Descripción general y tendencias de desarrollo de materiales piezoeléctricos de alta temperatura Descripción general y tendencias de desarrollo de la horticultura de instalaciones de China
V ol. 13, No. 5
Revista de la Universidad de Tongren 2011
Descripción general y tendencias de desarrollo de materiales piezoeléctricos de alta temperatura
Wei Shi, Ran Yaozong, Zuo Jianghong, Wang Qiang, Tao Tao, Ou Yongkang
(Departamento de Física y Ciencias Electrónicas, Universidad de Tongren, Guizhou 554300)
Resumen: Se presenta el estado actual de la investigación de materiales piezoeléctricos de alta temperatura . Este artículo revisa las estructuras y el estado de la investigación de cuatro cerámicas piezoeléctricas diferentes: perovskita, bronce de tungsteno, capas de bismuto y niobato de metal alcalino. Se señala la dirección de la investigación y la tendencia de desarrollo de las cerámicas piezoeléctricas de alto punto Curie.
Palabras clave: cerámica piezoeléctrica; temperatura de Curie; cerámica ferroeléctrica
Número de clasificación de la Biblioteca de China: TQ174 Código de identificación del documento: A Número de documento: 1673-9639(2011)05 -0140-03 .
1. Introducción
Las cerámicas piezoeléctricas se utilizan ampliamente en aviación, energía, fabricación de automóviles, comunicaciones, electrodomésticos, pruebas, computadoras y otros campos. Un componente importante de componentes electrónicos como los transformadores piezoeléctricos. [1][2]3[3] Dado que los materiales piezoeléctricos se despolarizarán en un ambiente superior a la temperatura de Curie (Tc) del material, el rendimiento piezoeléctrico se atenuará o incluso desaparecerá. Por lo tanto, para garantizar el uso normal del dispositivo, el entorno de aplicación de los dispositivos piezoeléctricos es generalmente inferior a la mitad de la temperatura de Curie (Tc) del material piezoeléctrico. [4]
La temperatura de funcionamiento de los productos electrónicos civiles suele ser inferior a 75 °C, y la temperatura de funcionamiento de algunos productos electrónicos militares es de alrededor de 125 °C. Sin embargo, con el rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología, especialmente el desarrollo de la exploración geológica, la tecnología aeroespacial y automotriz, se requieren dispositivos piezoeléctricos para desafiar continuamente los límites de los entornos de trabajo de alta temperatura. La clave para resolver este problema es preparar un Curie superior. Material de temperatura. Los principales entornos de trabajo con altas temperaturas existen en la exploración geológica, la industria aeroespacial, la industria nuclear y la industria del automóvil. Las temperaturas en estos entornos de trabajo superan en su mayoría los 200°C, o incluso llegan a los 900°C. La extracción de petróleo y la exploración geológica tienen la mayor demanda de materiales de alta temperatura, lo que es una de las principales fuerzas impulsoras de la investigación sobre cerámicas piezoeléctricas de alta temperatura. Por ejemplo, durante el proceso de perforación, cuando el sistema de detección de la sonda recopila datos como temperatura, presión, flujo, densidad, composición química, etc., la temperatura cerca de la sonda puede alcanzar los 200 °C. A medida que aumenta la profundidad de perforación, la temperatura. aumentará.
Fecha de recepción: 20115-03
Subirá. El campo aeroespacial tiene requisitos más estrictos para los dispositivos de alta temperatura. Por ejemplo, la temperatura máxima en la superficie de la Luna puede alcanzar los 330 °C y la superficie de Venus puede alcanzar los 460 °C. Se requiere que funcione de manera estable durante más de 654,38 millones de horas en condiciones de alta temperatura. Con el desarrollo de la industria automotriz, el grado de automatización, informatización e inteligencia es cada vez mayor, lo que se debe al uso de cientos de dispositivos sensores, incluidos dispositivos sensores de alta temperatura que monitorean la velocidad y el ángulo del motor, el frenado y el combustible. sistemas. [6][7][8] Además, la industria nuclear y los sistemas de monitoreo de llamas también tienen una gran demanda de dispositivos de alta temperatura.
2. Varias clasificaciones de materiales piezoeléctricos de alta temperatura.
En la actualidad, los materiales piezoeléctricos de alta T c incluyen principalmente el sistema de estructura de perovskita, el sistema de estructura de bronce de tungsteno, el sistema de estructura en capas de bismuto y el sistema de niobato de metal alcalino. La Tabla 1 compara datos clave relevantes de rendimiento eléctrico para materiales típicos en estos cuatro sistemas.
Proyecto de financiación: Fondo de Inicio de Doctorado de la Universidad de Tongren 2010 (Nº: DS1001).
