معلمات المواد الكهرضغطية والمعادلات الكهرضغطية (4)

أربعة. تصنيف المواد الكهرضغطية
1. النوع الأول من المواد الكهرضغطية البلورية المفردة الكهرضغطية. هذه مادة متعلق بالعازل الكهرضغطي مفردة طبيعية أو اصطناعية ذات تباين الخواص. يعتمد تأثيرها الكهرضغطي على تكوين البنية البلورية الناتجة عن التغيرات في الموضع النسبي للأيونات الموجبة والسالبة على الشبكة. بلورات مفردة كهرضغطية شائعة الاستخدام. الكوارتز (SiO2): عبارة عن بلورة مكونة طبيعيًا أو مزروعة صناعيًا (بلورة من صنع الإنسان) ذات تجانس جيد ونقطة كوري عالية؛ مقاومة عالية وميكانيكية عالية Q (Qm)؛ صلابة عالية ومقاومة جيدة للتآكل. الأداء مستقر للغاية، والشيخوخة بطيئة للغاية والحد الأدنى، ويتغير أدائها مع درجة الحرارة صغيرة جدًا، ويمكن الحصول على معامل درجة حرارة التردد الخطي الذي لا يتغير مع مرور الوقت؛ الخسارة صغيرة، والتي يمكن استخدامها للترددات العالية للغاية؛ أداء العزل جيد، ويمكن استخدامه بشكل عالي تحت الجهد الكهربي؛ والذي يمكن استخدامه في بيئات درجات الحرارة المرتفعة والمنخفضة للغاية. بسبب خصائصه المتفوقة العديدة، لا يزال الكوارتز يستخدم على نطاق واسع اليوم، خاصة كمحول طاقة قياسي وكمذبذب زمني في أجهزة الكمبيوتر. ومن عيوبه أن كفاءة التحويل الكهروميكانيكية منخفضة، مما يجعل كسب حلقة النظام أقل.

نيوبات الليثيوم (LiNbO3): عبارة عن بلورة مفردة متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف مصطنعة ويبلغ قطرها 120 ملم. يمكن استخدام نيوبات الليثيوم لإثارة الموجات العرضية بالموجات فوق الصوتية مباشرة مع معامل اقتران كهروميكانيكي عالي وأداء كهروضغطي ممتاز. لها قيمة Qm كبيرة ونقطة كوري عالية. ويمكن استخدامه في درجات حرارة عالية، مع الاستقطاب المستقر وانتشار الموجات فوق الصوتية. الخسارة صغيرة وليست مائعة وثابت التردد كبير جدًا. يمكن استخدامه لصنع محولات الطاقة ذات التردد العالي للغاية. لذلك، تم استخدامه كمادة أساسية شائعة لمحولات طاقة الموجات الصوتية السطحية. عند استخدامه كمحول طاقة لموجة الحجم، يمكنه الحصول على حساسية أفضل من محولات الطاقة الخزفية الكهرضغطية الشائعة. كما أنها تستخدم لقياس سمك بالموجات فوق الصوتية، والقياس الضيق ومحول النبض. هذه أيضًا بلورة صناعية واحدة. يتميز بخصائص ميكانيكية جيدة، وسهل المعالجة، ويمكن إذابته في الماء ولكن ليس من السهل تمييعه، وله خصائص فيزيائية وكيميائية مستقرة نسبيًا، وله خصائص كهرضغطية ممتازة مادة PZT شريط كهرضغطية
. معامل الاقتران الكهروميكانيكي وثابت العزل الكهربائي المنخفض، وقيمة Qm منخفضة جدًا، وهي مناسبة لصنع محولات الطاقة ذات النطاق العريض عالية الحساسية وعالية الدقة وخطوط التأخير، مثل قياس سمك الموجات فوق الصوتية ومحولات الطاقة النبضية الضيقة. بالإضافة إلى ذلك، هناك كبريتات الليثيوم (Li2SO4) ذات أداء استقبال جيد.

