Jakou roli hrají vyhřívané keramické desky při slinování vícevrstvých piezoelektrických aktuátorů?

Drobné, výkonné „svaly“ zvané vícevrstvé piezoelektrické aktuátory mohou polohovat čočky, ventily a polovodičová zařízení s přesností na-úrovni nanometrů. Vyrábějí se naskládáním stovek ultra-tenkých keramických plátů, na které jsou síto-vytištěny kovové vnitřní elektrody, a poté-vypálením celé konstrukce do hustého monolitického bloku. Topná deska, která toto slinování provádí, musí být modelem tepelné homogenity.

Tepelná stejnoměrnost ve světě výroby piezoelektrických aktuátorů s vyhřívanými keramickými deskami není jen žádoucí – je to nutnost. Dokonce i malé teplotní gradienty na vypalovacím povrchu mohou způsobit deformaci keramického svazku, zlomení vložených elektrod nebo vyvolat vnitřní mechanické pnutí, které trvale snižuje výkon ovladače.

Proč je spékání důležité pro piezoelektrické aktuátory
Keramické kompozice zirkoničitanu titaničitanu olovnatého (PZT) jsou široce používány pro výrobu vícevrstvých piezoelektrických aktuátorů. Pohon je křehké vrstvené „zelené tělo“, které se skládá z: Před odpálením,

Tenké proužky keramické pásky

Lepidla, organická

Rozpouštědla

Návrhy kovových elektrod jsou vytištěny

Tlaková rozhraní pro laminaci

Během procesu slinování se keramické částice taví a zhušťují a také vnitřní elektrody jsou zataveny do vodivých vrstev.

Vyžaduje křehkou hromadu prášku a kovového inkoustu a vytváří pevnou elektro-mechanickou strukturu, která může při použití elektřiny generovat sílu a pohyb.

Role vyhřívané keramické desky
Horká deska je teplotní základnou slinovacího systému.

Má následující povinnosti:

Mechanická podpora stohového pohonu

Rovnoměrné rozložení tepla

Snížení teplotních gradientů

Stabilizace prostředí střelby

Lokalizovaná prevence přehřátí

Vrstvy pohonu jsou poměrně tenké, proto malý rozdíl teplot může způsobit nerovnoměrné smrštění během zhušťování.

Toto rozdílné zahušťování může mít za následek:

Zkreslení

Lámání

Vnitřní mezery

Loupání elektrody

Snížený piezoelektrický výkon

Deska tak slouží jako tepelný stabilizátor a zařízení pro kontrolu rozměrů.

Materiály pro vysokoteplotní-slinovací desky
Deska je obvykle vyrobena ze žáruvzdorných keramických materiálů schopných odolat dlouhodobému kontaktu s intenzivním teplem.

Keramické desky z oxidu hlinitého
Vysoce{0}}čistota oxidu hlinitého je často vybírána, protože poskytuje:

Dobrá tepelná stabilita

Vysoký kompresní poměr k pevnosti

Izolace pro elektrické použití

Odolnost vůči chemikáliím

Odolnost proti tepelným šokům

Keramická kostra dále snižuje kontaminaci křehkých prvků PZT během hoření.

Vestavěná topná tělesa
Deska může mít integrovaná vysokoteplotní topná tělesa, např.

Prvky odolnosti proti molybdenu

Topné články z karbidu křemíku (SiC).

Molybdenové disilicidní systémy

Takové topné materiály byly vybrány pro svou schopnost poskytovat stabilní tepelný výkon v průběhu několika{0}}hodinových slinovacích cyklů při teplotách nad 1000 stupňů .

Extrémní jednotnost teplotních požadavků
Jedním z hlavních problémů v procesu piezoelektrického aktuátoru sintrování keramických desek je dosažení vysoce konzistentní povrchové teploty.

Normální teploty slinování
Přesná teplota vypalování se liší podle konkrétního složení keramiky, avšak akční zařízení založená na PZT- jsou obvykle spékána mezi:

1100 stupňů a 1300 stupňů

Diferenciální smršťovací efekty zvětšují mírné tepelné nesrovnalosti při těchto teplotách.

Vyžaduje se tepelná přesnost
Cíle rovnoměrnosti teploty pro průmyslové slinovací desky jsou často v rozmezí:

±1 stupeň až ±2 stupně nad aktivním povrchem

Toto kritérium je velmi náročné s velmi vysokými provozními teplotami.

V peci je deska horkým tichým zcela stejnoměrným stupněm, kdy se každá keramická vrstva musí jednotně smrštit.

Prevence deformace a delaminace
Piezoelektrické aktuátory jsou vícevrstvé-, a proto mají určité neobvyklé teplotní problémy.

Rozdílové vyrovnání
Pokud se jedna oblast zásobníku zahřívá rychleji než jiná:

Rychlost smršťování keramiky je různá

Akumulace vnitřního napětí

Dochází ke zkreslení vrstvy

I ty nejmenší odchylky ve velikosti mohou ovlivnit přesnost aktuátoru pro koncového-uživatele.

