Какую роль играют нагретые керамические плиты при спекании многослойных пьезоэлектрических актюаторов?

Крошечные, мощные «мускулы», называемые многослойными пьезоэлектрическими приводами, могут располагать линзы, клапаны и полупроводниковое оборудование с точностью нанометрового-уровня. Они изготавливаются путем укладки сотен ультра-тонких керамических листов, на которых методом трафаретной печати-напечатаны металлические внутренние электроды, а затем совместным-обжигом всей конструкции в плотный монолитный блок. Нагревательная плита, на которой осуществляется такое спекание, должна быть образцом термической однородности.

Температурная однородность в мире производства пьезоэлектрических актуаторов для спекания керамической плиты с подогревом не просто желательна – она необходима. Даже небольшие температурные градиенты на поверхности обжига могут привести к деформации керамического пакета, разрушению встроенных электродов или возникновению внутренних механических напряжений, которые необратимо ухудшают характеристики привода.

Почему спекание важно для пьезоэлектрических актуаторов
Керамические композиции цирконата и титаната свинца (ЦТС) широко используются для изготовления многослойных пьезоэлектрических актюаторов. Привод представляет собой хрупкий ламинированный «зеленый корпус», который состоит из:

Тонкие полоски керамической ленты

Клеи органические

Растворители

Печатаются конструкции металлических электродов.

Интерфейсы давления для ламинирования

В процессе спекания керамические частицы плавятся и уплотняются, а внутренние электроды также сплавляются в проводящие слои.

Он использует хрупкую стопку порошка и металлических чернил и создает жесткую электро-механическую структуру, которая может генерировать силу и движение при подаче электричества.

Роль нагретой керамической плиты
Горячая плита является температурной основой системы спекания.

На него возложены следующие обязанности:

Механическая поддержка привода штабеля

Равномерное распределение тепла

Уменьшение температурных градиентов

Стабилизация обстановки для стрельбы

Локальное предотвращение перегрева

Слои актюатора достаточно тонкие, поэтому небольшая разница температур может вызвать неравномерную усадку при уплотнении.

Это дифференциальное уплотнение может привести к:

Искажение

Ломать

Внутренние пробелы

Отслаивание электрода

Снижение пьезоэлектрических характеристик.

Таким образом, плита служит термостабилизатором и устройством контроля размеров.

Материалы для высокотемпературных-плит для спекания
Табличка обычно изготавливается из огнеупорных керамических материалов, способных выдерживать длительный контакт с сильным нагревом.

Керамические пластины из глинозема
Часто выбирают оксид алюминия высокой-чистоты, поскольку он обеспечивает:

Хорошая термическая стабильность

Высокая степень сжатия и прочность

Изоляция для электрооборудования

Устойчивость к химическим веществам

Устойчивость к термическому удару

Керамический каркас дополнительно снижает загрязнение хрупких элементов ЦТС во время горения.

Встроенные нагревательные элементы
В плите могут быть встроены высокотемпературные нагревательные элементы, например:

Элементы молибденового сопротивления

Нагревательные элементы из карбида кремния (SiC)

Дисилицидные системы молибдена

Такие нагревательные материалы были выбраны из-за их способности обеспечивать стабильную тепловую мощность в течение многочасовых циклов спекания при температурах выше 1000 градусов.

Экстремальная однородность температурных требований
Одной из основных трудностей в процессе спекания пьезоэлектрического привода с нагретой керамической плитой является достижение стабильной температуры поверхности.

Нормальные температуры спекания
Точная температура обжига зависит от конкретного состава керамики, однако приводные устройства на основе PZT- обычно спекаются между:

1100 градусов и 1300 градусов

Эффекты дифференциальной усадки увеличивают небольшие температурные расхождения при этих температурах.

Требуемая тепловая точность
Целевые значения однородности температуры для промышленных плит для спекания часто находятся в пределах:

От ±1 градуса до ±2 градуса над активной поверхностью

Этот критерий очень жесткий, учитывая очень высокие рабочие температуры.

В печи плита представляет собой горячую, бесшумную, абсолютно однородную сцену, на которой каждый керамический слой должен синхронно сжиматься.

Предотвращение коробления и расслоения
Пьезоэлектрические актуаторы являются многослойными-и поэтому испытывают определенные необычные температурные проблемы.

Дифференциальный расчет
Если одна область стопки нагревается быстрее другой:

Скорость усадки керамики разная.

Накопление внутреннего напряжения

Происходит искажение слоя

Даже малейшие отклонения в размерах могут повлиять на точность привода для конечного-пользователя.