3. النوع الثاني من السيراميك الكهرضغطي للمواد الكهرضغطية. هذه مادة كهروضوئية متعددة البلورات مصنوعة عن طريق الحرق اليدوي بطريقة تلبيد المسحوق. يعتمد التأثير الكهرضغطي على التأثير الكهربي، وتتغير خواصه الكهرضغطية مع التلبيد. هناك اختلافات في الصنعة ومكونات التركيب، لذلك هناك أنواع عديدة وعروض مختلفة. على سبيل المثال: طحن المادة إلى 400 شبكة، وإضافة مادة رابطة، والضغط، والخبز في درجة حرارة عالية، ثم النشر والطحن والتلميع إلى رقاقة سيراميك كهروضغطية نهائية. من السهل تصنيع السيراميك الكهرضغطي في أشكال مختلفة، ويمكن اهتزازه في مجموعة متنوعة من أوضاع الاهتزاز للتكيف مع الاستخدامات المختلفة. إنه يتميز بمعامل اقتران كهروميكانيكي عالي، وكسب وحساسية حلقة عالية، وهي مزايا مهمة. السيراميك الكهرضغطي شائع الاستخدام هو: تيتانات الباريوم (BaTiO3): وهو خليط من ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) وكربونات الباريوم (BaCO3) الملبد عند درجة حرارة عالية. هذا عبارة عن سيراميك كهرضغطية سابق، ودرجة حرارة كوري منخفضة، والاعتماد على درجة الحرارة كبير، واستقرار الوقت والاستقرار الحراري ضعيفان. الآن لا يزال يستخدم لمشعات السونار ومحولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية. تيتانات زركونات الرصاص، رمز PZT، لديها مجموعة متنوعة من الصيغ والخصائص، وهي حاليا السيراميك الكهرضغطية الأكثر استخداما.

السمة الرئيسية لسلسلة PZT لوحة الكريستال الكهرضغطية هي معامل اقتران كهروميكانيكي عالي، منها PZT-4 هو نوع ناقل الحركة، وخصائص الإثارة العالية جيدة (قيمة Qm عالية، وفقدان داخلي صغير، وما إلى ذلك)، وهو مناسب لمشعات السونار ومحولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية. ، مولد الجهد العالي ومحول الطاقة العالية. PZT-5 هو نوع جهاز الاستقبال. لديها ثابت عازل عالي، تقادم منخفض، وقيمة Qm منخفضة. إنها مناسبة للهواتف المائية ومحولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية ومشغلات التسجيل والميكروفونات ومكونات السماعات. كما أنها مناسبة للكشف عن نوع النبض واسع النطاق، وما إلى ذلك. بالإضافة إلى ذلك: PZT-2، PZT-5A، PZT-5H، PZT-6A، PZT-7A، PZT-8 ... وما إلى ذلك.

يحتوي زنكات النيوبيوم الرصاص على معامل اقتران كهروميكانيكي عالي للاهتزاز الشعاعي وقيمة Qm منخفضة (إضافة بعض MnO2 أو NiO2 يمكن أن يزيد Qm إلى 200)، وهناك ثبات أعلى في درجة الحرارة، ومناسب لمواد الترشيح. سلسلة كوبالتات النيوبيوم الرصاص: معاملات الاقتران الكهروميكانيكية للاهتزاز الشعاعي Kp و Qm مرتفعة نسبيًا، والتي يمكن استخدامها كهزازات ومحولات بالموجات فوق الصوتية، ومرشحات، وشاحنات صغيرة، وما إلى ذلك. منجنات النيوبيوم الرصاص: قيمة Qm عالية، واستقرار جيد للوقت، وثابت عازل منخفض، ومعامل اقتران كهروميكانيكي متوسط ​​Kp للاهتزاز الشعاعي، ومناسب للمرشح ومذبذب خط التأخير. أنتيمونات النيوبيوم الرصاص: قيمة Kp عالية، ثبات جيد، قيمة Qm كبيرة، ومعامل درجة حرارة تردد صغير. نظام المنغنيز الأنتيمون الرصاصي: يتمتع Kp بنطاق ضبط كبير، وقيمة Qm عالية، وفقدان عازل صغير، واستقرار جيد. منغنيز التنغستن الرصاص: جهد انهيار عالي للغاية، وقيمة Qm كبيرة، وقيمة Kp كبيرة، واستقرار جيد لدرجة الحرارة عند تردد الرنين.

نظام نيوبات الرصاص: ثابت العزل الكهربائي كبير، وKp متوسط، وخصائص تردد الصوت جيدة. نظام الكادميوم التنغستن الرصاص جيد في درجة الحرارة واستقرار الوقت للتردد. تيلورات المغنيسيوم الرصاص. يمكنه تحمل الضغط المتكرر، وله خصائص كهربائية وميكانيكية منخفضة. بالإضافة إلى ذلك، هناك أنتيمونات الليثيوم الرصاص وتنتالات الليثيوم الرصاص، والتي تتمتع بثبات جيد وقيم Qm منخفضة، ومناسبة لمحولات الطاقة الصوتية تحت الماء. بالإضافة إلى السيراميك الانضغاطي الثلاثي، تم تطوير سيراميك الانضغاطي الرباعي من زركونات النيوبيوم والنيكل والنيوبيوم والزنك والتيتانيوم والرصاص.

