Analisi: Ceramica piezoelettrica ad alta temperatura
Le ceramiche piezoelettriche ad alta temperatura includono niobato di metalli alcalini, struttura in bronzo al tungsteno, struttura perovskite e struttura a strati di bismuto. La sua temperatura Curie è generalmente inferiore a 900 ℃, che è ben lungi dal soddisfare le esigenze speciali dei settori a temperatura ultraelevata come quello aerospaziale. Pertanto, è molto importante studiare la ceramica piezoelettrica a temperatura ultraelevata.
Le ceramiche piezoelettriche ad altissima temperatura si riferiscono a una classe di materiali con temperatura Curie superiore a 900 ℃. Attualmente, la ricerca sul sistema di materiale ceramico piezoelettrico con alte prestazioni e temperatura Curie ultraelevata viene condotta in patria e all'estero, e lo sviluppo di materiale ceramico piezoelettrico con temperatura Curie ultraelevata (TC) e buona stabilità è diventato uno degli attuali hotspot di ricerca.
1. materiale ceramico piezoelettrico ad alta temperatura con struttura perovskite
Il titanato di piombo puro è una struttura di perovskite tetragonale a temperatura normale, con costante dielettrica ridotta, elevate proprietà piezoelettriche, grande anisotropia piezoelettrica e elevata temperatura di Curie (TC = 490 ℃), quindi è adatto per lavorare ad alta temperatura. Tuttavia, poiché le ceramiche di titanato di piombo puro sono difficili da sinterizzare, quando il cristallo si raffredda attraverso il punto di Curie, è facile rompersi da solo sotto l'azione dello stress interno. L'ampio rapporto assiale rende il suo campo coercitivo ampio e difficile da polarizzare. Pertanto, molti ricercatori utilizzano il doping per formare una fusione solida per risolvere questo problema e hanno ottenuto buoni risultati di ricerca.
Il materiale ceramico piezoelettrico Pb(Zr, Ti)O3(PZT) è uno dei materiali ceramici piezoelettrici più utilizzati e di successo grazie alle sue eccellenti proprietà piezoelettriche. È stato ampiamente utilizzato nella realizzazione di attuatori piezoelettrici, sensori, filtri, microdislocatori, giroscopi piezoelettrici e altri componenti elettronici.
Quando il rapporto molare tra zirconio e titanio è Zr: Ti = 53: 47, PZT si trova nella regione MPB tra la fase trifase e quella quadrifase. In questo momento, la tensione del ferro e le proprietà elettriche del materiale sono migliori, ma il punto di Curie è di circa 330 ℃ e la temperatura di utilizzo sicuro è inferiore, quindi la sua applicazione può essere limitata solo alla regione a temperatura più bassa. La ricerca mostra che il composto con struttura perovskite ABO3 e punto Curie più elevato forma una soluzione solida multicomponente con PZT, che può mantenere stabile la proprietà piezoelettrica in un intervallo di temperature più elevato senza cambiamento di fase strutturale, cioè con punto Curie più elevato.
2. Ceramica piezoelettrica ad alta temperatura con struttura in bronzo al tungsteno
Le ceramiche piezoelettriche in bronzo al tungsteno sono una sorta di promettenti materiali cristallini elettro-ottici con le caratteristiche di grande polarizzazione spontanea, elevata temperatura di Curie, bassa costante dielettrica piezoelettrica e grande non linearità ottica. Inoltre, i composti strutturali in bronzo al tungsteno e niobato hanno attirato molta attenzione come importanti materiali ceramici piezoelettrici ad alta temperatura. PbNb2O6 ha una struttura tetragonale in bronzo al tungsteno, un'elevata temperatura Curie (TC=570 ℃), un basso fattore di qualità Qm e non è facile da depolarizzare quando si avvicina al punto Curie. Il valore d33/d31 è elevato e il coefficiente di accoppiamento elettromeccanico longitudinale è molto maggiore dei coefficienti di accoppiamento elettromeccanico trasversale e planare, quindi è particolarmente adatto per preparare trasduttori resistenti alle alte temperature.
Il meta-niobato di piombo ha grandi prospettive applicative. Esistono molti tipi di ferroelettrici con struttura in bronzo al tungsteno. Ulteriori modifiche e ricerche teoriche sui ferroelettrici con struttura in bronzo al tungsteno con elevato punto di Curie sono modi importanti per ottenere ceramiche piezoelettriche ad alta temperatura con struttura in bronzo al tungsteno con prestazioni eccellenti.
3. Materiale ceramico piezoelettrico ad alta temperatura con struttura a strati di bismuto
Il ferroelettrico strutturato a strati di bismuto (BLSF) è un materiale ceramico piezoelettrico ad alta temperatura potenzialmente privo di piombo con la formula chimica (Bi2O3) 2+-(AM-1BMO3M+1) 2-. Rispetto alla ceramica titanato zirconato di piombo, BLSF ha le caratteristiche di bassa costante dielettrica, temperatura di sinterizzazione e velocità di invecchiamento, elevata resistività, evidente anisotropia del coefficiente di accoppiamento meccanico, elevata temperatura di Curie (TC>500℃), buona stabilità temporale e termica della frequenza di risonanza, ecc. Pertanto, questo tipo di materiali sono particolarmente adatti per realizzare filtri e dispositivi piezoelettrici in campi ad alta temperatura e alta frequenza.
L'applicazione di materiali ceramici piezoelettrici ad alta temperatura ha una prospettiva molto ampia ed è anche un argomento di ricerca caldo in patria e all'estero. Essendo un materiale ceramico piezoelettrico ad alta temperatura, non deve subire trasformazioni strutturali a una temperatura più elevata per influenzarne la piezoelettricità, e i suoi vari parametri prestazionali hanno eccellenti caratteristiche di servizio ad alta temperatura, in modo da funzionare stabilmente e in modo affidabile in uno stato ad alta temperatura per molto tempo. Allo stesso tempo, con la tendenza allo sviluppo della miniaturizzazione e dell'integrazione di componenti elettronici, anche i materiali a film sottile piezoelettrici ad alta temperatura diventeranno un punto caldo della ricerca in futuro.
