. هذا هو جهاز إرسال بالموجات فوق الصوتية. تستخدم محولات الطاقة الكهروضوئية أيضًا على نطاق واسع في الصناعة للتنقل تحت الماء ، واستكشاف المحيطات ، وقياس الدقة ، والتنظيف بالموجات فوق الصوتية ، والكشف الصلب ، والتصوير الطبي ، والتشخيص بالموجات فوق الصوتية ، وعلاج الأمراض بالموجات فوق الصوتية. مجال تطبيق آخر اليوم لمحولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية الكهروضوئية هو أنظمة التحكم عن بُعد والتحكم عن بعد. تشمل أمثلة التطبيق المحددة صياغات السيراميك الكهروضوئية ، وإشعال الكهرضجة ، والمجاهر بالموجات فوق الصوتية ، وما إلى ذلك.
المحرك بالموجات فوق الصوتية الكهروضوئية هو نوع جديد من الميكروموتور الذي يستخدم التأثير الكهروضوئي العكسي للسيراميك الكهروضوئي لتوليد الاهتزاز بالموجات فوق الصوتية ، ويضخّة التشوه الدقيق للمادة من خلال الرنين ، ويحركه الاحتكاك بين الجزء الاهتزازي والجزء المتحرك ، دون أن يتجهز الجهاز الكهربائي. بالمقارنة مع المحركات الكهرومغناطيسية التقليدية ، فإنها ذات تكلفة منخفضة ، وبنية بسيطة ، وحجم صغير ، وكثافة طاقة عالية ، وأداء جيد منخفض السرعة (يمكن تحقيق تشغيل منخفض السرعة دون آلية تباطؤ) ، وعزم دوران كبير وعزم دوران في الكبح ، والاستجابة السريعة ، ودقة التحكم عالية ، ولا مجال مغناطيسي ، ولا يوجد حقل كهربائي ، لا يوجد تداخل كهرومغناطيسي. تستخدم المحركات بالموجات فوق الصوتية الكهروضوئية على نطاق واسع في الأدوات الدقيقة ، والفضاء ، والتحكم التلقائي ، وأتمتة المكاتب ، والأنظمة الميكانيكية الدقيقة ، والتجمع الدقيق ، والمواقع الدقيقة ، وغيرها من المجالات بسبب خصائصها ومزايا الأداء. في الوقت الحاضر ، اليابان في وضع رئيسي للتكنولوجيا في هذا المجال. تم استخدام المحركات بالموجات فوق الصوتية الكهروضوئية على نطاق واسع للتركيز التلقائي للكاميرات وكاميرات الفيديو ، وتم تشكيل سلسلة من المنتجات واسعة النطاق.
تسمى السيراميك الكهروضوئية الخالية من الرصاص أيضًا السيراميك الكهروضوئي المتوافق بيئيًا. إنه يتطلب أن لا تنتج مواد السيراميك مواد قد تكون ضارة بالبيئة في عملية التحضير والاستخدام والتخلص ، وذلك لتجنب الأذى بصحة الإنسان وتقليل التلوث البيئي. من بين مختلف مواد السيراميك الكهربية المحتوية على الرصاص المستخدمة حاليًا في الصناعة ، يمثل محتوى أكسيد الرصاص أكثر من 60 ٪ من إجمالي كتلة المادة. من البديهي أن تسبب هذه المواد ضررًا لجسم الإنسان والبيئة في عملية تصنيع المكونات والمعالجة والتخزين والنقل والاستخدام والتخلص من النفايات. لذلك ، فإن مواد السيراميك الخالية من الرصاص من قبل الرصاص هي اتجاه مهم للبحث والتطوير في السنوات الأخيرة. ومع ذلك ، فإن مواد السيراميك الكهروضوئية المستخدمة حاليًا تعتمد بشكل أساسي على PZT ، وأدائها الكهروضوئي أفضل بكثير من مواد السيراميك الكهروإجهادية الأخرى. علاوة على ذلك ، يمكن ضبط الخصائص الكهربائية للمادة من خلال تعديل المنشطات والتحكم في العملية لتلبية متطلبات التطبيق المختلفة.
