Qurğuşun Zirkonat Titanatı (PZT) ifadəsi ilə bilinən piyezo PZT halqalar, piyezoelektrik effekt adlanan hadisə sayəsində elektrik enerjisini mikroskopik hərəkətlərə çevirən və ya əksinə edə bilən xüsusi komponentlərdir. Bu keramik halqalar perovskit adlanan xüsusi kristal strukturuna malik materiallardan hazırlanır. Gərginlik tətbiq olunduqda, nanometr miqyasında çox kiçik yerləşdirmələr yaradırlar. Bu xüsusiyyət onları ultrasonik transdüserlərdə təmizləmə avadanlıqları üçün və ya hər hansı obyekti son dərəcə yüksək dəqiqliklə yerləşdirmə tələb edən mövqe təyin sistemləri kimi dəqiqliyin vacib olduğu tətbiq sahələrində uğurla istifadə olunmasını təmin edir.
PZT materialları mexaniki enerjini elektrik siqnallarına və əksinə çevirmək qabiliyyətinə malik olduqları üçün həqiqətən maraqlı xassəyə malikdirlər. Bu kristallara təzyiq və ya gərginlik tətbiq edin və onlar sizə birbaşa piezoelektrik effekti adlandırdığımız elektrik enerjisi verir. Vəziyyəti dəyişdirib gərginlik tətbiq etsəniz, kristalların struktur olaraq deformasiyaya uğradığını görərsiniz – bu da tərs effektin işləməsidir. Bu iki istiqamətli proses PZT halqalarını həm sensor (dəyişiklikləri aşkarlayır) kimi, həm də aktuator (hərəkət yaradır) kimi işləməsi üçün fövqəladə dərəcədə çox yönlü komponentlər halına gətirir. 2024-cü ildə dərc edilmiş piezoelektrik materiallarla bağlı son araşdırmalara baxdığımız zaman, PZT tətbiq olunan hər volt üçün nə qədər deformasiya baş verdiyini ölçən impression d33 əmsalı ilə seçilir. Rəqəmlər? Təxminən 650 pikometr/volt ki, bu da performans imkanları baxımından şüşə kimi təbii alternativlərdən illərlə irəlidədir.
PZT-nin sənaye və tibbi sistemlərdə səmərəliliyini artırmaq üçün üç amil mövcuddur:
Bu inkişaflar PZT keramik halqalarını mikronaltı dəqiqlik tələb edən tətbiqlərdə alternativ piezokeramiklərdən 30% daha həssas edir.
PZT keramik halqaların piezoelektrik performansında nə qədər yaxşı olmasını təmin edir? Onların xüsusi kristal quruluşu burada əsasdır. Bu halqalar istədiyimiz xassələri əldə etmək üçün stronsium və ya lantan kimi müxtəlif legirləşdiricilərlə birlikdə qurğuşun zirkonat titanatından (PZT) ibarətdir. Dənəcik ölçüləri 2 mikronun altına düşdükdə, d33 əmsalının 600 pK/N-dən çox ola biləcəyi təqdim olunan yüksək səviyyədən imtina etmədən, histeresis problemlərinin əhəmiyyətli dərəcədə azaldığını müşahidə edirik. 2023-cü ildən olan bəzi son araşdırmalar da maraqlı bir şey göstərdi. Gümüş örtüklü elektrodlar adi elektrodlara nisbətən keçiriciliyi təxminən 40 faiz daha yaxşı artırır və yükləndikdə belə ölçülü sabitliyini saxlayır. Müasir istehsal üsulları porozluq səviyyəsini 0,5%-dən aşağı salmaqda həqiqətən yaxşılaşmışdır. Bu, implantların sterilizasiya proseslərini pozulmadan dözə bildiyi tibbi tətbiqlər üçün xüsusilə vacibdir.
Poling prosesi nəzarət olunan sabit cərəyan sahələri vasitəsilə (6–8 kV/mm) ferroelektrik domenlərin 85–90%-ni həll edir. Duzgün yönəldilmiş domenlər elektromexaniki əlaqə faktorlarını artırır (kᵪ > 0,65), 2022-ci ilin tədqiqatında optimal şəkildə poladılmış halqaların poladılmamış analoqlarına nisbətən 15% daha sürətli reaksiya göstərdiyi sübut edilmişdir.
