ما هو السيراميك الكهروإجهادي؟

السيراميك الكهروضوئي (شريحة السيراميك الكهروضوئية) هي مادة متعددة الكريستالات ذات تأثير كهروضوئي ، سميت باسم عملية إنتاجها المماثلة للسيراميك. إنه مصطلح عام للسيراميك الكهروضوئي ذو التأثيرات الكهروضوئية ، والذي يصنع عن طريق خلط الأكاسيد (الزركونيا ، أكسيد الرصاص ، أكسيد التيتانيوم ، وما إلى ذلك) ، تلبيس درجة الحرارة العالية ، وتفاعل الحالة الصلبة لإنتاج علاج استقطاب متعدد البلورات. السيراميك الكهروضوئية لها خصائص ميكانيكية ممتازة وخصائص كهروإجهادية مستقرة. باعتبارها مادة وظيفية مهمة للقوة والحرارة والكهرباء واستشعار الضوء ، فقد تم استخدامها على نطاق واسع في المكونات الإلكترونية مثل قضبان السعة والمحولات بالموجات فوق الصوتية وأجهزة الإزاحة الصغيرة.

 

تاريخ تطوير السيراميك الكهروضوئي:

في عام 1880 ، اكتشف The Curie Brothers لأول مرة التأثير الكهروإجهادي للتورمالين ، مما يمثل بداية تاريخ كهروضوئية.

في عام 1881 ، تحقق الأخوان كوري بشكل تجريبي من تأثير كهرضغطية عكسية وأعطوا نفس الثوابت الإيجابية والسلبية الكهروإجهادية مثل الكوارتز.

من عام 1842 إلى عام 1949 ، تم اكتشاف الثابت العازلة العازلة ، والكهروضوئية ، والكهروضوئية على السيراميك الكهروضوئي. تم حل قضية الاستقطاب لاحقًا.

في الخمسينيات من القرن الماضي ، أجرت الولايات المتحدة واليابان أبحاثًا حول استخدام السيراميك الكهروضوئي BATIO3 لإنتاج محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية ، ومحولات الطاقة عالية التردد ، وأجهزة استشعار الضغط ، والمرشحات ، والتطبيقات الأخرى.

في عام 1954 ، الولايات المتحدة B Jaffe et al. اكتشف أن Titanate Zirconate Lead (PZT) لديه كهروضوئية قوية ومستقرة للغاية ، والتي تقدم إلى حد كبير البحث عن تطبيق الأجهزة الكهروإجهادية.

في وقت لاحق ، من أجل حماية الأرض والمعيشة البشرية ، منع التلوث البيئي ، أصبحت السيراميك غير الكهروضائي الرصاص اتجاهًا للبحث والتطبيق المستقبلي.

حتى الآن ، كان تطبيق السيراميك الكهروإجهادي واسع النطاق للغاية ، من تطوير الفضاء إلى الحياة المنزلية.

المفاهيم الأساسية للسيراميك الكهروضوئية:

الاستقطاب التلقائي
أقل من 120 درجة ، يتم تشويه التركيب البلوري Batio3 قليلاً ويظهر هيكل رباعي. Ba 2+ Ti 4+ يخضع لإزاحة بالنسبة إلى O 2- ، مما يؤدي إلى اختلال مراكز الشحن الإيجابية والسلبية (الاستقطاب التلقائي). يشار إلى درجة حرارة الانتقال هذه باسم درجة حرارة الكوري أو نقطة الكوري (TC).

الاستقطاب الاصطناعي
الاستقطاب الاصطناعي هو عملية تطبيق حقل كهربائي تيار مباشر مرتفع بما فيه الكفاية على السيراميك الكهروإجهادي والاحتفاظ به في درجة حرارة ووقت معينين ، مما يجبر مجالاته الكهربائية على الدوران أو ، وبعبارة أخرى ، مما يجبر استقطابها التلقائي على اتخاذ ترتيبات اتجاهية. يوضح الرسم البياني التالي التغيرات في المجالات الكهربائية في السيراميك قبل علاج الاستقطاب.

السيراميك الكهروضوئي
بعض المواد تظهر الاستقطاب التلقائي داخل نطاق درجة حرارة معينة. علاوة على ذلك ، يمكن عكس استقطابها التلقائي عن طريق عمل مجال كهربائي خارجي ، وتسمى هذه الخاصية للمادة الكهروضوئية. وتسمى المواد الخزفية مع هذه الخاصية السيراميك الكهروضوئية.

مبدأ السيراميك الكهروإجهادي: تأثير كهروضوئي

يشير تأثير Piezoelectric إلى تشوه بعض الوسائط تحت عمل القوة ، مما تسبب في أن يصبح سطح الوسائط مشحونة ، وهو التأثير الإيجابي الكهروإجهادي. على العكس من ذلك ، عند تطبيق مجال كهربائي الإثارة ، سيخضع الوسط تشوه ميكانيكي ، والمعروف باسم التأثير الكهروضوئي العكسي. جوهر التأثير الإيجابي الكهروإجهادي هو استقطاب الوسيلة الناتجة عن العمل الميكانيكي ؛ جوهر التأثير الكهروضوئي العكسي هو استقطاب الوسيلة الناجمة عن عمل الحقل الكهربائي.

