Пьезоэлектрическая керамика: передовой материал высокотехнологичных отраслей, ускоряющий развитие сверхпрецизионных технологий

С непрерывным развитием высоких технологий требования к […]

С непрерывным развитием высоких технологий требования к точности современных технических средств постоянно возрастают. Пьезоэлектрические материалы используются в датчиках, приводах и других устройствах прецизионной и сверхпрецизионной техники, обеспечивая измерение малых деформаций объектов, измерение напряжений, нанопозиционирование и неразрушающий контроль.

У каждого пьезоэлектрического материала свои достоинства, недостатки и сценарии применения. Пьезоэлектрическая керамика обладает высокой пьезоэлектрической активностью поликристаллической структуры и высоким электромеханическим коэффициентом связи; при обработке к её форме не предъявляется особых требований — ей можно придать любую конфигурацию. Материал имеет существенное ценовое преимущество, допускает крупносерийное производство и углублённую доработку, а также может сочетаться с другими функциональными устройствами, удовлетворяя требования различных областей. Поэтому она широко применяется в современных науке, технике и повседневной жизни всюду, где требуется сверхпрецизионная обработка.

Применение пьезоэлектрической керамики в прецизионной и сверхпрецизионной областях

Благодаря прямому и обратному пьезоэлектрическому эффекту пьезокерамические материалы широко применяются в датчиках, приводах, преобразователях, фильтрах и других приборах. Область применения охватывает авиакосмическую отрасль, военную технику, информационную электронику, промышленное машиностроение, медицину, автомобильную технику и многие другие сферы. По статистике, к 2026 году объём мирового рынка пьезоэлектрических материалов и изделий, по прогнозам, достигнет 35,4 млрд долларов США, при этом на долю Китая приходится более 60 % мирового объёма производства, потребления и экспорта пьезоматериалов и изделий.

1. Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезоэлектрический преобразователь использует прямой и обратный пьезоэлектрический эффект керамики для взаимного преобразования электрической и акустической энергии. Пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь — это гидроакустический прибор для излучения и приёма ультразвука под водой. Находящийся в воде преобразователь под действием звуковой волны индуцирует заряды на своих выводах — так работает приёмник звуковых волн; если же к пьезокерамическому диску приложить переменное электрическое поле, диск будет попеременно утоньшаться и утолщаться, вибрируя и излучая звуковую волну, — так работает ультразвуковой излучатель.

Пьезоэлектрические преобразователи широко используются в подводной навигации, океанологических исследованиях, ультразвуковой очистке, дефектоскопии твёрдых тел, а также в медицинской визуализации, ультразвуковой диагностике и ультразвуковой терапии. Ещё одна современная область применения ультразвуковых пьезопреобразователей — системы телеметрии и телеуправления.

● Применение в неразрушающем контроле.Неразрушающий контроль — это технология, которая без повреждения объекта исследования с помощью акустических, оптических, электрических, магнитных и иных методов выявляет дефекты и неоднородности, определяя размеры, расположение, характер и количество дефектов.

Широко распространённые методы неразрушающего контроля — ультразвуковой, радиографический, машинного зрения, вихретоковый и вибрационный — в обнаружении повреждений бетона и деревянных конструкций пока остаются на начальном этапе: они не позволяют локализовать и описать внутренние повреждения, а датчики дороги. Пьезоэлектрическая керамика, напротив, гибка в применении и недорога, что позволяет реализовать локализацию и интеллектуальное обнаружение повреждений бетона и деревянных конструкций.

● Применение в пьезоэлектрическом сборе энергии.Пьезоэлектрический сборщик энергии использует резонансные свойства пьезоэлектрического вибратора и пьезоэффект материала для преобразования солнечной, вибрационной, акустической и других видов энергии окружающей среды в электричество. Этот же принцип применяется в пьезокерамических ультразвуковых двигателях. В настоящее время технология пьезоэлектрического сбора энергии используется главным образом для выработки электроэнергии на дорожном покрытии — преобразования механической энергии, создаваемой движущимся транспортом.

Среди пьезоэлектрических материалов наиболее распространён цирконат-титанат свинца (PZT, ЦТС). Однако исследования показывают, что при высокочастотных циклических нагрузках PZT склонен к усталостным трещинам и хрупкому разрушению, поэтому в системах пьезоэлектрического сбора энергии PZT не выдерживает чрезмерных напряжений. Вместо него может применяться пьезоэлектрический полимер поливинилиденфторид (PVDF), который, как показывают исследования, отличается высокой вязкостью разрушения, длительным сроком службы и высоким КПД.