النوع الثالث من المواد الكهرضغطية – مادة كهرضغطية بوليمرية قطبية. هذا عبارة عن بوليمر شبه بلوري جديد تم تصنيعه صناعيًا وله تأثير كهرضغطية، يُسمى بوليمر قطبي، ويعتمد تأثيره الكهرضغطي على بوليمر قطبي. يكون الدوران الجزيئي أفضل حاليًا مع فلوريد البولي فينيلدين (PVDF). يعد PVDF (-CH2-CF2-) أحد أكثر البوليمرات قطبية. يتم تمديد فيلم PVDF إلى عدة أضعاف طوله الأصلي عند درجة حرارة أقل من 100 درجة مئوية للحصول على فيلم من النوع β (شكل بلوري من PVDF)، والذي يتم تطبيقه باستخدام قطب كهربائي (عادةً من الألومنيوم) ومستقطب في مجال كهربائي عالي التيار المستمر (درجة الحرارة 80-150 درجة مئوية)، سوف يحصل على أداء كهرضغطية، ويمكن استخدامه بشكل فعال كمستقبل صوتي، وله ثبات حراري جيد، بالإضافة إلى ذلك، يمكن ثني المادة، والمقاومة الصوتية صغير، ويتوافق جيدًا مع الماء، ومناسب بشكل خاص للهيدروفونات ومحولات الطاقة لاختبار مجال الصوت التشخيصي الطبي بالموجات فوق الصوتية. تتمثل عيوب مواد الأفلام الكهرضغطية في أن نسبة الإشارة إلى الضوضاء ليست مثالية، ومعامل الاقتران الكهروميكانيكي ليس كبيرًا بدرجة كافية، والخسائر الميكانيكية والعازلة كبيرة نسبيًا. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن عامل الجودة (Qm, Qe) صغير، فهو غير مناسب للأماكن التي تتطلب رنينًا حادًا، ولا للمدخلات الكبيرة والعمل المستمر، لأن تأثيره الكهرضغطي عند استخدامه لفترة طويلة عند درجة حرارة أعلى من 80 درجة مئوية ينخفض. بالإضافة إلى ذلك، تشتمل المواد الكهرضغطية البوليمرية القطبية على البولي فلورو إيثيلين (PVF2)، وما شابه.

النوع الرابع من المواد الكهرضغطية - مادة كهرضغطية مركبة وفيلم كهرضغطية من أكسيد الزنك. مادة كهرضغطية مركبة تتكون لوحة حصاد الطاقة من جزيئات سيراميكية متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف مشتتة ومختلطة بمواد بوليمر. مثل المواد الكهربائية، لا تعتمد خواصها الكهرضغطية على جزيئات السيراميك فحسب، بل تعتمد أيضًا على نوع مواد البوليمر المستخدمة كمصفوفة، وخاصة الأنظمة المركبة ذات البوليمرات عالية السماحية مثل PVDF وفلوريد الفينيليدين. ، يمكن استخدامها كمواد كهرضغطية قوية. لا تحتاج هذه المادة الكهروضغطية إلى التمدد مثل أجسام البوليمر الكهرضغطية الأخرى، وهي متناحية داخليًا. مع تغيير نوع بوليمر المصفوفة، يمكن الحصول على مجموعة كبيرة من معامل المرونة. على وجه الخصوص، يمكن أن تكون عملية بالضغط الساخن. مريحة للغاية. على سبيل المثال، تتمتع المواد المركبة من سلسلة PVDF وPZT بخصائص كهرضغطية وخصائص عازلة مستقرة جدًا. وصلت هذه المواد إلى المرحلة العملية وهي تشبه مواد البوليمر الكهرضغطية في التطبيق.

يتم استخدام الفيلم الكهرضغطي من أكسيد الزنك (ZnO) (المصنوع عن طريق عملية الرش الفراغي) لتوليد الموجات فوق الصوتية ذات التردد العالي للغاية واستقبال محولات الطاقة. يمكن استخدامه في نطاق التردد 30-3000 ميجاهرتز وله تأثير جيد. يمكن استخدامه لدراسة خصائص المواد، وخط التأخير بالموجات فوق الصوتية، والجهاز الصوتي البصري، والاتصالات ومعالجة المعلومات، والمجهر بالموجات فوق الصوتية، وما إلى ذلك، مع عرض النطاق الترددي، وكفاءة التحويل الكهربائية الصوتية الجيدة، والمطابقة السهلة مع دائرة الإثارة. وبالإضافة إلى ذلك، فإن كبريتيد الكادميوم (CdS)، ونيتريد الألومنيوم (AlN)، وما إلى ذلك هي أيضًا مواد جيدة للأغشية الرقيقة الكهرضغطية.