Харимхай байдлын эффект гэж нэрлэгддэг зүйлийн тусламжтайгаар цахилгааныг маш жижиг хөдөлгөөн болгон хувиргадаг эсвэл эсрэгээр нь хувиргадаг онцгой бүрэлдэхүүн хэсгүүд бол Пиезо PZT чийдэнгүүд юм. Эдгээр керамик чийдэнгүүдийг перовскит гэж нэрлэгддэг тодорхой талст бүтэцтэй материалуудаас үйлдвэрлэдэг. Хүчдэл өгөх үед тэд нано түвшинд маш бага шилжилтийг үүсгэдэг. Энэ шинж чанараас болоод нарийн нарийвчлал шаардлагатай хэрэглээнүүдэд маш сайн ажилладаг, жишээ нь цэвэрлэх тоног төхөөрөмжинд ашигладаг дууны долгион хувиргуур эсвэл маш өндөр нарийн нарийвчлал шаарддаг байршилтын систем.
PZT материалууд нь механик энергиийг цахилгааны импульс болон урвуугаар хувиргах үнэхээр сонирхолтой чанартай. Эдгээр талстад даралт эсвэл хүч үйлчлүүлбэл, шууд пьезоэффект гэж нэрлэдэг цахилгаан үүсгэдэг. Харин эсрэгээр нь хүчдэл өгвөл талстууд бүтцээ өөрчилдөг нь урвуу эффект юм. Энэ хоёр чиглэлтэй харилцаа нь PZT цагиргуудыг мэдрэгч болон ажиллагаа үүсгэгчийн хоёуланд нь маш олон талын ашигтай байдаг болгодог. 2024 онд хэвлэгдсэн судалгааны сүүлийн үеийн олдворуудад анхаарлаа хандуулавал, PZT нь вольтанд ноёрхсон деформацийг хэмжих d33 коеффициентоор илүүтэй ялгардаг. Тоогоор хэлбэл ойролцоогоор вольтанд 650 пикометр бөгөөд энэ нь кварцын шиг натурал орлох хэрэгслүүдтэй харьцуулахад асар их давуу талтай.
PZT-ийн үр ашгийг үйлдвэрлэл, эмнэлгийн системд дээшлүүлэх гурван хүчин зүйл:
Эдгээр шинэчлэлтүүд нь микрон хэмжээнээс доош нарийвчлал шаардсан хэрэглээнд PZT керамикийн цагиргуудыг өөр пьезокерамикаас 30%-иар илүү мэдрэг болгодог.
PZT керамик цагирагууд хичнээн ч гэсэн пьезо цахилгааны үзүүлэлтэнд төвөгтэй байдаг вэ? Тэдний онцгой кристаллын бүтэц бол түлхүүр юм. Эдгээр цагирагууд шаар, лантан зэрэг янз бүрийн нэмэлттэй цахилгаан багажны цирконат титанат (PZT)-ийг хослуулж, хүсч буй шинж чанарыг олж авдаг. Жижигхэн бөөмсийн хэмжээ 2 микрон доор буух үед гистерезийн асуудал ихэд багасдаг бөгөөд Ньютоноор 600 пК-аас дээш хүрч болох d33 коэффициентийн гайхалтай утгыг алдахгүйгээр хадгалдаг. 2023 оны саяхны судалгаа нэгэн сонирхолтой зүйлийг харуулсан. Мөнгөн цахилгаан дамжуулагчид ердийнхнээс ойролцоогоор 40 хувиар илүү дамжуулах чадвартай байдаг бөгөөд ачаалал өгсөн ч хэмжээний тогтвортой байдлыг хадгалдаг. Орчин үеийн үйлдвэрлэлийн аргачлал нь нүхсийн түвшинг 0.5%-иас бага байлгах зэрэгт маш сайн эзэмшсэн. Эмнэлгийн хэрэглээнд энэ нь маш чухал учраас суулгац имплантациуд задрахгүйгээр стерилизацийн процессыг тэсвэрлэх шаардлагатай.
Цахилгаан туйлшруулах процесс нь хяналттай ТТ-ийн орноор (6–8 кВ/мм) ферроэлектрик бүсийн 85–90%-ийг эгнүүлдэг. Зөв чиглэлтэй бүсүүдийн нөлөөгөөр цахилгаан-механик холбоосын илтгэгчид (kᵪ > 0.65) сайжирдаг бөгөөд 2022 оны судалгаанд зөв туйлшруулсан цагираг нь туйлшруулаагүй хариалцангийхаас 15% илүү хурдан хариу үзүүлсэн байна.