Sobre el autor: Wei Shi (1975-), hombre, nacionalidad Miao, PhD, profesor del Departamento de Física y Ciencias Electrónicas de la Universidad de Tongren.
Número 5 Shiwei: Descripción general y tendencia de desarrollo de materiales piezoeléctricos de alta temperatura 141
2.1 Estructura de perovskita
Titanato de circonato con estructura de perovskita Las cerámicas de plomo PZT tienen una excelente electricidad propiedades tales como propiedades piezoeléctricas, dieléctricas y optoelectrónicas. Fueron producidos con éxito por primera vez en un ensayo por Jaffe et al [9] en 1954 y se utilizan ampliamente en el campo de la información electrónica. 2.3. Bismuto en capas.
Desde que Aurivillius descubrió los compuestos estratificados de bismuto en 1949, su peculiar estructura cristalina y su alto T_C han atraído una amplia atención. Las cerámicas piezoeléctricas con capas de bismuto, más estudiadas, se utilizan para preparar componentes electrónicos como sensores, transductores y memorias. Por tanto, los sistemas cerámicos binarios y ternarios PZT y PZT se han convertido en los materiales piezoeléctricos más maduros y con mayor grado de comercialización.
Sin embargo, la temperatura de Curie de las cerámicas PZT no es alta (T c
Figura 1 Diagrama esquemático de la estructura de perovskita
Su fórmula química general es ABO 3, y la estructura de perovskita puede usar un Para describirlo como un cubo simple, los iones de sitio a están ubicados en los ocho vértices del hexaedro, los iones de oxígeno están ubicados en los seis centros de las caras del hexaedro y todo el cristal está compuesto de disposiciones repetidas de tales unidades. La cerámica piezoeléctrica PbTiO_3 tiene una estructura de perovskita con una alta temperatura de Curie (T c ~490 °C), una constante dieléctrica baja, actividad eléctrica de alto voltaje y una gran anisotropía piezoeléctrica. El coeficiente de temperatura del tercer armónico es el mejor. es el más pequeño entre los materiales cerámicos, con una constante piezoeléctrica D_33 de solo 60 ~ 70 PC/n, lo que limita su rango de aplicación y solo se utiliza en transductores ultrasónicos de alta temperatura [15][16]
2.2 Sistema de bronce de tungsteno
La fórmula química general del sistema de bronce de tungsteno es A 6B 10O 30, y el metaniobato de plomo (PbNb2O3) es el primer ferroeléctrico de bronce de tungsteno descubierto
[.
Pbnb_2o_6 tiene un mayor T_c (570 ℃) y una mayor anisotropía del efecto piezoeléctrico (d 33/d 31 = 10, k T >; K p ), un factor de calidad mecánica muy bajo (Q m = aproximadamente 10), se puede utilizar en transductores ultrasónicos de alta temperatura. La fase ferroeléctrica del metaniobato de plomo debe formarse a alta temperatura (1230 °C), pero es bajo cero a temperatura ambiente para mejorar la sinterización. y las propiedades piezoeléctricas del metaniobato de plomo, es necesario doparlo y modificarlo, como por ejemplo utilizando iones metálicos monovalentes M+
o iones metálicos divalentes M 2+
Reemplazo del plomo [18]
Tras el descubrimiento de las cerámicas piezoeléctricas de metaniobato de plomo, se descubrieron compuestos compuestos de tungsteno, como
Compuestos estructurales de bronce p>
Plomo 4Na 2Nb 10O 30
Ba 4-2x Ag 2+x La x Nb 10O 30 también tienen altas temperaturas de transición vítrea
cabi 4 ti 4 o 15[19](TC = 790℃. ), Bi 3TiNbO 9[20](T c =940℃) y (nb 0.5 Bi 0.5)Bi 4 ti 4 o 15(TC = 600 ℃), etc. En general, tienen baja constante dieléctrica, temperatura de sinterización y envejecimiento. Sin embargo, debido a su baja simetría, es adecuado para su uso como material piezoeléctrico en aplicaciones de alta temperatura y alta frecuencia. Debido a la estructura en capas de bismuto y sus características cristalinas en forma de placa, la E c del sistema es muy grande y la polarización es muy difícil y, por lo general, debe realizarse a alta temperatura, por un lado, porque su polarización espontánea es. Limitado por dos dimensiones, su actividad piezoeléctrica es muy baja y d 33 es generalmente inferior a 20 PC/N. 2,4 Niobato de metal alcalino.
Niobato de metal alcalino. La fórmula química es ANbO 3, que es la más alta. representante.
