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High sensitivity novel piezoceramics for advanced applications - textured, thick films and multilayer structures

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Nuove composizioni piezoelettriche per l'elettronica avanzata

Nel quadro del progetto PIRAMID, sono state sviluppate nuove composizioni piezoelettriche (PZT) con eccezionali proprietà che contribuiranno alla prossima generazione di dispositivi.

Energia

I tradizionali materiali PZT sono risultati insufficienti a coprire le necessità delle moderne applicazioni d'attuatore. Tali dispositivi hanno elevati requisiti di coefficienti piezoelettrici ed elettromeccanici d'accoppiamento, oltre che di costante dielettrica. Per rispondere a questa necessità, il progetto PIRAMID ha studiato a lungo una varietà di soluzioni solide relaxor-ferroelettriche e si è concentrato sul miglioramento delle loro proprietà. Adottando nuove tecniche di trattamento delle polveri, i ricercatori hanno usato nuove tecniche per la preparazione di ceramiche testurizzate. Uno dei risultati chiave del progetto sono state le innovative composizioni piezoelettriche, ossia il sistema Pb [(Ni_1/3 Nb_2/3)_x Zr_y Ti_1-x-y ]O_3 basato su relaxor o PNNZT. Questo nuovo sistema possiede elevati permittività ed accoppiamento, mentre le perdite dielettriche e meccaniche sono ridotte grazie al drogaggio. PNNZT è ideale per le applicazioni in cui è necessaria una esclusiva combinazione di proprietà piezoelettriche soft e hard. La sue elevata permittività pertanto conviene per l'adattamento dell'impedenza dielettrica, e la sua elevata sensibilità per una buona efficienza o rapporto segnale/rumore. Inoltre le sue ridotte perdite dielettriche e meccaniche fanno di questo materiale il candidato ideale per le applicazioni di funzionamento ad alta potenza. I campi chiave d'applicazione dei materiali PNNZT includono gli ultrasuoni concentrati ad alta intensità, l'acustica subacquea e la diagnosi medicale. Il nuovo materiale è già stato messo in commercio con il numero di tipo Pz54. Il progetto PIRAMID ha anche esaminato le possibilità di sviluppare materiali a basso contenuto di piombo ed esenti da piombo. Questo è stato ottenuto sostituendo al piombo il bismuto, che è meno tossico, creando così composizioni più ecocompatibili delle tradizionali PZT. In questo modo il nuovo sistema della forma generale del BiMe-PT è una soluzione solida tra BiMeO3 e PbTiO3. Le composizioni BiMe-PT sono state sviluppate in modo tale da tenere al minimo il costo dei precursori, allo scopo di produrre composizioni di prezzo contenuto. Queste mostrano proprietà veramente interessanti, come elevati coefficienti piezoelettrici, libera costante dielettrica relativa e fattore d'accoppiamento di spessore. Una delle composizioni BiMe-PT presenta un punto di Curie molto alto, che è limitato dalla temperatura di funzionamento, cosa che rappresenta un fattore limitante per il suo ulteriore sfruttamento. Tuttavia si ritiene che il lavoro con droganti svolto in futuro permetterà di ovviare a questo inconveniente, dando luogo ad un nuovo materiale che verrà a colmare il vuoto tra PZT e i composti Aurivillius (ossidi di strato di bismuto).

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