日本語数ブラウズ：156 著者：サイトエディタ 公開された： 2020-12-08 起源：パワード
圧電セラミックは、高温焼結および固相反応後の混合酸化物（ジルコニア、鉛酸化チタンなど）で作られた強誘電性セラミックであり、DC高電圧偏光治療を介して圧電効果を高めています。これは、機械的エネルギーと電気エネルギーを変換できる機能的なセラミック材料です。その良好な機械的特性と安定した圧電特性により、重要な力、熱、電気、および光感受性機能材料としての圧電セラミックは、センサー、 超音波トランスデューサー、マイクロディスプレーサー、およびその他の電子コンポーネントで広く使用されています。材料技術の継続的な研究と改善、および電子機器、情報、航空宇宙などのハイテク分野の迅速な発展により、高度にインテリジェントな新しい材料を含む圧電セラミックの生産技術とアプリケーション開発は、ホットトピックです。
圧電セラミックの遊離電子は、偏光の前に無秩序に配置されます。偏光処理後、偏光の方向に沿って残留偏光が生成され、異方性多結晶になります。遊離電子は一貫している傾向があり、圧電性は大幅に向上します。図1および図2に示すように、圧電セラミック材料は、任意の形状および偏光方向にすることができます。偏光の前後の圧電セラミック材料は、異なる誘電定数（ε）と圧電定数（D）が異なります。
偏光の前に誘電率を設定します。
ε11=ε22=ε33。圧電材料が方向3に分極している場合、他の2つの電極表面は偏光方向に垂直です。偏光後の誘電率：ε11=ε22≠ε33およびε33の値はε11よりはるかに大きい。圧電セラミックの圧電定数も異方性であり、圧電定数dの値も異なる方向で異なります。その中で、方向3に沿った値は最大、つまりD33> D31およびD32です。電流計で測定する場合、D33のみが電流を持ち、他の2つの方向に電流は生成されません。圧電セラミックの偏光は磁石の磁化に非常に似ており、磁化前後の磁場強度は大きく変化します。
圧電セラミックの低温焼結技術に関する研究は、1960年以降に始まりました。通常、焼結援助を追加し、焼結温度を下げるプロセスを改善する2つの側面から始まりました。 1980年代以来、国内外の学者は、圧電セラミックの低温焼結の広範な研究を行ってきました。 Tsinghua UniversityのLi Longshiは、PZTバイナリシステムに共溶剤を追加し、優れた性能を備えた材料を開発し、960度の低温で焼結しました。 Q. Yill et al。 KNNベースのセラミックに焼結エイズを追加して、低温で優れた性能を備えた鉛フリーの圧電セラミック材料を準備しました。さらに、研究者はまた、プロセスを改善する上で多くの有用な調査を実施し、特定の結果を達成しました。
圧電セラミック材料の焼結温度を下げることは、通常、共溶媒を追加してプロセスを改善する2つの側面から行われます。主に次の4つの方法があります。
基本材料にフラックスを追加するには、3つの低温焼結方法があります。
最初の方法は、固形溶液を形成することにより焼結温度を下げることです。イオン置換は、結晶格子の歪みを引き起こし、構造的欠陥を増加させ、電気ドメイン間の障壁を減らし、それによりイオン拡散を促進し、焼結を促進します。 2番目の方法は、液相焼結を形成することにより焼結温度を下げることです。液相焼結における粒子再配置と強化された接触は、粒界の境界移動度を高め、細孔を完全に排出し、結晶粒の成長を促進し、磁器体の密度を高め、焼結温度を低下させる目的を達成することができます。 3番目の方法は、移行液相焼結を通じて焼結温度を下げ、性能を向上させることです。低融点添加剤は、まず、焼結プロセス中に焼結を促進するための液相を形成し、次に焼結プロセスの最終相として機能し、主要な結晶相に戻り、ドーピング修飾の役割を果たします。
低融点添加剤のこの 'dual Effect 'は、焼結温度を250〜300℃に低下させ、性能を向上させることができます。
化学合成方法は焼結温度を下げることができますが、冷却範囲は限られており、材料の焼結温度はまだ1000°よりも高くなっています。
熱プレッシング焼結は、セラミックの焼結の駆動力を増加させ、粒界からセラミック体への毛穴または空孔の拡散を促進し、それによりセラミック体の密度を高め、焼結温度を低下させます。ホットプレス焼結型PZT圧電セラミック材料を使用して、焼結温度は150〜200℃増加し、性能も大幅に向上します。
数十万の雰囲気の圧力の下で、粉末は濃縮して焼結することができます。たとえば、放射性PZTセラミックパウダーは150,000気圧でコールドプレスされていたため、密度が7.2g/cm（理論密度の90％）のセラミック体が得られ、セラミック粉末は元々は土の黄色でした。コールドプレスして、灰色の黒い磁器の体に焼結。
