Параметры п'езаэлектрычных матэрыялаў і п'езаэлектрычныя ўраўненні (4)

чатыры. Класіфікацыя п'езаэлектрычных матэрыялаў
1. Першы тып п'езаэлектрычнага матэрыялу - п'езаэлектрычны монакрышталь. Гэта прыродны або штучны монакрышталічны сегнетоэлектрычны матэрыял з анізатрапіяй. Яго п'езаэлектрычны эфект заснаваны на складзе крышталічнай структуры, выкліканай зменамі адноснага размяшчэння станоўчых і адмоўных іёнаў на рашотцы. Звычайна выкарыстоўваюцца п'езаэлектрычныя монакрышталі. Кварц (SiO2): гэта натуральны або штучна культываваны (штучны крышталь) крышталь з добрай аднастайнасцю і высокай кропкай кюры; высокі імпеданс і высокая механічная Q (Qm); высокая цвёрдасць і добрая зносаўстойлівасць; Прадукцыйнасць надзвычай стабільная, старэнне надзвычай павольнае і мінімальнае, а яе прадукцыйнасць змяняецца з тэмпературай вельмі мала, і можна атрымаць тэмпературны каэфіцыент лінейнай частаты, які не змяняецца з часам; страты малыя,што можна выкарыстоўваць для надзвычай высокіх частот; характарыстыкі ізаляцыі добрыя, ён можа быць выкарыстаны пад напругай, які можа быць выкарыстаны ў асяроддзях з больш высокай і вельмі нізкай тэмпературай. Дзякуючы сваім шматлікім выдатным уласцівасцям, кварц па-ранейшаму шырока выкарыстоўваецца сёння, асабліва ў якасці стандартнага пераўтваральніка і асцылятара часу ў кампутарным абсталяванні. Яго недахопам з'яўляецца нізкая эфектыўнасць электрамеханічнага пераўтварэння, што робіць меншым каэфіцыент узмацнення контуру сістэмы.

Ніябат літыя (LiNbO3): гэта штучна вырашчаны сегнетоэлектрычны монакрышталь дыяметрам да 120 мм. Ніябат літыя можна выкарыстоўваць для непасрэднага ўзбуджэння ультрагукавой папярочнай хвалі з высокім электрамеханічным каэфіцыентам сувязі і выдатнымі п'езаэлектрычнымі характарыстыкамі. Ён мае вялікае значэнне Qm і высокую кропку Кюры. Яго можна выкарыстоўваць пры высокіх тэмпературах, са стабільнай палярызацыяй і распаўсюджваннем ультрагуку. Страта невялікая, яна не расплаўляецца, а канстанта частоты вельмі вялікая. Ён можа быць выкарыстаны для вырабу звышвысокачашчынных пераўтваральнікаў. Такім чынам, ён выкарыстоўваецца ў якасці звычайнага асноўнага матэрыялу для пераўтваральнікаў паверхневых акустычных хваль. Пры выкарыстанні ў якасці пераўтваральніка аб'ёмнай хвалі ён можа атрымаць лепшую адчувальнасць, чым звычайныя п'езаэлектрычныя керамічныя пераўтваральнікі. Ён таксама выкарыстоўваецца для ультрагукавога вымярэння таўшчыні, вузкага вымярэння і датчыка імпульсаў. Гэта таксама штучны монакрышталь. Ён валодае добрымі механічнымі ўласцівасцямі, лёгка паддаецца апрацоўцы, можа растварацца ў вадзе, але яго няпроста растаўчы, мае адносна стабільныя фізічныя і хімічныя ўласцівасці і выдатныя п'езаэлектрычныя ўласцівасці. П'езаэлектрычная стужка з матэрыялу PZT
. Электрамеханічны каэфіцыент сувязі і нізкая дыэлектрычная пранікальнасць, а таксама значэнне Qm даволі нізкія, яны падыходзяць для вырабу высокаадчувальных шырокапалосных пераўтваральнікаў з высокім разрозненнем і ліній затрымкі, такіх як ультрагукавое вымярэнне таўшчыні і вузкія пераўтваральнікі імпульсу. Акрамя таго, ёсць сульфат літыя (Li2SO4) з добрымі характарыстыкамі прыёму.

