Analyse: Piezoelektrische Hochtemperaturkeramik
Piezoelektrische Hochtemperaturkeramiken umfassen Alkalimetallniobat, Wolframbronzestruktur, Perowskitstruktur und Wismutschichtstruktur. Seine Curie-Temperatur liegt im Allgemeinen unter 900℃, was den besonderen Anforderungen von Ultrahochtemperaturbereichen wie der Luft- und Raumfahrt bei weitem nicht gerecht wird. Daher ist es sehr wichtig, piezoelektrische Ultrahochtemperaturkeramiken zu untersuchen.
Piezoelektrische Ultrahochtemperaturkeramiken beziehen sich auf eine Materialklasse mit einer Curie-Temperatur von mehr als 900 °C. Derzeit wird im In- und Ausland an piezoelektrischen Keramikmaterialsystemen mit hoher Leistung und ultrahoher Curie-Temperatur geforscht, und die Entwicklung von piezoelektrischen Keramikmaterialien mit ultrahoher Curie-Temperatur (TC) und guter Stabilität ist zu einem Ganzen geworden der aktuellen Forschungs-Hotspots.
1. Hochtemperatur-piezoelektrisches Keramikmaterial mit Perowskitstruktur
Reines Bleititanat hat bei Normaltemperatur eine tetragonale Perowskitstruktur mit kleiner Dielektrizitätskonstante, hoher piezoelektrischer Eigenschaft, großer piezoelektrischer Anisotropie und hoher Curie-Temperatur (TC=490℃) und ist daher für Arbeiten bei hohen Temperaturen geeignet. Da reine Bleititanat-Keramiken jedoch schwer zu sintern sind, kann es beim Abkühlen des Kristalls über den Curie-Punkt unter der Einwirkung innerer Spannungen leicht zu Rissen kommen. Das große Achsenverhältnis macht sein Koerzitivfeld groß und schwierig zu polarisieren. Daher nutzen viele Forscher zur Lösung dieses Problems Dotierung zur Bildung einer festen Schmelze und haben gute Forschungsergebnisse erzielt.
Das piezoelektrische Keramikmaterial Pb(Zr, Ti)O3(PZT) ist aufgrund seiner hervorragenden piezoelektrischen Eigenschaften eines der am weitesten verbreiteten und erfolgreichsten piezoelektrischen Keramikmaterialien. Es wird häufig zur Herstellung von piezoelektrischen Aktoren, Sensoren, Filtern, Mikroverdrängern, piezoelektrischen Gyroskopen und anderen elektronischen Bauteilen verwendet.
Wenn das Molverhältnis von Zirkonium zu Titan Zr:Ti = 53:47 beträgt, liegt PZT im MPB-Bereich zwischen der Dreiphasen- und der Vierphasenphase. Zu diesem Zeitpunkt sind die Eisenspannung und die elektrischen Eigenschaften des Materials besser, aber der Curie-Punkt liegt bei etwa 330 °C und die sichere Verwendungstemperatur ist niedriger, sodass seine Anwendung nur auf den niedrigeren Temperaturbereich beschränkt werden kann. Untersuchungen zeigen, dass die Verbindung mit ABO3-Perowskit-Struktur und höherem Curie-Punkt mit PZT eine Mehrkomponenten-Mischkristalllösung bildet, die die piezoelektrischen Eigenschaften in einem höheren Temperaturbereich ohne strukturelle Phasenänderung, d. h. mit höherem Curie-Punkt, stabil halten kann.
2. Piezoelektrische Hochtemperaturkeramik mit Wolframbronzestruktur
Piezoelektrische Keramiken aus Wolframbronze sind eine Art vielversprechende elektrooptische Kristallmaterialien mit den Eigenschaften einer großen spontanen Polarisation, einer hohen Curie-Temperatur, einer niedrigen piezoelektrischen Dielektrizitätskonstante und einer großen optischen Nichtlinearität. Darüber hinaus haben Niobat-Wolframbronze-Strukturverbindungen als wichtige piezoelektrische Hochtemperatur-Keramikmaterialien große Aufmerksamkeit erregt. PbNb2O6 hat eine tetragonale Wolframbronzestruktur, eine hohe Curie-Temperatur (TC=570℃), einen niedrigen Qualitätsfaktor Qm und lässt sich bei Annäherung an den Curie-Punkt nicht leicht depolarisieren. Der d33/d31-Wert ist groß und der longitudinale elektromechanische Kopplungskoeffizient ist viel größer als die transversalen und planaren elektromechanischen Kopplungskoeffizienten, sodass er besonders für die Herstellung hochtemperaturbeständiger Wandler geeignet ist.
Bleimetaniobat hat große Anwendungsaussichten. Es gibt viele Arten von Ferroelektrika mit Wolframbronzestruktur. Weitere Modifikationen und theoretische Untersuchungen an Ferroelektrika mit Wolframbronzestruktur und hohem Curie-Punkt sind wichtige Wege, um piezoelektrische Hochtemperaturkeramiken mit Wolframbronzestruktur und hervorragender Leistung zu erhalten.
3. Hochtemperatur-piezoelektrisches Keramikmaterial mit Wismut-Schichtstruktur
Bismuth Layer Structured Ferroelectric (BLSF) ist ein potenziell bleifreies piezoelektrisches Hochtemperaturkeramikmaterial mit der chemischen Formel (Bi2O3) 2+-(AM-1BMO3M+1) 2-. Im Vergleich zu Bleizirkonat-Titanat-Keramiken weist BLSF die Eigenschaften einer niedrigen Dielektrizitätskonstante, einer niedrigen Sintertemperatur und Alterungsrate, eines hohen spezifischen Widerstands, einer offensichtlichen Anisotropie des mechanischen Kopplungskoeffizienten und einer hohen Curie-Temperatur (TC) auf>500℃), gute Zeit- und Temperaturstabilität der Resonanzfrequenz usw. Daher eignen sich diese Art von Materialien besonders für die Herstellung von Filtern und piezoelektrischen Geräten in Hochtemperatur- und Hochfrequenzfeldern.
Die Anwendung von piezoelektrischen Hochtemperatur-Keramikmaterialien hat eine sehr breite Perspektive und ist auch im In- und Ausland ein heißes Forschungsthema. Da es sich um ein piezoelektrisches Hochtemperatur-Keramikmaterial handelt, darf es bei einer höheren Temperatur keine Strukturumwandlung erfahren, die seine Piezoelektrizität beeinträchtigt, und seine verschiedenen Leistungsparameter weisen ausgezeichnete Hochtemperatur-Betriebseigenschaften auf, um in einem Hochtemperaturzustand stabil und zuverlässig zu arbeiten für eine lange Zeit. Gleichzeitig werden mit dem Entwicklungstrend der Miniaturisierung und Integration elektronischer Komponenten auch piezoelektrische Hochtemperatur-Dünnschichtmaterialien in Zukunft zu einem Forschungsschwerpunkt werden.