PZT halqaları -40°C-dən 150°C-ə qədər temperaturda iş funksiyasını saxlayır və Kurie temperaturu 350°C-dən yuxarı olmaqla p'yezoelektrik sabitliyini təmin edir. 2024-cü ilin material analizi göstərdi ki, paslanmayan poladdan müqayisədə nikeldən hazırlanan örtüklər yüksək vibrasiyalı sənaye nasoslarında qat-qat ayrılmayı 30% azaldır.
Dizaynerlər ring həndəsəsini optimallaşdırmaq üçün yerini dəyişmə-güc hasilini (d𝖾𝖾 Ã × g𝖾𝖾) məsələn, 0,5 mm divar qalınlığı olan 10 mm xarici diametrli halqa 100 V-da 12 µm yerdəyişmə yaradır, daha qalın divarlar isə (1,2 mm) 40 N bağlama qüvvəsinə üstünlük verir — bu kompromis 2021-ci ilin aerospace aktuatoru üzrə tədqiqatlarda təsdiqlənmişdir.
Piyezoelektrik cihazlarda istifadə olunan PZT keramik halqalar robotlaşdırılmış cərrahi alətlər üçün submikrometr səviyyəsinə qədər dəqiqlik təmin edir. Bu, həkimlərin ənənəvi alətlərin işi ilə çətinlik çəkdiyi bədən daxilindəki dar yerlərə yönəlməsinə imkan verir. 2023-cü ildə Cons Hopkins Universitetinin apardığı tədqiqatda laparoskopik əməliyyatlarda piyeelektrik aktuatorların köhnə elektromaqnit sistemləri ilə müqayisəsi zamanı mövqe xətalarında təxminən 47 faiz azalma müşahidə edilib. Bu texnologiyanın fərqlənən xüsusiyyəti isə iki millisaniyədən az reaksiya sürətidir ki, bu da cərrahların zərif əməliyyatlarda dərhal geri əlaqə almağı təmin edir. Belə yüksək cavabdehlik mürəkkəb əməliyyatlarda böyük fərq yarada bilər.
PZT keramik halqalar 15 MHz-dən yuxarı yüksək tezlikli ultrasəs çeviricilərinin əsasını təşkil edir və yumşaq toxumalardan və qan axını nümunələrindən ətraflı şəkillər əldə etməyə imkan verir. Elektrik enerjisinin 92–96%-ni mexaniki vibrasiyaya çevirmə qabiliyyəti konvensional piezoelektrik polimerləri üstələyir və bu da dölün daha aydın görüntülənməsini və şiş sərhədlərinin aşkarlanmasını təmin edir.
Tədqiqatçılar, dozaj dəqiqliyi 0,1 µL olan dərmanların yeridilməsi üçün PZT halqalardan istifadə edən implantasiya olunan mikro nasoslar hazırlayıblar. 2024-cü ildə Materials Today jurnalında dərc olunmuş tədqiqat solenoid əsaslı sistemlərlə müqayisədə təchizat ardıcıllığında 82% yaxşılaşma olduğunu göstərmişdir ki, bu da insulinə asılı diabet və ximiya terapiyası müalicələri üçün xüsusi ilə vacibdir.
Sərtləşdirilmiş sürətləndirilmiş yaşam testi (120°C temperaturda 1 milyon sikl) PZT halqaların ürək ritmi stimulyatorlarında və neyrostimulyatorlarda yüklərin sıxlığının 99%-dən çox saxlanıldığını təsdiqləyir. "JAMA"da JAMA (2023) il tarixli məlumata görə, pizoelektrik qidalandırılan implantlar üçün 5 illik sağ qalma dərəcəsi 99,6% təşkil edir ki, bu da FDA-nın etibarlılıq tələblərini 34% artırır.
Pizo PZT keramik halqaların istifadəsi müasir yanacaq infiltrası sistemlərində qapağın açılması zamanının son dərəcə dəqiq idarə edilməsini təmin edir və reaksiya sürəti 0,1 millisaniyədən aşağıdır. Keçən il "Automotive Engineering" jurnalında dərc olunmuş tədqiqata görə, bu qədər tez hərəkət yanacağın yandırılması səmərəliliyini 12%-dən 22%-ə qədər artırır və eyni zamanda zərərli hissəcik emissiyasını azaldır. Ənənəvi solenoid klapanlar pizoelektrik aktuatorların gördüyü işi yerinə yetirə bilmir. Bu cihazlar temperatur təxminən 150 dərəcə Selsi dəyişərkən belə düzgün şəkildə işləyir ki, bu da onları yüksək təzyiqli dizel mühərriklərinin və yeni inkişaf edən hidrogen energetika stansiyalarının çətin şəraitinə ideal uyğunlaşdırır.