Vnitřní stabilita elektrody
Vrstvy palladiového-stříbra jsou umístěny mezi keramickými pláty a měly by se slinovat současně s okolní keramikou.

Nerovnoměrné vytápění může vést k:

Mezera elektrod

Odlupování vrstev.

Přerušení

Ztráta vodivosti

Snížená elektromechanická vazba

Udržování stejnoměrných tepelných podmínek v celé soustavě je proto klíčové jak pro strukturální, tak pro elektrické vlastnosti.

Proč používat vysokou tepelnou hmotnost?
Slinovací desky jsou navrženy tak, aby měly značnou objemovou a tepelnou setrvačnost.

Výhody vysoké tepelné setrvačnosti
Velká tepelná hmota pomáhá:

Eliminujte kolísání teplot

Odolá rychlým tepelným poruchám

Hladké dopady zahřívacího cyklu

Udržujte konzistentní podmínky vypalování pro dlouhodobé spouštění-

Tato stabilita je zvláště významná, protože cykly piezoelektrického vypalování mohou trvat mnoho hodin a zahrnují:

Postupné náběhy-

Fáze vyhoření pojiva-

Doba namáčení při vysoké teplotě

Pomalé regulované cykly chlazení

Velká keramická deska funguje jako tepelný setrvačník pro celý proces pece.

Řízení atmosféry při slinování
Prostředí slinování podstatně ovlivňuje chování keramiky i elektrody.

Řízené atmosféry
Postup může fungovat v: Na základě chemikálie ovladače

Vzduch.

Dusík

Inertní plyn se míchá pod kontrolou

Atmosféry řízené kyslíkem

Deska musí být chemicky stabilní za všech uvedených podmínek vzduchu.

Chemická inertnost je zásadní
Z keramiky PZT obsahující olovo mohou při vysokých teplotách unikat páry oxidu olovnatého.

Pokud tyto páry reagují s deskou nebo topnými články:

Může být přítomna kontaminace

Zrychlená degradace ohřívače

Povrchová chemie destabilizuje

Žáruvzdorná keramika a chemicky odolné topné systémy jsou proto nedílnou součástí sestavy desky.

Kontrolní poznámka
Tepelná stabilita využívá více{0}}zónové řízení PID
Moderní slinovací desky jsou obecně řízeny pomocí více{0}}zónových PID teplotních systémů s předprogramovanými tepelnými profily.

Tato architektura zajišťuje:

Nezávislé ovládání jednotlivých oblastí desky

Kompenzace okrajových tepelných ztrát

Přesná míra-správy{1}}změn

Stabilní regulace teploty namáčení

Samotný tepelný profil je pečlivě navržen tak, aby:

Odstraňování pojiva

Slinování keramiky

Spolu{0}}vypalování elektrod

Řízené chlazení: úleva od stresu

Pokročilé systémy mohou používat několik termočlánků umístěných v celé struktuře desky, aby bylo zajištěno nepřetržité ověřování rovnoměrnosti během provozu.

Problémy návrhu velkoplošných desek-
S rostoucím objemem výroby pohonů je stále náročnější dosáhnout jednotného výkonu na větších plochách desek.

Chladicí efekty na okraji
V závislosti na použité taktice zónování může ztráta tepla na periferii desky vést ke vzniku studených míst.

Mechanická rovinnost
Deska musí být rozměrově stabilní, i když je mnohokrát cyklována na teploty přesahující 1200 stupňů.

Kompatibilita s tepelnou roztažností
Kombinace materiálů použité v sestavě desky musí být schopné přežít opakované roztahování a smršťování bez praskání nebo deformace.

Výsledkem všech těchto úvah je, že-výkonné slinovací desky patří mezi nejsložitější tepelné komponenty používané při výrobě přesné keramiky.

Závěr
Vyhřívaná keramická deska je základní vysokoteplotní nástroj, který přeměňuje jemnou vrstvenou vrstvu keramického prášku a kovového inkoustu na výkonný, extrémně přesný piezoelektrický ovladač. Deska poskytuje vynikající tepelnou homogenitu během slinování, takže keramické těleso a implantované elektrodové vrstvy společně zhušťují bez deformace, praskání nebo delaminace.

Tyto desky jsou vyrobeny ze žáruvzdorné keramiky jako je oxid hlinitý a jsou vyhřívány prvky z molybdenu nebo karbidu křemíku vloženými do nich. Pracují při teplotách často přesahujících 1100 stupňů a poskytují rovnoměrnost teploty po celém povrchu v rozmezí několika stupňů. Jejich vysoká tepelná hmotnost, chemická inertnost a pokročilé více-zónové řídicí systémy poskytují stabilitu potřebnou pro citlivý, vícehodinový-proces společného spalování.

Dobře-kontrolované teplotní podmínky obecně poskytují nejmenší a nejpřesnější mechanické pohyby v sofistikovaných výrobních systémech. Při výrobě polovodičů začínají nejlepší pohyby s nejdokonaleji regulovaným teplem.