PZT цагирууд -40°C-аас 150°C хүртэлх температур дахин ажиллах чадвартай бөгөөд Кюрийн температур 350°C-аас дээш байх нь пьезоэлектрикийн тогтвортой байдлыг хангана. 2024 оны материал судлалын шинжилгээний дагуу никель хайлшийн гадна хальс нержавейка шигээс 30% илүү ихээр термокийн томрох зөрүүг багасган, өндөр хэвийн вибрацтай үйлдвэрийн насосуудад давхарга хуваагдахаас сэргийлдэг.
Загварчлагчид цагирагийн геометрийг шилжилт-хүчний үржвэр (d𝖾𝖾 Ã × g𝖾𝖾) жишээ нь, 0.5 мм-ийн ханын зузаан бүхий 10 мм гадаргын диаметртэй цагирган 100 В-д 12 мкм шилжилт үүсгэх бол, илүү зузаан ханатай (1.2 мм) нь 40 Н-ийн хүчийг ноёрхон авч, энэ талаар 2021 оны агаарын анги дэх актюаторын тохиолдолд судалгаа хийгдсэн.
Пьезоэлектрик төхөөрөмжид ашигладаг PZT керамик цагиргууд нь роботын хагалгааны багажны хувьд дэд микрометрийн нарийвчлалыг санал болгодог. Энэ нь эмч нард хуучин багажаар ажиллахад хэцүү байдаг биеийн нарийн зайг шахалттайгаар удирдах боломжийг олгоно. 2023 онд Жонс Хопкинсын их сургуурийн хийсэн судалгаанд илрүүлсэнээр лапароскопийн хагалгааны үед хуучин цахилгаан соронзон системтэй харьцуулахад пьезоэлектрик актюаторыг ашигласнаар байрлалын алдаа ойролцоогоор 47 хувиар буурсан байна. Энэ технологийг ялгаж өгдөг гол зүйл бол хурдан урвал үзүүлэх чадвар нь 2 миллисекундын дотор хариу өгдөг тул мэс заслын үед мэс засал хийдэг эмчид шууд мэдээлэл өгдөг. Ийм түвшний хариу үйлдэл нь нарийн мэс заслын үед маш их ялгаатай байдаг.
PZT керамик цагиргууд нь өндөр давтамжит дууны долгион шилжүүлэгчийн (>15 MHz) голыг бүрдүүлж, эсийн эд болон цусны урсгалын загварын нарийвчлалтай зургийг гарган авахад ашигладаг. Цахилгаан энергиийг механик хэлбэлзэл болгон хувиргах чадвар нь 92–96% бөгөөд хэвийн пьезо цахилгаан полимерүүдийг давамгайлж, жирэмсний үеийн илүү тод зураглал болон хавдарын захын хязгаарыг илрүүлэх боломжийг олгодог.
Судлаачид PZT цагиргийг ашиглан 0.1 µL тунгийн нарийвчлалтай эм хэрэглэх имплантын микро шахтуудыг хөгжүүлсэн. 2024 онд Materials Today хийсэн судалгаанд соленоид суурин системүүдтэй харьцуулахад нийлүүлэлтийн тогтвортой байдлыг 82% сайжруулсан байна. Энэ нь инсулин хамааралтай чихрийн шижин болон хими эмчилгээний хувьд ялангуяа чухал юм.
Хатуу хурдасгасан амьдралын шалгалт (120°C температурт 1 сая цикл) PZT цагиргууд зүрхний пейсмекер болон мэдрэлийн стимулятор дахь цэнэгийн нягтыг >99% хадгалж чаддагийг баталсан. JAMA-д нийтлэгдсэн клиник туршилтууд JAMA (2023) онд пьезо цахилгаан эрчим хүчтэй зэрэгцээ тавих багажийн 5 жилийн амьдрах магадлал 99,6% гэж тайлагнаж, FDA-ийн найдвартай байдлын шаардлагыг 34%-иар давж гарсан.
Пьезо PZT керамик цагиргууд нь өнөөгийн шатахуун түлшний системд хяналтын хугацааг маш нарийвчлалтай удирдах боломжийг олгох бөгөөд 0.1 миллисекундээс бага хурдан үйлдэл хийдэг. Ийм хурдан үйлдэл нь үзүүрийн жилийн "Automotive Engineering" судалгаанд дурдсанаар шаталтын үр дүнтэй байдлыг 12-22 хувь хооронд сайжруулж, мөн хортой бөөмсийн ялгаралтыг бууруулдаг. Хуучин төрлийн соленоид хяналтууд пьезо цахилгаан хөдөлгүүрүүдийн хийж чаддаг зүйлсийг хийх чадваргүй. Эдгээр нь температур ойролцоогоор 150 градус Цельсийн хэм хүртэл тэсвэртэй ажилладаг тул өндөр даралттай дизель хөдөлгүүр ба шинээр гарч ирж буй устөрөгчийн цахилгаан станцуудад тохиромжтой байдаг.