2. Пьезоэлектрические датчики

При работе пьезоэлектрического датчика давление на пьезоэлементе приводит к образованию заряда; пройдя через встроенные усилитель и преобразователь импеданса, заряд формирует электрическую величину, пропорциональную внешнему давлению, которая затем выдаётся наружу, обеспечивая нормальную работу датчика. Такие датчики широко применяются в акустике, медицине, механике и навигации.

● Применение в области микроперемещений и измерения трёхмерных поверхностей.В области микроперемещений пьезокерамика применяется главным образом в сверхпрецизионных системах подачи. В качестве измерительного инструмента используется индуктивный микрометр с точностью 0,01 мкм и диапазоном 0–10 мкм; жёсткость стола составляет 200 Н/мкм, ход перемещения — 27,6 мкм. При подаче напряжения на пьезокерамику и при её разряде возникает динамическое перемещение: смещение пьезоэлемента приводит в движение стол подачи, а датчик перемещения передаёт сигнал обратной связи в систему управления, замыкая контур. Индуктивный микрометр обменивается данными с компьютером, и управление перемещением измерительной платформы реализуется средствами Matlab или LabVIEW.

Структурная схема системы подачи

В области измерения трёхмерных поверхностей применяются главным образом механический и оптический контактные методы, метод сканирующего зонда и метод фазосдвиговой интерферометрии; наилучший результат даёт последний.

● Применение в измерении малых деформаций и напряжений.В этой области используются пьезоэлектрические чувствительные элементы: свойства пьезокерамики применяются для измерения силы, а также неэлектрических физических величин, сводимых к силе.

Из традиционных методов измерения малых деформаций — штангенциркуль, оптический рычаг и др. — ни один не удовлетворяет требованиям прецизионной и сверхпрецизионной техники, поэтому измерение малых деформаций прецизионных материалов с помощью интеллектуального материала — пьезокерамики — и датчиков является важным направлением современных исследований.

3. Пьезоэлектрические приводы

Пьезоэлектрический привод реализует управление движением за счёт обратного пьезоэлектрического эффекта. Разрешающая способность пьезокерамики достигает нанометрового уровня и даже на порядок выше, а перемещение может быть прямолинейным в заданном направлении. При приложении электрического поля пьезоматериал испытывает механическую деформацию, вызывающую движение, которое используется для приведения в действие механических систем и точного управления положением и перемещением. Пьезоприводы широко применяются там, где нужны высокая точность и быстрота позиционирования: они отличаются большим усилием, малыми габаритами, быстрым откликом и высокой жёсткостью.

Пьезоэлектрический керамический привод

Привод — ключевое устройство микропозиционирующей платформы, приводящее её в движение. Микропозиционеры используются для управления положением с точностью до микрометров и долей микрометра: в производстве оптических приборов, юстировке оптоволокна, высокоточных трёхкоординатных микроперемещающих столах, прецизионной механической обработке, исследованиях туннельного эффекта и др. В традиционных механизмах позиционирования — направляющих качения и скольжения, точных винтовых клиновых механизмах, турбинно-кулачковых, зубчато-рычажных и иных механических микроприводах — из-за больших зазоров и трения сверхпрецизионное позиционирование недостижимо. Сочетание пьезоэлектрического привода с усилительным механизмом на упругих шарнирах устраняет эти недостатки и обеспечивает сверхпрецизионное позиционирование на микро- и наноуровне.

Заключение

В целом, являясь одним из основных функциональных материалов современного промышленного производства, пьезоэлектрическая керамика своими преимуществами стимулирует развитие материаловедения и благодаря множеству сильных сторон пользуется признанием высокотехнологичных отраслей; исследований в прецизионной и сверхпрецизионной областях становится всё больше. С быстрым развитием новых отраслей и новыми потребностями экономики и общества требования к характеристикам пьезокерамики будут расти: керамика с высокой температурой Кюри, высокими электромеханическим коэффициентом связи и механической добротностью, а также экологичная бессвинцовая, композитная и нанопьезокерамика непременно станут главными направлениями будущих исследований.