El niobato de litio (LiNbO 3)[2]3 es también el más utilizado. El niobato de litio es un cristal ferroeléctrico con la Tc más alta (1210°C) y la mayor polarización espontánea (aproximadamente 0,7C/m2 a temperatura ambiente). Es un compuesto de estructura de perovskita retorcida (estructura cristalina LiNbO 3). Sin embargo, el costo de los cristales de niobato de litio es alto y la preparación de cerámicas de niobato de litio es difícil. Debido a la baja actividad piezoeléctrica de LiNbO_3, y el d33 del monocristal de LiNbO_3 es solo 6pC/N, no puede cumplir con los requisitos de los dispositivos piezoeléctricos, lo que limita severamente su aplicación en el campo de la piezoelectricidad. Por lo tanto, se ha estudiado una serie de compuestos multicomponentes del sistema de niobato de metales alcalinos reemplazando los iones de litio con otros iones de metales alcalinos para mejorar su actividad piezoeléctrica. Por ejemplo, la temperatura de Curie (Tc ~1125℃) del monocristal de 0,2Sr 2TaO 7-0,8Sr 2Nb 2O 7 (SNST) es similar al LiNbO 3, y la unión de prueba es la siguiente.
Los resultados muestran que el cristal todavía tiene propiedades piezoeléctricas a 1000°C, con una constante piezoeléctrica de d 33 ~ 3 PC/n [21] en "High Temperature Piezoelectric Materials" publicado por la Universidad Estatal de Pensilvania. En la patente de Estados Unidos de 2007" [22], dos monocristales piezoeléctricos, YCaO(BO3)3(YCOB) y GdCa 4O(BO3)3(GDCOB), tienen propiedades piezoeléctricas antes del punto de fusión y mantienen una alta resistividad, por lo que son actualmente el cuerpo piezoeléctrico de mayor temperatura disponible
Discusión
De la revisión anterior, se encontró que los dos indicadores clave de la cerámica piezoeléctrica: la temperatura de Curie (T c) y la presión La constante eléctrica (d 33) obedece aproximadamente a una relación inversa simple, es decir, la actividad piezoeléctrica de las cerámicas piezoeléctricas de alta Tc.
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La propiedad no es fuerte. Por ejemplo: cuando la temperatura de Curie T c & gt es 500 ℃, su constante piezoeléctrica es d 33
Figura 2 Temperatura de Curie vs. cerámicas piezoeléctricas típicas.
Correlación de constantes piezoeléctricas
4. Conclusión
La preparación de materiales piezoeléctricos con alta temperatura de Curie y buenas propiedades piezoeléctricas es la tendencia de desarrollo futuro. Al mejorar el proceso y la tecnología de preparación, integrando las ventajas de la estructura de perovskita con una mejor actividad piezoeléctrica y la estructura en capas de bismuto con una temperatura de Curie más alta, lograr avances en la preparación de nuevos materiales es un problema que debe resolverse.
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Desarrollo de cerámicas piezoeléctricas de alta temperatura
Wei, Ran Yaozong, Zuo Jianghong,, Ou Yongkang
(Departamento de Física y Ciencias Electrónicas, Universidad de Tongren; Tongren, Guizhou 554300, China)
Resumen: una revisión de materiales piezoeléctricos de alta temperatura de Curie, incluidos tungstato, estructura en capas de bismuto, cerámicas piezoeléctricas de perovskita y cerámicas estructurales de corindón. . Se revisa el progreso de la investigación de cuatro tipos estructurales diferentes de cerámicas piezoeléctricas de alto Curie. Además, también se analizan las direcciones de investigación y las tendencias de desarrollo de la cerámica piezoeléctrica.
Palabras clave: cerámica piezoeléctrica; alta temperatura de Curie; propiedades ferroeléctricas
(Editor Li Zongbao)
(Viene de la página 124)
Ciencia, 2001, (7).
[7]Lu·. Sociología del deporte[M]. Beijing: Prensa de Educación Superior, 2006.
[8]Hu Xiaoming, Yu Chongqian. La teoría y la práctica del deporte, el ocio y el entretenimiento[M]. Beijing: Prensa de Educación Superior, 2004.
Ocio, deportes, deportes de ocio
Wang Juan
(Escuela de Educación Física, Universidad de Ciencia y Tecnología de Jiangsu; Zhenjiang Jiangsu, 212003)
Resumen: Con el rápido desarrollo de la investigación sobre ocio y deporte, la gente ha comenzado a prestar atención a algunas cuestiones teóricas básicas, como la relación entre ocio y deporte y el concepto de deporte de ocio. Partiendo del concepto de ocio, el ocio se ha convertido en una necesidad histórica. Al analizar los cambios en los valores deportivos, podemos derivar la base histórica de la prosperidad de los deportes de ocio.
Palabras clave: ocio; deportes; deportes de ocio
(Editor Lu Nana)