PZT керамик цагиргууд нь лазерын хайчлалт ба хагас дамжуулагчийн литографийн системд нарийн микрон түвшний бага хэлбэлзлийг идэвхтэйгээр эсэргүүцдэг тул чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. Өнгөрсөн жил гаргасан судалгаагаар хэлэхэд, эдгээр пьезо цахилгаан шингэлтийн модулиудыг оптик бүрдэлд нэмж оруулахад ажиллагааны явцад механик сунгалтанд орсон ч байршилтын алдааг ойролцоогоор 40%-иар бууруулдаг. Тэдгээрийг яагаад ийм үр дүнтэй болгодог вэ? 100 хэм хүртэлх температурт тэдгээрийн маш бага дулааны томсрох хурд 0.02%-аас бага байдаг тул хамгийн чухал үед тэдгээр нь тогтвортой байдлыг хадгалж чаддаг. Энэ шинж чанар нь MRI машинууд болон огторгуйн телескопуудад байх мэдрэг тольны систем шиг нарийвчлал сайт зураг авах тоног төхөөрөмжинд онцгой ач холбогдолтой юм. Учир нь жижиг хэмжээний өөрчлөлт ч үр дүнд нөлөөлж болзошгүй.
Пьезоэлектрик ажиллагаатай микробайршлын шатлалууд нь CNC машин эсвэл пластин шалгах роботтой ашиглах үедээ ойролцоогоор 5 нанометр хүртэлх нарийвчлалд хүрч чаддаг. Эдгээр төхөөрөмжүүд нь лагерийн бүрдэлд 0.1 микрометр нарийвчлалтай ойролцоогоор 250 Ньютон хүчийг хүргэх чадвартай тул автомашин үйлдвэрлэгчид үйлдвэрлэлийн шугам дээр PZT цагираг хавтангуудыг нэмж эхэлсэн. Сонирхолтой нь энэ арга нь уламжлалт гидравлик арга замаас ойролцоогоор дөчин хувиар цаг хэмнэдэг. Өндөр хүчний гаралт болон онцгой нарийвчлалын байршилтыг зэрэг санал болгодог тул пьезоэлектрик системүүд нь орчин үеийн түлшний инжекторууд болон өдөр тутам электрон төхөөрөмжүүдэд тохиолддог жижиг MEMS датчикууд зэрэг жижиг деталийг үйлдвэрлэхэд шаардлагатай хэрэгсэл болон хувьсаж байна.
PZT материалы нь ихэвчлэн стандарт цахилгаан-механик керамик материалаас 3-5 дахин илүү өртөгтэй байдаг. Гэсэн хэдий ч PZT материалын давуу тал бол эдгээр компонентуудын цахилгаан-механикийн хувиргалтын үр дүнтэй ажиллах чадвар нь ойролцоогоор 95% байдаг ба энэ нь багажны нийт амьдралын мөчид энергийн хэрэглээг ойролцоогоор 30% бууруулдаг. Үйлдвэрлэгчид дизайндаа идэвхтэй шинэчлэлт оруулах, жишээ нь unimorph тойргийн бүтцийг хэрэглэх замаар анхдагч материал хэрэглэх хэмжээг 15% хүртэл бууруулах боломжтой байдаг, ингэсэн ч шаардлагатай зөрүүг хадгалж чаддаг. Жишээ нь үйлдвэрийн хяналтын крануудад ийм төрлийн тохируулгууд нь үйлдвэрлэлийн эдийн засагт тодорхой ялгааг гаргадаг. Тоо мэдээлэл ч ийм дүгнэлтийг тодорхойлж байна: 2024 оны Нарийн Үйлдвэрлэлийн Тайлангийн мэдээгээр, томоохон хэмжээний үйлдвэрлэл явуулдаг компаниуд дэвшилтэт материал болон ухаалгаар дизайн хийх арга руу шилжихдээ нэгжийн өртгийг ойролцоогоор 18% бууруулдаг байна.
Сүүлийн үед эмнэлгийн жижигхэн багаж хэрэгсэл, гар дээр ашигладаг оношлогооны төхөөрөмжүүдийг багасгах зорилгоор MEMS технологийн салбарт анхаарал ихээр хандуулж байна. Давхаргын түвшинд шинэ наалтын аргууд нь Пьезо PZT керамик цагиргийг диабетийн системд ашиглагддаг жижигхэн насоснуудад шаардагдах 0.1% суналтын хэмжээг алдалгүйгээр миллиметрийн хэсгийн хэсэгт хүртэл багасгах боломжийг өгч байна. Пьезоэлектрик актюаторын зах зээлийн талаарх 2024 оны тайлангийн мэдээллээр өнгөрсөн жил борлуулсан колоноскопийн багажны 41% нь MEMS-тэй нийцтэй PZT элемент агуулж байсан. Энэ тоо нь эмч нар бага эвгүй мэс заслын арга барилыг илүүд үзэж байгаа тул энэ салбар хаашаа чиглэж байгааг илтгэж байна.