国内外の圧電セラミック材料の低温焼結の上記の研究を比較してください。次の結論があります。
（1）焼結温度を下げる固形溶液を形成する場合、特定の条件下でイオン置換を実行する必要があり、結果として生じる構造欠陥は限られているため、温度低下は大きくなく、一般に200℃以内です。
（2）液相の形成を通じて焼結温度を下げる効果は明らかですが、液相生成物はセラミック微細構造に残ります。この低融点生成物の存在により、材料の機械的強度、誘電特性、および圧電特性が衰退します。
（3）化学合成によって粉末が作られるときの焼結温度は、摂氏1000度を超えています。さらに、溶液中のさまざまな金属イオンの異なる複合能力により、脱水または石灰化プロセス中に、化合物は他の化合物を分離または形成する場合があります。すべての原料を化学合成によって調製できるわけではないことがわかります。
（4）熱圧性焼結プロセス中に、その圧電特性を方向性にするために、結晶粒の向きが生成されます。セラミックボディは金型で冷却され、より大きな内部応力を生成し、圧電特性に影響を与え、焼結温度を低く低くすることはできません。
（5）低融点添加剤の「二重効果」の使用は、低コストと単純なプロセスで、材料の圧電特性を改善しながら、焼結温度を大幅に低下させることができます。これは、圧電セラミックの低温焼結に理想的な方法です。
1942年に最初のセラミック圧電材料バリウムタイタン酸塩の誕生以来、圧電セラミックのアプリケーション製品として、人々の生活のあらゆる側面に広がっています。電気機械結合のリンクとしての圧電材料の適用は、ピエゾ電気電気共振器によって表される圧電セラミック周波数制御デバイスの適用と、機械的エネルギーと電気エネルギーを変換する準スタティックアプリケーションの適用の2つの側面に大まかに分割できます。
偏光偏光電気セラミック、つまり圧電バイブレーターは、そのサイズによって決定される天然振動周波数を持ち、圧電効果は安定した電気振動を得ることができます。印加電圧の周波数が圧電バイブレーターの自然振動周波数と同じである場合、共鳴が引き起こされ、振幅が大幅に増加します。このプロセスでは、交互の電界は逆圧電効果を介してひずみを生成し、ひずみは正の圧電効果を介して電流を生成します。電気エネルギーと機械的エネルギーの間の最大相互変換を実現します。圧電バイブレーターの特性を使用して、さまざまなフィルター、共振器、およびその他のデバイスを製造できます。これらのデバイスは、低コスト、小さいサイズ、水分吸収、長寿命、良好な周波数安定性、LCフィルターよりも高い等価品質係数、幅広い周波数範囲と高精度、特にマルチチャネル通信および振幅変調受信およびさまざまな無線通信と測定機器を改善することができます。そのため、電磁オシレーターとフィルターのかなりの部分を置き換えており、この傾向はまだ発展しています。
圧電トランスは、圧電効果の電気エネルギーと機械的エネルギーの相互変換の特性を使用して作成されます。入力端と出力端である2つの部分で構成され、偏光方向は互いに垂直です。入力端は厚さ方向に分極し、交互の電圧は縦振動に適用されます。逆圧電効果により、出力には高電圧出力があります。圧電セラミック変圧器は、新しいタイプのソリッドステート電子デバイスです。従来の電磁変圧器と比較して、単純な構造、小型、軽量、大きな変換比、良好な安定性、電磁干渉とノイズなし、高エネルギー密度、高エネルギー密度、高安全性、巻き、燃焼の利点、磁気漏れ現象、電磁放射性溶解の利点があります。
圧電セラミック変圧器の作業モードによれば、ローゼンタイプの圧電セラミック変圧器、厚さ振動モード圧電セラミック変圧器、放射状振動モード圧電セラミックトランス。近年、2つの入力端子を備えた3次振動モードのローゼン圧電セラミック変圧器や、高出力の多層圧電セラミックトランスなど、より良いパフォーマンスを備えたいくつかの圧電変圧器が現れています。現在、圧電セラミック変圧器は、主にAC-DC、DC-DC、およびその他の電源デバイス、およびコールドカソードチューブ、ネオンチューブ、レーザーチューブ、小さなX線チューブ、高電圧の静電噴霧、高電圧の静電炎症炎症、ラダルディスプレイチューブなどの高電圧生成デバイスに使用されています。
圧電トランスデューサーは、圧電セラミックと逆圧電効果の圧電効果を使用して、電気エネルギーと音響エネルギーの相互変換を実現します。圧電超音波トランスデューサーもその1つです。これは、水中の超音波を伝達して受け取る水中音響装置です。音波の作用の下で、水中の圧電トランスデューサーは、トランスデューサーの両端に電荷を誘導します。これがサウンドウェーブレシーバーです。交互の電界が圧電セラミックシートに適用されると、セラミックシートは随時薄く厚くなり、音波を振動させて発射します。これは超音波送信機です。圧電トランスデューサーは、水中ナビゲーション、海洋探査、精密測定、超音波洗浄、固体検出、医療イメージング、超音波診断、および超音波疾患治療のために、業界でも広く使用されています。今日の 圧電超音波トランスデューサーのもう1つのアプリケーションフィールドは 、テレメトリとリモート制御システムです。特定の用途の例には、圧電セラミックブザー、圧電イグナイター、超音波顕微鏡などが含まれます。
