Qu'est-ce que la céramique piézoélectrique?

La céramique piézoélectrique (puce piézoélectrique en céramique) est un matériau polycristallin à effet piézoélectrique, nommé d'après son processus de production similaire à la céramique. Il s'agit d'un terme général pour la céramique ferroélectrique avec des effets piézoélectriques, qui sont fabriqués en mélangeant des oxydes (zircone, oxyde de plomb, oxyde de titane, etc.), un frittage à haute température et une réaction à l'état solide pour produire un traitement de polarisation polycristallin. La céramique piézoélectrique a d'excellentes propriétés mécaniques et des propriétés piézoélectriques stables. En tant que matériau fonctionnel important pour la force, la chaleur, l'électricité et la détection de la lumière, ils ont été largement utilisés dans les composants électroniques tels que les tiges d'amplitude, les transducteurs à ultrasons et les micro-dispositifs de déplacement.

 

L'histoire du développement de la céramique piézoélectrique:

En 1880, les Curie Brothers ont découvert l'effet piézoélectrique de la tourmaline, marquant le début de l'histoire de la piézoélectricité.

En 1881, les Curie Brothers ont expérimentalement vérifié l'effet piézoélectrique inverse et ont donné les mêmes constantes piézoélectriques positives et négatives que le quartz.

De 1842 à 1949, une constante diélectrique élevée, une ferroélectricité et une piézoélectricité ont été découvertes sur des céramiques piézoélectriques Batio3. Le problème de polarisation a ensuite été résolu.

Dans les années 1950, les États-Unis et le Japon ont mené des recherches sur l'utilisation de la céramique piézoélectrique Batio3 pour produire des transducteurs à ultrasons, des transducteurs à haute fréquence, des capteurs de pression, des filtres et d'autres applications.

En 1954, les États-Unis B Jaffe et al. J'ai découvert que le titanate de zirconate de plomb (PZT) a une piézoélectricité très forte et stable, ce qui fait grandement fait avancer la recherche sur les applications des dispositifs piézoélectriques.

Plus tard, afin de protéger l'espace de vie terrestre et humain, prévenir la pollution de l'environnement, la céramique piézoélectrique non plomb est devenue la direction de la recherche et de l'application futures.

Jusqu'à présent, l'application de la céramique piézoélectrique a été extrêmement étendue, du développement de l'espace à la vie des ménages.

Concepts de base de la céramique piézoélectrique:

Polarisation spontanée
En dessous de 120 degrés, la structure cristalline Batio3 est légèrement déformée et présente une structure tétragonale. BA 2+ Ti 4+ subit un déplacement par rapport à O 2-, entraînant le désalignement des centres de charge positifs et négatifs et la polarisation (polarisation spontanée). Cette température de transition est communément appelée la température de Curie ou Curie Point (TC).

Polarisation artificielle
La polarisation artificielle est le processus d'application d'un champ électrique de courant direct suffisamment élevé à une céramique piézoélectrique et de le maintenir à une certaine température et temps, forçant ses domaines électriques à tourner ou, en d'autres termes, forçant sa polarisation spontanée pour prendre des arrangements directionnels. Le diagramme suivant illustre les changements dans les domaines électriques dans la céramique avant le traitement de polarisation.

Céramique ferroélectrique
Certains matériaux présentent une polarisation spontanée dans une certaine plage de température. De plus, sa polarisation spontanée peut être inversée par l'action d'un champ électrique externe, et cette propriété du matériau est appelée ferroélectricité. Les matériaux en céramique avec cette caractéristique sont appelés céramiques ferroélectriques.

Le principe de la céramique piézoélectrique: effet piézoélectrique

L'effet piézoélectrique fait référence à la déformation de certains milieux sous l'action de force, provoquant la charge de la surface des médias, qui est l'effet piézoélectrique positif. Au contraire, lorsqu'un champ électrique d'excitation est appliqué, le milieu subira une déformation mécanique, connue sous le nom d'effet piézoélectrique inverse. L'essence de l'effet piézoélectrique positif est la polarisation du milieu causée par l'action mécanique; L'essence de l'effet piézoélectrique inverse est la polarisation du milieu causée par l'action d'un champ électrique.

