Яку роль відіграють нагріті керамічні плити в спіканні багатошарових п’єзоелектричних приводів?

Крихітні потужні «м’язи», які називаються багатошаровими п’єзоелектричними актуаторами, можуть позиціонувати лінзи, клапани та напівпровідникове обладнання з нанометровою точністю-. Їх виготовляють шляхом укладання сотень над-тонких керамічних аркушів, на яких трафаретним-надруковано металеві внутрішні електроди, а потім-спільного випалювання всієї конструкції в щільний монолітний блок. Нагрівальна плита, яка виконує це спікання, повинна бути моделлю термічної однорідності.

Теплова рівномірність у світі виробництва п’єзоелектричних актуаторів з нагрітою керамічною плитою для спікання є не просто бажаною – це обов’язкова умова. Навіть невеликі температурні градієнти на поверхні обпалу можуть призвести до деформації керамічної стопки, руйнування вбудованих електродів або викликати внутрішні механічні напруги, які постійно погіршують продуктивність приводу.

Чому спікання важливо для п’єзоелектричних приводів
Керамічні композиції цирконат-титанату свинцю (ЦЦТ) широко використовуються для виготовлення багатошарових п’єзоелектричних приводів. Привід являє собою крихке ламіноване «зелене тіло», яке складається з: Перед пострілом,

Тонкі смужки керамічної стрічки

Клеї органічні

Розчинники

Металеві конструкції електродів друкуються

Інтерфейси тиску для ламінування

Під час процесу спікання керамічні частинки сплавляються та ущільнюються, а внутрішні електроди також сплавляються в провідні шари.

Він бере крихкий стос порошку та металевого чорнила та створює жорстку електро-механічну структуру, яка може генерувати силу та рух під час застосування електрики.

Роль керамічного валика з підігрівом
Гаряча плита є температурною основою системи спікання.

Він має такі обов'язки:

Механічна опора приводу стека

Рівномірний розподіл тепла

Зменшення температурних градієнтів

Стабілізація середовища стрільби

Локалізована профілактика перегріву

Шари актуатора досить тонкі, тому невелика різниця температур може викликати нерівномірну усадку при ущільненні.

Це диференціальне ущільнення може призвести до:

Спотворення

ломка

Внутрішні зазори

Відшарування електрода

Зниження п'єзоелектричних характеристик

Таким чином, валик виконує роль термостабілізатора і пристрою контролю розмірів.

Матеріали для плит-спікання при високих температурах
Валик зазвичай виготовляється з вогнетривких керамічних матеріалів, здатних витримувати тривалий контакт з інтенсивним нагріванням.

Плити глиноземної кераміки
Часто вибирають високо{0}}глинозем, оскільки він забезпечує:

Хороша термічна стабільність

Високий коефіцієнт стиснення до міцності

Ізоляція для електричного використання

Стійкість до хімічних речовин

Стійкість до термічного удару

Керамічний каркас додатково зменшує забруднення крихких елементів PZT під час горіння.

Вбудовані нагрівальні елементи
Валик може мати вбудовані високотемпературні нагрівальні елементи, наприклад:

Елементи молібденової стійкості

Нагрівальні елементи з карбіду кремнію (SiC).

Дисиліцидні системи молібдену

Такі нагрівальні матеріали вибрано через їхню здатність давати стабільну теплову потужність протягом багато-годинних циклів спікання при температурах вище 1000 градусів.

Надзвичайна однаковість вимог до температури
Одна з головних труднощів у процесі спікання п’єзоелектричного приводу з нагрітою керамічною плитою полягає в досягненні стабільної температури поверхні.

Нормальні температури спікання
Точна температура випалу залежить від конкретного складу кераміки, однак приводні пристрої на основі PZT- зазвичай спікаються між:

1100 градусів і 1300 градусів

Різні ефекти усадки збільшують невеликі температурні розбіжності при цих температурах.

Необхідна термічна точність
Цільові показники рівномірності температури для плит промислового спікання часто знаходяться в межах:

±1 градус до ±2 градуси над активною поверхнею

Цей критерій є дуже жорстким у зв’язку з дуже високими робочими температурами.

У печі валик — це гаряча безшумна повністю рівномірна поверхня, коли кожен керамічний шар має стискатися разом.

Запобігання деформації та відшарування
П’єзоелектричні приводи є багатошаровими-і тому відчувають певні незвичні температурні проблеми.

Диференціальний розрахунок
Якщо одна частина стека нагрівається швидше, ніж інша:

Швидкість усадки кераміки різна

Накопичення внутрішньої напруги

Відбувається спотворення шару

Навіть найменші відхилення в розмірі можуть вплинути на точність приводу для кінцевого -користувача.