圧電超音波モーターは、圧電セラミックの逆圧電効果を使用して超音波振動を生成する新しいタイプのマイクロモーターであり、共鳴を通じて材料の微小変形を増幅し、振動部分と通常の電気コイルの間の摩擦の間の摩擦によって駆動されます。従来の電磁モーターと比較して、低コスト、シンプルな構造、小型、高出力密度、良好な低速性能（減速機構なしで低速動作を実現できます）、大きなトルクとブレーキトルク、高速応答、および制御精度が高く、磁場と電界はなく、電磁干渉、電磁ノイズはありません。圧電超音波モーターは、精密機器、航空宇宙、自動制御、オフィスオートメーション、マイクロメカニカルシステム、マイクロアセンブリ、精密位置決め、および独自の特性とパフォーマンスの利点のために広く使用されています。現在、日本はこの分野で技術の主要な地位にあります。圧電超音波モーターは、カメラやビデオカメラの自動焦点を集めるために広く使用されており、大規模な一連の製品が形成されています。
鉛フリーの圧電セラミックは、環境に互換性のある圧電セラミックとも呼ばれます。セラミック材料は、人間の健康への害を避け、環境汚染を減らすために、準備、使用、および廃棄の過程で環境に有害な物質を生成しないことが必要です。産業で現在使用されているさまざまな鉛含有圧電セラミック材料の中で、鉛酸化物の内容は、材料の総質量の60％以上を占めています。これらの材料が、コンポーネントの製造、加工、保管、輸送、使用、廃棄物処理の過程で、人体と環境に害を及ぼすことは自明です。したがって、鉛フリーの環境に優しい圧電セラミック材料は、近年の研究開発の重要な方向です。ただし、現在使用されている圧電セラミック材料は主にPZTに基づいており、その圧電性能は他の圧電セラミック材料よりもはるかに優れています。さらに、材料の電気特性は、さまざまなアプリケーション要件を満たすために、ドーピングの変更とプロセス制御を通じて調整できます。
ハイドロフォンの適用に役割を果たすために、1970年代に圧電複合材料が徐々に開発されました。圧電複合材料は、特定の接続モードの圧電セラミック相とポリマー相で構成される圧電効果を持つ一種の機能的複合材料です。柔軟なポリマー相の添加により、圧電複合材料の密度、音響インピーダンス、および誘電率が減少しますが、複合材料のメリットと電気機械的カップリング係数が改善され、単純なピエゾレクト電子電子電子電気性を克服します。ポリマーの高コストの短所。ハイドロフォンとして使用されることに加えて、圧電複合材料は、産業、医療、通信分野でも使用されます。圧電複合材料に関する40年以上の継続的な研究の後、そのアプリケーション研究はかなりの進歩を遂げましたが、その完全な理論はまだ確立されておらず、そのアプリケーション開発はまだ調査されていません。現在、圧電複合材料の研究は、主に接続タイプの開発、成形プロセスの改善、多機能デバイスの準備に焦点を当てています。
近年、ナノテクノロジーの急速な発展に伴い、ナノセラミクスは徐々に人々の注目を集めています。ナノポーダーは形成され、焼結され、密集した均一なバルクナノセラミックが形成されます。材料の靭性、強度、および超塑性は大幅に改善されており、エンジニアリングセラミックの多くの欠点を克服し、材料の機械的、電気的、熱的、磁気、および光学的特性に重要な影響を与えます。材料組成システムを選択し、ナノスケールの粒子、ウィスカー、ウェーハ繊維などを追加することにより、それを修正するために、高性能と低温焼結を備えたナノピエゾレクトリックセラミック材料を取得できます。ナノ結晶粒子の成長を制御することにより、電気機械的変換と熱電気熱分解材料の熱放出特性を改善するために、奇妙な特性を備えた量子閉じ込め効果と強誘電体を取得できます。さまざまな種類の圧電変圧器、圧電ドライバー、高出力超音波溶接技術、圧電振動フィーダー、新しい超音波CVD技術、および近年急速に発達した核発電所を支える高出力超音波工学は、すべてのナノセラミクスです。
材料構造とアプリケーション技術の研究と拡大の詳細な理解により、圧電セラミック材料は、電子技術、通信技術、レーザー技術、バイオテクノロジーなどのハイテク分野で広く使用されます。これらの分野の急速な発展と新しい経済的および社会開発ニーズにより、キュリー温度、高電気機械カップリング係数、機械的品質因子など、圧電セラミックのパフォーマンスにはより高い要件があります。