من أجل لعب دور في تطبيق الهيدروفونات ، تم تطوير مواد مركبة كهروضوئية تدريجياً في السبعينيات. المادة المركبة الكهروضوئية هي نوع من المواد المركبة الوظيفية مع تأثير كهروضوئي يتكون من طور سيراميك كهرو كإجهادي ومرحلة البوليمر في وضع اتصال معين. بسبب إضافة مرحلة البوليمر المرنة ، يتم تقليل الكثافة والمعاوقة الصوتية والثابت العازلة للمادة المركبة الكهروضوئية ، في حين تم تحسين الشكل من الجدارة ومعامل الاقتران الكهروميكانيكي للمادة المركبة ، والتي تتغلب على الكريمة والكهربية. عيوب التكلفة العالية للبوليمرات. بالإضافة إلى استخدامها كهيدروفونات ، يتم استخدام المركبات الكهروإجهادية أيضًا في مجالات الصناعة والطبية والاتصالات. بعد أكثر من 40 عامًا من الأبحاث المستمرة حول المركبات الكهروإجهادية ، أحرزت أبحاث التطبيق تقدماً كبيراً ، لكن نظريتها الكاملة لم يتم تأسيسها بعد ، ولم يتم استكشاف تطوير تطبيقاتها بعد. في الوقت الحاضر ، يركز البحث عن المواد المركبة الكهروضوئية بشكل أساسي على تطوير أنواع الاتصال ، وتحسين عمليات صب ، وإعداد الأجهزة متعددة الوظائف.
مع التطور السريع لتكنولوجيا النانو في السنوات الأخيرة ، اجتذب النانوكراميك انتباه الناس تدريجياً. يتشكل النانوبودر وتثبيته لتشكيل سيراميك نانو كثيف وموحد. لقد تم تحسين صلابة المواد وقوتها وتوضيحها بشكل كبير ، والتي تتغلب على العديد من أوجه القصور في السيراميك الهندسي ، ولها تأثير مهم على الخصائص الميكانيكية والكهربائية والحرارية والغناضية والبصرية للمادة. من خلال اختيار نظام تكوين المواد وإضافة جزيئات النقل على نطاق النانو ، وشعيرات ، وألياف الرقاقة ، وما إلى ذلك لتعديله ، يمكن الحصول على مواد السيراميك الكهروضوئية النانو ذات الأداء العالي والتلبيس منخفضة الحرارة. من خلال التحكم في نمو الحبوب النانوية ، يمكن الحصول على تأثيرات الحبس الكمومي والخطابات الفريدة ذات الخواص الغريبة لتحسين التحويل الكهروميكانيكي وخصائص التحرير الحراري لمواد الانحلال الحراري الكهروضوئي. أنواع مختلفة من المحولات الكهروإجهادية ، والدوافع الكهروإجهادية ، وتكنولوجيا اللحام بالموجات فوق الصوتية عالية الطاقة ، ومغذيات الاهتزازات الكهروإجهادية ، وتكنولوجيا CVD بالموجات فوق الصوتية الجديدة ، والهندسة بالموجات فوق الصوتية عالية الطاقة تدعم محطات الطاقة النووية التي تطورت بسرعة في السنوات الأخيرة ، جميعها نانو للهندسة النانوية.
مع الفهم المتعمق للهيكل المادي والبحث في تكنولوجيا التطبيقات وتوسيعها ، سيتم استخدام مواد السيراميك الكهروضوئية على نطاق واسع في مجالات التكنولوجيا الفائقة مثل التكنولوجيا الإلكترونية وتكنولوجيا الاتصالات وتكنولوجيا الليزر والتكنولوجيا الحيوية. مع التطور السريع لهذه المجالات واحتياجات التنمية الاقتصادية والاجتماعية الجديدة ، سيكون هناك متطلبات أعلى لأداء السيراميك الكهروضوئي ، مثل درجة حرارة الكوري العالية ، ومعامل الاقتران الكهروميكانيكي العالي ، وعامل الجودة الميكانيكية.