Стабільність внутрішнього електрода
Шари паладієвого-срібного електрода розміщуються між керамічними листами та повинні спікатися одночасно з навколишньою керамікою.

Нерівномірне нагрівання може призвести до:

Зазор між електродами

Відшарування шарів.

Перерва

Втрата провідності

Електромеханічне зчеплення зменшене

Отже, підтримка рівномірних теплових умов у всій трубі має вирішальне значення як для структурних, так і для електричних характеристик.

Навіщо використовувати High Thermal Mass?
Плити для спікання сконструйовані таким чином, щоб мати значний обсяг і теплову інерцію.

Переваги високої теплової інерції
Велика теплова маса допомагає:

Усунути коливання температури

Стійкість до швидких температурних перепадів

Плавний цикл нагріву впливає

Підтримуйте стабільні умови випалу для тривалого-випалу

Ця стабільність особливо важлива, оскільки цикли п’єзоелектричного випалювання можуть тривати багато годин і включають:

Поетапне-збільшення

Етапи вигоряння сполучного-

Тривалість замочування при високій температурі

Повільні регульовані цикли охолодження

Великий керамічний валик працює як термічний маховик для всього процесу печі.

Управління атмосферою при спіканні
Середовище спікання суттєво впливає на поведінку як кераміки, так і електрода.

Контрольована атмосфера
Процедура може працювати в: На основі хімічного приводу

повітря.

Азот

Контрольні суміші інертних газів

Атмосфера з контрольованим вмістом кисню

Валик повинен бути хімічно стабільним у всіх зазначених умовах повітря.

Хімічна інертність має вирішальне значення
Пари оксиду свинцю можуть виділятися з кераміки PZT, що містить свинець, за високих температур.

Якщо ці пари вступають у реакцію з валиком або нагрівальними елементами:

Можливе забруднення

Прискорена деградація нагрівача

Хімічний склад поверхні дестабілізує

Тому вогнетривка кераміка та хімічно стійкі системи опалення є невід’ємними компонентами вузла валика.

Контрольна примітка
Для термостабільності використовується багато-зонне ПІД-регулювання
Сучасні плити для спікання, як правило, контролюються багато-зональними температурними системами PID із попередньо запрограмованими тепловими профілями.

Ця архітектура забезпечує:

Незалежний контроль окремих ділянок валика

Компенсація втрат тепла по краю

Точна швидкість--керування змінами

Стабільний контроль температури замочування

Сам тепловий профіль ретельно розроблений, щоб:

Видалення сполучного

Спікання кераміки

Сп-випалювання електродів

Контрольоване охолодження: зняття стресу

Розширені системи можуть використовувати кілька термопар, розміщених по всій структурі валика, щоб забезпечити постійну перевірку однорідності під час роботи.

Проблеми дизайну великого-площа
Оскільки обсяги виробництва приводів збільшуються, стає все складніше досягти однакової продуктивності на більшій площі валика.

Ефекти охолодження на краю
Залежно від застосованої тактики зонування, втрати тепла на периферії плити можуть призвести до холодних плям.

Механічна площинність
Валик повинен мати стабільні розміри, навіть якщо багато разів піддаватися температурам, що перевищують 1200 градусів.

Сумісність із термічним розширенням
Комбінації матеріалів, які використовуються у вузлі валика, повинні бути здатними витримувати повторне розширення та звуження без розтріскування чи деформації.

У результаті всіх цих міркувань високо{0}}ефективні плити для спікання належать до найскладніших термічних компонентів, які використовуються у виробництві прецизійної кераміки.

Висновок
Керамічний валик із нагріванням є основним високотемпературним інструментом, який перетворює ніжну ламіновану стопку керамічного порошку та металевого чорнила на потужний, надзвичайно точний п’єзоелектричний привід. Валик забезпечує чудову теплову однорідність під час спікання, завдяки чому керамічний корпус і шари імплантованого електрода ущільнюються разом без деформації, розтріскування чи розшарування.

Ці валики виготовлені з вогнетривкої кераміки, як-от оксид алюмінію, і нагріваються елементами з молібдену або карбіду кремнію, вставленими в них. Вони працюють при температурах, які часто перевищують 1100 градусів, і забезпечують рівномірність температури по всій поверхні в межах кількох градусів. Їх висока термічна маса, хімічна інертність і передові багато-системи керування зонами забезпечують стабільність, необхідну для чутливого, багато-годинного -процесу спільного спалювання.

Добре-контрольовані температурні умови зазвичай забезпечують найменші та найточніші механічні рухи в складних виробничих системах. У виробництві напівпровідників найкращі рухи починаються з найбільш бездоганно регульованого тепла.