تصنيع السيراميك الكهروضوئية
الخطوات الرئيسية في عملية إنتاج السيراميك الكهروضوئي هي: معالجة تجميع قبل إطلاق النار تشكل اختبار استقطاب القطب الكهربائي.

 

المواد الخام
المواد الخام هي الأساس لإعداد السيراميك الكهروإجهادي. بالنسبة إلى PZT ، فإن مواده الخام الرئيسية هي PB3O4 و ZRO2 و TIO2. عند اختيار المواد الخام ، يجب إيلاء الاهتمام عمومًا لتكوينها الكيميائي وحالتها الفيزيائية. يجب أن تكون متطلبات النقاء للمواد الخام معتدلة. المواد الخام عالية النقاء باهظة الثمن ، ودرجة حرارة التلبد مرتفعة مع نطاق درجة حرارة ضيقة. يمكن أن تعمل الشوائب في المواد الخام مع نقاء أقل قليلاً كمعدني ووسائل ذوبان ، ولكن بدلاً من ذلك تخفض درجة حرارة التلبيد وتوسيع نطاق درجة الحرارة. ومع ذلك ، فإن المواد الخام ذات النقاء المنخفض بشكل مفرط تحتوي على المزيد من الشوائب وليست مناسبة للاستخدام.

 

شوائب

تنقسم الشوائب إلى شوائب ضارة وشوائب مفيدة. يمكن تقسيم تعديل المنشطات PZT إلى استبدال مكافئ واستبدال غير متجانس ؛ يمكن تقسيم الاستبدال غير المتجانس إلى تعديل الإحلال الناعم ، وتعديل الإحلال الصلب ، وتعديلات الاستبدال الأخرى.

استبدال مكافئ
يشير الاستبدال المكافئ إلى استبدال أيونات pb 2+ بأيونات ثنائية الثنائي مثل ca 2+ ، sr 2+ ، mg 2+ ، إلخ ، والتي لها راديو أصغر من pb { {4}} أيونات. ونتيجة لذلك ، يزيد الثابت العازلة لـ PZT Ceramics ↑ ، يزيد معامل الاقتران الكهروميكانيكي KP ↑ ، ويزيد ثابت Dizoelectric D ، وبالتالي تحسين الأداء الكهروضوئي للسيراميك PZT.

 

استبدال غير متجانس
يشير تعديل الإحلال الناعم في الاستبدال غير المتجانس إلى إضافة بعض المواد المضافة إلى المواد الخام التي يمكن أن تقلل من قوة المجال القسري EC بمقدار ↓ ، مما يجعل الاستقطاب أسهل. لذلك ، في ظل عمل المجال الكهربائي أو الإجهاد ، تصبح خصائص المواد "ناعمة". (جسم البورسلين بعد إطلاق النار يتحول إلى اللون الأصفر)

يشير الاستبدال الصعب في الاستبدال غير المتجانس إلى إضافة بعض الإضافات التي يمكن أن تزيد من قوة المجال القسري EC وجعل الاستقطاب أكثر صعوبة ، مما يؤدي إلى أن تصبح خصائص المواد "صعبة" تحت عمل المجال الكهربائي أو الإجهاد. بعد إطلاق النار ، يبدو جسم البورسلين أسود

 

سوق السيراميك الكهروإجهادي

تحتل السيراميك الكهروضوئية ، كمواد وظيفية مهمة ، نسبة كبيرة في مجال الإلكترونيات. في عام 2000 ، بلغت المبيعات العالمية للسيراميك الكهروضوئية حوالي 3 مليارات دولار أمريكي. في السنوات الأخيرة ، نمت المبيعات السنوية للسيراميك الكهروضوئي في جميع أنحاء العالم بمعدل 15 ٪. من أجل حماية الأرض من التلوث البيئي ، أقر البرلمان الأوروبي قانونًا في عام 2001 على تقييد المواد الضارة في المعدات الكهربائية والإلكترونية ، والتي تشمل أجهزة كهروضوئية تحتوي على الرصاص في المواد المقيدة. في الوقت الحاضر ، لا تزال المنتجات في سوق السيراميك الكهروضوئي المحلي تعمل باستخدام أساليب التكنولوجيا والتواصل التقليدي ، ولم تشكل المنتجات الخالية من الرصاص ميزة صناعية بعد. الرصاص الحرة هو الاتجاه الرئيسي للجهود في الصناعة.

 

تطبيق السيراميك الكهروإجهادي

تطبيق السيراميك الكهروضوئي واسع للغاية. على سبيل المثال ، تفجير كهروضوئية ، كاشفات بالموجات فوق الصوتية ، برامج تشغيل كهروضوئية ، محولات كهروضوئية ، محولات كهروإجهادية ، شاشات الخزفية الكهروضوئية ، شاشات Ceramics piezoelcel ، تستخدم شركتنا عمومًا PZT -4 و PZT -8 السيراميك الكهروضوئي لأن هذين النوعين لهما كفاءة تحويل كهروميكانيكية عالية ومناسبة لآلة الموجات فوق الصوتية للموجات فوق الصوتية عالية الطاقة.