Druhy piezoelektrických materiálov - vlastnosti a charakteristiky

Vyskúšajte Náš Nástroj Na Odstránenie Problémov





S ich úžasnou charakteristikou vyrábať elektrinu z nevyužitých vibrácií zariadení, piezoelektrické materiály sa objavujú ako revolučné zberače energie. Vďaka výskumu uskutočnenému na týchto materiáloch je dnes na výber široká škála piezoelektrických materiálov. Tieto materiály charakterizujú rôzne technické parametre. Ako si však zvoliť materiál pre našu požiadavku? Čo hľadať Čo sú druhy piezoelektrický materiály? V tomto článku sa zaoberáme rôznymi typmi piezoelektrických materiálov spolu s ich vlastnosťami. Tento článok popisuje päť základných vlastností, ktoré je potrebné hľadať pri výbere piezoelektrického materiálu pre výrobok.

Druhy piezoelektrických materiálov

Medzi rôzne typy piezoelektrických materiálov patria nasledujúce.




Druhy piezoelektrických materiálov

Druhy piezoelektrických materiálov

1). Prirodzené existujúce

Tieto kryštály sú anizotropné dielektriká s necentrosymetrickou kryštálovou mriežkou. Do tejto kategórie spadajú krištáľové materiály ako kremeň, rochelská soľ, topaz, minerály skupiny turmalínov a niektoré organické látky ako hodváb, drevo, smalt, kosti, vlasy, guma, dentín.



2). Umelé syntetické materiály

Materiály s feroelektrické vlastnosti sa používajú na prípravu piezoelektrických materiálov. Umelé materiály sú rozdelené do piatich hlavných kategórií - Analógy kremeňa, keramika, polyméry, kompozity a tenké fólie .

  • Polyméry : Polyvinylidéndifluorid, PVDF alebo PVF2.
  • Kompozity : Piezokompozity sú aktualizáciou piezopolyméry . Môžu byť dvoch typov:
    Piezo polymér, v ktorom je piezoelektrický materiál ponorený do elektricky pasívna matica .
    Piezo kompozity, ktoré sú vyrobené pomocou dvoch rôznych príkladov keramiky Vlákna BaTiO3 vystuženie a Matica PZT .
  • Umelá piezoelektrika s kryštálovou štruktúrou ako perovskit : Titaničnan bárnatý, titaničitan olovnatý, titaničitan zirkoničitý olovnatý (PZT), niobát draselný, niobát lítny, lítium tantalát a ďalšie bezolovnaté piezoelektrická keramika.

Vlastnosti rôznych piezoelektrických materiálov

Vlastnosti rôznych piezoelektrických materiálov zahŕňajú nasledujúce.

Kremeň


  • Kremeň je najpopulárnejší monokryštálový piezoelektrický materiál. Monokryštálové materiály vykazujú rôzne vlastnosti materiálu v závislosti od rezu a smeru šírenia objemových vĺn. Kremeň oscilátor prevádzkované v režime strihu hrúbky rezu AT sa používajú v počítačoch, televízoroch a videorekordéroch.
  • V S.A.W. používajú sa zariadenia ST-cut quartz s X-šírením. Kremeň má extrémne vysoký faktor mechanickej kvality Sqm> 105.

Niobát lítny a tantalát lítny

  • Tieto materiály sú zložené z kyslíkového oktaédru.
  • Curiesova teplota týchto materiálov je 1210 a 6600c resp.
  • Tieto materiály majú vysoký elektromechanický väzbový koeficient pre povrchovú akustickú vlnu.

Titaničnan bárnatý

  • Tieto materiály s dopujúce látky ióny ako Pb alebo Ca môžu stabilizovať tetragonálna fáza v širšom teplotnom rozmedzí.
  • Tieto sa pôvodne používajú na Langevin - piezoelektrické vibrátory typu.

Pon

  • Doping PZT s donorovými iónmi, ako je Nb5 + alebo Tr5 +, poskytuje mäkké PZT ako PZT-5.
  • Doping PZT s akceptorovými iónmi ako Fe3 + alebo Sc3 + poskytuje tvrdé PZT ako PZT-8.

Olovičitan titaničitý

  • Môžu vytvárať jasné ultrazvukové zobrazovanie kvôli extrémne nízkej rovinnej väzbe.
  • Nedávno pre ultrazvuk meniče a vyvíjajú sa elektromechanické akčné členy monokryštálová relaxorová feroelektrika s morfotropnou fázovou hranicou (MPB).