PZT keramik halqalar lazer kəsilmə və yarımkeçirici litografiya sistemlərində dəqiqliyi pozan mikron səviyyəli titrəmələri aktiv şəkildə nəzərdən keçirməklə mühüm rol oynayırlar. Keçən il dərc olunmuş tədqiqata görə, bu piezoelektrik söndürmə modulları optik toplanmalara daxil edildikdə, işləmə zamanı mexaniki təzyiqlərə məruz qalınarkən belə, mövqe xətalarını təxminən 40% azaldır. Onları bu qədər effektiv edən nədir? 100 dərəcə Selsidə 0,02%-dən az olan çox aşağı istilik genişlənmə sürəti onların ən vacib yerlərdə sabitliyini saxlamasını təmin edir. Bu xassə MRI maşınları və kosmos teleskoplarında rast gəlinən zərif ayna sistemləri kimi yüksək dəqiqlikli görüntüləmə avadanlıqları üçün xüsusilə qiymətlidir, burada ölçülərdəki kiçik dəyişikliklər nəticələri pozabilər.
Piyezoelektrik aktüatorlarla işlənən mikropozisiya platformaları CNC maşınlarında və ya plastinkalara baxış robotlarında istifadə olunduqda təxminən 5 nanometrlik dəqiqliyə çata bilir. Avtomobil istehsalçıları yataqların montajı zamanı cihazların təxminən 250 Nyuton qüvvə təmin etməsi və 0,1 mikrometr dəqiqlik göstərməsi səbəbindən istehsal xətlərinə PZT halqa yığınlarını daxil etməyə başlayıblar. Maraqlıdır ki, bu metod hidravlik üsullarla müqayisədə vaxtın təxminən qırx faiz qədər azalmasına imkan verir. Həm yüksək güc çıxışı, həm də fövqəladə pozisiya dəqiqliyi təmin etdikləri üçün piyeelektrik sistemlər müasir yanacaq inyektorları və bu gün bir çox elektron cihazlarda rast gəlinən miniatür MEMS sensorları kimi kiçik detalların istehsalında vacib alətlərə çevrilir.
PZT materialları adətən ənənəvi piezokeramiklərin istehsalçıya dəyəcəyi qiymətin üçdən beş dəfəsinə başa gəlir. Lakin onların parlaq tərəfi budur: eyni PZT komponentləri cihazın bütün ömrü boyu ümumi enerji istehlakını təxminən 30% azaldan, təxminən 95% elektromexaniki çevirmə səmərəliliyinə malikdir. İstehsalçılar dizaynlarda yaradıcı olub unimorf halqa strukturları həyata keçirdikdə, lazım olan yerdəyişmə səviyyəsini saxlayaraq xammal tələbatını təxminən 15% azalda bilirlər. Məsələn, sənaye klapanlarında bu cür optimallaşdırma istehsal iqtisadiyyatında real fərq yaradır. Rəqəmlər da həqiqəti olduqca aydın göstərir – 2024-cü ilin Dəqiqlikli İstehsalat Hesabatına görə, böyük miqyaslı istehsal apararkən irəli səviyyə materiallara və ağıllı dizayn yanaşmalarına keçən şirkətlər bir vahid başına düşən xərclərdə təxminən 18% azalma müşahidə edirlər.
Son zamanlar daha kiçik tibbi implantlar və əl diaqnostika alətləri istiqamətində böyük bir təkan var ki, bu da MEMS texnologiyasında bəzi maraqlı inkişaflara səbəb olub. Plastin səviyyəsində yeni birləşmə üsulları istehsalçıların Piezo PZT keramik halqalarını diabet müalicə sistemlərində istifadə olunan kiçik nasoslar üçün lazım olan 0,1% deformasiya çıxışını itirmədən yalnız bir neçə dəfə millimetrdən az ölçülərə qədər kiçiltməyə imkan verir. Piezoelektrik aktüator bazarına həsr olunmuş 2024-cü il hesabatına görə, keçən il satılan endoskopik alətlərin təxminən 41%-i bu cür MEMS-ə uyğun PZT komponentlərə malik idi. Bu rəqəm sahənin hara doğru getdiyi barədə, xüsusilə də həkimlərin az invaziv cərrahi yanaşmalara üstünlük verməyə davam etdikləri şəraitdə, vacib məlumat verir.