Fabrication de céramiques piézoélectriques
Les principales étapes du processus de production des céramiques piézoélectriques sont les suivantes: Prétrait prétraitement Granulation former des tests de vieillissement de polarisation de l'électrode de tir.

 

matière première
Les matières premières sont la base de la préparation de la céramique piézoélectrique. Pour PZT, ses principales matières premières sont PB3O4, ZRO2 et TIO2. Lors de la sélection des matières premières, l'attention doit généralement être accordée à leur composition chimique et à leur état physique. Les exigences de pureté pour les matières premières doivent être modérées. Les matières premières à haute pureté sont coûteuses et la température de frittage est élevée avec une plage de température étroite. Les impuretés dans les matières premières avec une pureté légèrement inférieure peuvent agir comme des minéralisants et des aides à la fusion, mais à la place, abaisser la température de frittage et élargir la plage de température. Cependant, les matières premières avec une pureté excessivement faible contiennent plus d'impuretés et ne conviennent pas à une utilisation.

 

Impureté

Les impuretés sont divisées en impuretés nuisibles et impuretés bénéfiques. La modification du dopage du PZT peut être divisée en substitution équivalente et substitution hétérovalente; La substitution hétérovalente peut être divisée en modification de la substitution douce, modification de la substitution dure et autres modifications de substitution.

Substitution équivalente
La substitution équivalente fait référence à la substitution des ions PB 2+ avec des ions divalents tels que CA 2+, Sr 2+, mg 2+, etc., qui ont des radii plus petits que Pb { {4}} ions. En conséquence, la constante diélectrique ε de la céramique PZT augmente ↑, le coefficient de couplage électromécanique KP augmente ↑, et la constante piézoélectrique D augmente ainsi, améliorant ainsi les performances piézoélectriques de la céramique PZT.

 

Substitution hétérovalente
La modification de la substitution douce dans la substitution hétérovalente fait référence à l'ajout de certains additifs aux matières premières qui peuvent réduire la résistance au champ coercitive EC par ↓, ce qui facilite la polarisation. Par conséquent, sous l'action du champ électrique ou de la contrainte, les propriétés du matériau deviennent "douces". (Le corps en porcelaine après le tir devient jaune)

La substitution dure dans la substitution hétérovalente fait référence à l'ajout de certains additifs qui peuvent augmenter la force de champ coercitive EC et rendre la polarisation plus difficile, ce qui entraîne que les propriétés des matériaux deviennent "dures" sous l'action du champ électrique ou de la contrainte. Après avoir tiré, le corps en porcelaine semble noir

 

Le marché des céramiques piézoélectriques

La céramique piézoélectrique, en tant que matériaux fonctionnels importants, occupe une proportion considérable dans le domaine de l'électronique. En 2000, les ventes mondiales de céramiques piézoélectriques ont atteint environ 3 milliards de dollars américains. Ces dernières années, les ventes annuelles de céramiques piézoélectriques dans le monde ont augmenté à un taux de 15%. Afin de protéger la Terre contre la pollution de l'environnement, le Parlement européen a adopté une loi en 2001 sur la restriction de substances nocives dans l'équipement électrique et électronique, qui comprend des dispositifs piézoélectriques contenant du plomb dans les substances restreintes. À l'heure actuelle, les produits du marché national en céramique piézoélectrique fonctionnent toujours à l'aide de la technologie traditionnelle et des méthodes de production, et les produits sans plomb n'ont pas encore formé un avantage industriel. Le plomb libre est la principale direction des efforts dans l'industrie.

 

Application de céramiques piézoélectriques

L'application de céramiques piézoélectriques est très étendue. Par exemple, des détonateurs piézoélectriques, des détecteurs à ultrasons, des chauffeurs piézoélectriques, des allumeurs piézoélectriques, des convertisseurs piézoélectriques, des ventilateurs en céramique piézoélectrique, des écrans tactiles piézoélectriques, des radars de réversion ultrasoniques, des relais de céramique piézoélectrique et sur allongé. Notre société utilise généralement PZT -4 et PZT -8 céramique piézoélectrique car ces deux types ont une efficacité de conversion électromécanique élevée et conviennent aux composants à ultrasons ultrasoniques de haute puissance et à un nettoyage ultrasonique des composants transdateurs.