Внутренняя стабильность электрода
Слои палладий-серебряных электродов размещаются между керамическими листами и должны спекаться одновременно с окружающей керамикой.

Неравномерный нагрев может привести к:

Электродный зазор

Отслаивание слоев.

Перерыв

Потеря проводимости

Электромеханическая муфта уменьшена

Следовательно, поддержание равномерных тепловых условий по всей батарее имеет решающее значение как для структурных, так и для электрических характеристик.

Зачем использовать высокую термическую массу?
Спекающие плиты имеют значительную объемную и тепловую инерцию.

Преимущества высокой тепловой инерции
Большая тепловая масса помогает:

Устранить колебания температуры

Устойчивость к быстрым тепловым воздействиям

Влияние плавного цикла нагрева

Сохраняйте одинаковые условия обжига при длительной-обжиге.

Эта стабильность особенно важна, поскольку циклы пьезоэлектрического зажигания могут длиться много часов и включают в себя:

Поэтапное наращивание-наращивания

Стадии выгорания связующего-

Время выдержки при высокой температуре

Медленные регулируемые циклы охлаждения

Большая керамическая плита работает как тепловой маховик на протяжении всего процесса печи.

Управление атмосферой при спекании
Среда спекания существенно влияет на поведение как керамики, так и электрода.

Контролируемая атмосфера
Процедура может работать: На основе химического активатора.

Воздух.

Азот

Смеси инертных газов под контролем

Атмосфера с контролируемым кислородом

Плита должна быть химически стабильной во всех указанных условиях воздуха.

Химическая инертность имеет решающее значение
Пары оксида свинца могут выделяться из свинцовосодержащей керамики ЦТС при высоких температурах.

Если эти пары вступают в реакцию с плитой или нагревательными элементами:

Загрязнение может присутствовать

Ускоренная деградация нагревателя

Химический состав поверхности дестабилизирует

Поэтому огнеупорная керамика и химически стойкие системы нагрева являются неотъемлемыми компонентами узла плит.

Контрольное примечание
Для обеспечения термической стабильности используется многозонное ПИД-управление.
Современные плиты для спекания обычно контролируются с помощью многозонных температурных систем ПИД с заранее запрограммированными температурными профилями.

Эта архитектура обеспечивает:

Независимый контроль отдельных участков печатного стола

Компенсация краевых теплопотерь

Точная скорость--управления изменениями

Стабильный контроль температуры замачивания

Сам тепловой профиль тщательно разработан для:

Удаление связующего

Спекание керамики

Совместное-обжиг электродов

Контролируемое охлаждение: снятие стресса

В усовершенствованных системах может использоваться несколько термопар, размещенных по всей конструкции плиты, чтобы обеспечить непрерывную проверку однородности во время работы.

Проблемы проектирования плит большой-площади
По мере увеличения объемов производства приводов становится все труднее добиться одинаковой производительности на больших площадях плит.

Охлаждающий эффект на грани
В зависимости от используемой тактики зонирования потеря тепла на периферии плиты может привести к образованию холодных пятен.

Механическая плоскостность
Платформа должна иметь стабильные размеры, даже при многократном циклическом воздействии температуры, превышающей 1200 градусов.

Совместимость с тепловым расширением
Комбинации материалов, используемые в узле плиты, должны выдерживать многократное расширение и сжатие без растрескивания или деформации.

В результате всех этих соображений высокопроизводительные-плиты для спекания являются одними из самых сложных термических компонентов, используемых в производстве прецизионной керамики.

Заключение
Нагретый керамический валик — это незаменимый высокотемпературный инструмент, который превращает деликатную ламинированную стопку керамического порошка и металлических чернил в мощный и чрезвычайно точный пьезоэлектрический привод. Пластина обеспечивает превосходную однородность тепла во время спекания, благодаря чему керамический корпус и слои имплантированных электродов уплотняются вместе без деформации, растрескивания или расслоения.

Эти плиты изготовлены из огнеупорной керамики, такой как оксид алюминия, и нагреваются с помощью вставленных в них элементов из молибдена или карбида кремния. Они работают при температурах часто превышающих 1100 градусов и обеспечивают равномерность температуры по поверхности в пределах нескольких градусов. Их высокая термическая масса, химическая инертность и усовершенствованные много-зонные системы управления обеспечивают стабильность, необходимую для деликатного, многочасового-процесса совместного-обжига.

Хорошо-контролируемые температурные условия обычно обеспечивают мельчайшие и наиболее точные механические движения в сложных производственных системах. В производстве полупроводников лучшие движения начинаются с наиболее безупречно регулируемого нагрева.