Европын холбооны RoHS 2027 жилийн дүрэм журмын шалтгаанаар харимхай цахилгаан чанартай цахиур-цирконат-титанат агуулсан материалыг үйлдвэрлэлээс хассан тул натри бисмут титанат эсвэл товчоор NBT гэх шинэ сонголтуудад ихээр анхаарч эхэлсэн. Эдгээр шинэ материалын d33 коэффициент нь уламжлалт PZT-5H-ийн ойролцоогоор 600 pm/V-ийн харьцаагаар харьцуулахад ойролцоогоор 320 pm/V байдаг боловч судлаачид илүү тохиромжтой материалыг хайсаар л байна. Сүүлийн үеийн инсулин хүргэлтийн системд хэрэглэсэн харимхай цахилгаан чанартай харимхай PZT керамик цагиргуудын талбайн шалгалтаас гарсан үр дүн итгэл өгүүлэх байдалтай байв. Биеийн температур (37 хэм Целси) дээр шалгахад энергийн хувиргалтын үр дүнтэй ажилласан. Төхөөрөмжүүд биологийн нийцэлтэй байх FDA-ийн шаардлагыг хангасан бөгөөд илүү чухал нь эдгээр анхдагч медицин хэрэгслүүдэд өмнө нь байсан хортой металлын эрсдэлийг бүрмөсөн арилгасан.
Дөрөвдүгээр үеийн PZT цагиргууд нь бодит цагт үйл ажиллагааны өгөгдлийг урьдчилан таамаглаж засвар үйлчилгээний алгоритмд дамжуулдаг оруулсан деформацийн сенсоруудыг агуулдаг. Энэхүү IoT-ийн интеграци температураас үүдэлтэй деполяризацийг тохируулах зориулалттай хувьсах хүчдэлийн дагалдах өөрчлөлтөөр автомжуулсан угсрах шугамуудын гэмтлийн түвшинг 63%-иар бууруулдаг (Piezosystem Jena 2023).
Стратегийн хэрэглээ нь дараах дөрвөн хүчин зүйлсийг тэнцвэржүүлэх шаардлагатай:
| Параметр | Эрүүл мэндийн приоритет | Үйлдвэрлэлийн приоритет |
|---|---|---|
| Циклийн амьдралын хугацаа | >10¹ Үйлдэл | >5–10• Үйлдэл |
| Температурын завсар | 25–40°C | -40–150°C |
| Харгүй | Заавал | Эрсдэлтэй |
| Зардлын тэсвэртэй байдал | Өндөр (₪120/нэгж) | Дунд зэрэг (₪40/нэгж) |
ASTM Комитет F04.12-ийн удирдлагаар явуулж буй олон салбарын стандартчилалын ажил 2025 оны II улиралд хүртэл <3% гистерезис бүхий PZT найрлагыг гаргаж авах зорилготой бөгөөд имплант, робот техник гэх мэт салбарт модуль хэлбэрээр зохион байгуулах боломжийг олгоно.
PZT керамик цагиргуудыг угаах төхөөрөмжийн ультра авиан шингэлт, байршилтын систем, түлшний шахуурга, мэс заслын хэрэгсэл, дүрс олгох сенсор гэх мэт анхдагчаас өргөн хэрэглээнд ашигладаг.
PZT материалын өндөр d33 коэффициент, тохиромжтой полюст чиглүүлэх процесс, микроструктурын загварчлал, найрлага дахь нарийвчлалын удирдлага нь цахилгаан-механик хувиргалтын өндөр үр дүнтэй байдлыг хангана.
PZT материалууд нь нарийвчлалтай хөдөлгөөний удирдлага, сайжруулсан зураг авах чадавх, найдвартай эмийн нийлүүлэлтийн системийг хангана. Эдгээр нь мэс заслын тоног төхөөрөмжид чухал ач холбогдолтой байдаг ба уламжлалт арга замаас илүү нарийвчлалтай байршуулалтыг бий болгодог.
PZT материалууд анхдагчаар өндөр өртөгтэй ч гэсэн илүү өндөр үр дүнтэй, энерги хэмнэсэн, харимхайн харилцааны хувилбаруудыг бий болгох боломжоор хангаснаар хугацаа үргэлжилж байгаа үедээ үйлдвэрлэлийн хэрэглээнд илүү тэгш хандлагат сонголт болдог.
PZT керамик технологийн ирээдүйн чиг хандлага нь жижиг хэмжээ болгох, MEMS технологитой интеграци, харимхайн харилцаагүй материалын хөгжил болон оюунлаг үйлдвэрлэлд зориулсан IoT-тэй холбогдох шатгуур сүлжээнүүдийг сайжруулахыг багтаана.
EN