AB RoHS 2027 qaydaları istehsalçıları qurğuşun zirkonat titanat materiallarının istifadəsini dayandırmağa sövq edir, bu da natrium vismut titanat və ya qısaca NBT kimi alternativlərə marağı artırıb. Bu yeni materialların d33 əmsalları ənənəvi PZT-5H-in təxminən 600 pm/V-ə qarşı təxminən 320 pm/V təşkil edir, lakin tədqiqatçılar hələ də daha yaxşı variantlar axtarır. İnsulin təchizat sistemlərində istifadə olunan qurğuşunsuz piezoelektrik PZT keramik halqalar üzərində aparılan son sahə testləri bədən temperaturunda (37 dərəcə Selsi) sınanarkən təxminən 94% enerji çevirmə səmərəliliyi əldə edilməsi ilə ümidverici nəticələr göstərdi. Cihazlar biouyğunluq üçün FDA tələblərini yerinə yetirdi və əhəmiyyətli şəkildə əvvəllər bu tibbi komponentlərdə mövcud olan ağır metallarla bağlı riski aradan qaldırdı.
Dördüncü nəsil PZT halqaları indi temperatur şəraitindən asılı olaraq depolyarlaşmanı telafi edən adaptiv gərginlik tənzimləməsi vasitəsilə proqnozlaşdırıcı tədbirlər alqoritmlərinə real vaxtda məlumat göndərən yerləşdirilmiş deformasiya sensorlarını özündə birləşdirir. Bu İOT inteqrasiyası avtomatlaşdırılmış montaj xətlərində qüsurların baş vermə ehtimalını 63% azaldır (Piezosystem Jena, 2023).
Strateji tətbiq dörd amil arasında balans tələb edir:
| Parametr | Tibbi prioritet | Sənaye prioriteti |
|---|---|---|
| Dövrlərin ömrü | >10¹ Əməliyyat | >5–10• Əməliyyat |
| Temperatur aralığı | 25–40°C | -40–150°C |
| Qurğuşun Azad | Məcburi | Tərcih edilir |
| Xərc Toleransı | Yüksək (₪120/vahid) | Orta (₪40/vahid) |
ASTM Komitəsi F04.12 tərəfindən aparılan sənaye arası standartlaşdırma təşəbbüsləri 2025-ci ilin II rübünə qədər <3% histerezi PZT tərkiblərinin hazırlanmasını nəzərdə tutur ki, bu da implantlar və robototexnika sahəsində modul dizaynların yaradılmasına imkan verir.
PZT keramik halqalar təmizləmə avadanlıqları üçün ultrasəs çeviricilərindən başlayaraq mövqe təyin etmə sistemləri, yanacaq püskürmə sistemləri və cərrahi alətlər kimi tibbi cihazlarda hətta təsvir problarında daxil olmaqla müxtəlif tətbiq sahələrində istifadə olunur.
PZT materialları yüksək d33 əmsalına, optimal polimer prosesinə, mikrostruktur dizaynına və tərkibinin idarə edilməsinə görə daha səmərəlidir və bu, gözəl elektromexaniki çevirmə səmərəliliyinə gətirib çıxarır.
PZT materialları dəqiq hərəkət idarəetməsi, yaxşılaşdırılmış görüntüləmə imkanları və etibarlı dərman təchizat sistemləri təmin edir. Bu, zərif prosedurlar üçün vacib olan ənənəvi üsullara nisbətən daha yüksək yerləşdirmə dəqiqliyi təklif edir.
PZT materiallarının ilkin dəyəri daha yüksək olsa da, onların daha yüksək səmərəliliyi, azaldılmış enerji istehlakı və qurğuşunun olmaması potensialı uzun müddətdə sənaye tətbiqləri üçün daha davamlı seçimlər təqdim edir.
PZT keramik texnologiyasının gələcək tendensiyalarına miniatürləşdirmə, MEMS texnologiyası ilə inteqrasiya, qurğuşunsuz materialların inkişafı və ağıllı istehsal üçün IoT ilə təchiz edilmiş aktuator şəbəkələri ilə təkmilləşdirmə daxildir.
EN