Piezoelektrické polyméry

Piezoelektrické polyméry majú určité spoločné vlastnosti ako

  • Malá piezoelektrická konštanta d, ktorá z nich robí dobrú voľbu pre aktuátor.
  • Veľká konštanta g, ktorá z nich robí dobrú voľbu ako senzory .
  • Tieto materiály majú dobrú akustickú impedanciu prispôsobenú vode alebo ľudskému telu kvôli nízkej hmotnosti a mäkkej pružnosti.
  • Široká rezonančná šírka pásma kvôli nízkemu QM.
  • Tieto materiály sú vysoko vybrané smerové mikrofóny a ultrazvukové hydrofóny.

Piezoelektrické kompozity

  • Piezoelektrické kompozity vyrobené z piezoelektrickej keramickej a polymérnej fázy tvoria vynikajúce piezoelektrické materiály
  • Vysoký väzbový faktor, nízka akustická impedancia , charakterizuje tieto materiály mechanická pružnosť.
  • Tieto materiály sa používajú najmä pre podvodné sonary a lekárske diagnostické ultrazvukové sondy.

Tenké filmy

Pre zariadenia na hromadnú akustiku a povrchovú akustickú vlnu tenké filmy ZnO sú často používané kvôli veľkej piezoelektrickej väzbe.

Ktorý je najlepší piezoelektrický materiál?

Piezoelektrické materiály sa vyberajú na základe požiadaviek našich aplikácií. Materiál, ktorý by ľahko splnil naše požiadavky, možno považovať za najlepší. Pri výbere piezoelektrických materiálov je potrebné vziať do úvahy niekoľko faktorov.

Päť dôležitých výhod piezoelektriky je

1. Elektromechanický väzbový faktor k

k2 = (skladovaná mechanická energia / vstupná elektrická energia) alebo
k2 = (skladovaná elektrická energia / vstupná mechanická energia)

2. Piezoelektrická deformačná konštanta d

Opisuje vzťah veľkosti indukovaného napätia x k elektrickému poľu JE ako x = d.E.

3. Piezoelektrická napäťová konštanta g

g definuje vzťah medzi vonkajším napätím X a indukovaným elektrickým poľom E ako E = g.X.
Pomocou vzťahu P = d.X. môžeme konštatovať g = d / ε0 .ε. kde ε = permitivita.

4. Mechanický faktor kvality QM

Tento parameter charakterizuje ostrosť elektromechanický rezonančný systém.

QM = ω0 / 2 ω.

5. Akustická impedancia Z

Tento parameter hodnotí prenos akustickej energie medzi dvoma materiálmi. Toto je definované ako

Z2 = (rýchlosť tlaku / objemu).

V pevných materiáloch Z = √ρ.√ϲ kde ρ je hustota a ϲ je elastická tuhosť materiálu.

Tabuľka piezoelektrických charakteristík

Charakteristiky

Symbol

JEDNOTKA

BaTiO3

Pon

PVDF

Hustota

-

103kg / m3

5.7

7.5

1,78

Relatívna permitivita

0

-17001200

12

Piezoelektrický

d31

10-12C / N

78

110

2. 3

Neustále

g3110-3Vm / N510

216

Konštanta napätia

k31pri 1kHzdvadsaťjeden30

12

  • Polyméry majú v porovnaní s keramikou nízku piezoelektrickú konštantu.
  • Zmena tvaru keramických materiálov je väčšia ako zmena materiálov na báze polymérov, keď sa použije rovnaké množstvo napätia.
  • Piezoelektrický napäťový koeficient PVDF je lepší materiál pre aplikácie senzorov .
  • Vďaka väčšiemu elektromechanickému koeficientu väzby Pon sa používa v aplikáciách, kde je potrebné prevádzať mechanické namáhanie na elektrickú energiu.
  • Pri výbere je potrebné vziať do úvahy tri parametre piezoelektrické materiály pre aplikácie pracujúce s mechanickou rezonanciou sú faktor mechanickej kvality , elektromechanický väzbový faktor a dielektrická konštanta . Vyššia veľkosť týchto parametrov je najlepšie pre aplikáciu.
  • Materiály s veľkými piezoelektrický deformačný koeficient , veľký nehysteretické hladiny kmeňa sú najlepšie pre akčný člen .
  • Materiály s vysokou elektromechanický väzbový faktor a vysoká dielektrická permitivita sú najlepšie ako meniče .
  • Nízka dielektrická strata je dôležitý pre materiály používané v mimorezonančná frekvencia aplikácie zodpovedajúce za nízku tvorbu tepla.

Na základe týchto fyzických, materiálnych, elektromechanické vlastnosti môžeme ľahko rozlíšiť piezoelektrické materiály. Tieto vlastnosti nám pomáhajú zvoliť najlepší piezoelektrický materiál pre našu aplikáciu. Aký materiál ste použili pre svoju aplikáciu? Aké úpravy sú potrebné, aby existujúce materiály prekonali svoje obmedzenia?