3. Другі тып п'езаэлектрычнага матэрыялу - п'езаэлектрычная кераміка. Гэта полікрышталічны сегнетоэлектрычны матэрыял, выраблены метадам ручнога абпалу парашкавым метадам спякання. П'езаэлектрычны эфект заснаваны на электрастрыкцыйным эфекце, і яго п'езаэлектрычныя ўласцівасці змяняюцца пры спяканні. Існуюць адрозненні ў майстэрстве вырабу і складзе інгрэдыентаў, таму існуе мноства тыпаў і розных характарыстык. Напрыклад: драбненне матэрыялу да 400 меш, даданне злучнага, прэсаванне, выпяканне пры высокай тэмпературы, а затым распілоўванне, шліфоўка і паліроўка ў гатовую п'езаэлектрычную керамічную пласціну. П'езаэлектрычнай кераміцы лёгка надаць розныя формы, яе можна вібраваць у розных рэжымах вібрацыі для адаптацыі да розных мэтаў. Ён мае высокі электрамеханічны каэфіцыент сувязі, высокі каэфіцыент узмацнення контуру і адчувальнасць, якія з'яўляюцца яго важнымі перавагамі. П'езаэлектрычная кераміка звычайна выкарыстоўваецца: тытанат барыю (BaTiO3): гэта сумесь дыяксіду тытана (TiO2) і карбанату барыю (BaCO3), спечаная пры высокай тэмпературы. Гэта больш ранняя п'езаэлектрычная кераміка, яе тэмпература Кюры нізкая, тэмпературная залежнасць вялікая, а стабільнасць у часе і цеплавая стабільнасць дрэнныя. Цяпер ён усё яшчэ выкарыстоўваецца для гідраакустычных выпраменьвальнікаў і ультрагукавых пераўтваральнікаў. Тытанат цырканату свінцу, код PZT, мае розныя формулы і характарыстыкі і ў цяперашні час з'яўляецца найбольш часта выкарыстоўванай п'езаэлектрычнай керамікай.

Галоўная асаблівасць серыі PZT крышталь п'езаэлектрычнай пласціны з'яўляецца высокім электрамеханічным каэфіцыентам сувязі, з якіх PZT-4 з'яўляецца трансмісійным тыпам, і яго высокія характарыстыкі ўзбуджэння добрыя (высокае значэнне Qm, малыя ўнутраныя страты і г.д.), што падыходзіць для выпраменьвальнікаў гідралакатара і ультрагукавых пераўтваральнікаў. , Генератар высокага напружання і пераўтваральнік высокай магутнасці. ПЗТ-5 - ствольная скрынка. Ён мае высокую дыэлектрычную пранікальнасць, нізкае старэнне і нізкае значэнне Qm. Ён падыходзіць для гідрафонаў, ультрагукавых пераўтваральнікаў, прайгравальнікаў, мікрафонаў і кампанентаў дынамікаў. Ён таксама падыходзіць для шырокапалоснага выяўлення імпульснага тыпу і г. д. Акрамя таго: PZT-2, PZT-5A, PZT-5H, PZT-6A, PZT-7A, PZT-8 ... і гэтак далей.

Цынкат ніёбію свінцу мае высокі электрамеханічны каэфіцыент сувязі радыяльнай вібрацыі і нізкае значэнне Qm (даданне невялікай колькасці MnO2 або NiO2 можа павялічыць Qm да 200), ёсць больш высокая тэмпературная стабільнасць, падыходзіць для фільтруючых матэрыялаў. Серыя кобальтату ніёбію свінцу: яго радыяльныя каэфіцыенты электрамеханічнай сувязі Kp і Qm адносна высокія, што можа выкарыстоўвацца ў якасці ультрагукавых вібратараў і трансфарматараў, фільтраў, гуказдымальнікаў і г.д. асцылятар. Антымонат свінцу ніёбію: высокае значэнне Kp, добрая стабільнасць, вялікае значэнне Qm і нізкі тэмпературны каэфіцыент частаты. Свінцова-сурма-марганцавая сістэма: Kp мае вялікі дыяпазон рэгулявання, высокае значэнне Qm, невялікія дыэлектрычныя страты і добрую стабільнасць. Свінец, вальфрам-марганец: Надзвычай высокае напружанне прабоя, вялікае значэнне Qm, вялікае значэнне Kp і добрая тэмпературная стабільнасць на рэзананснай частаце.

Сістэма ніябату свінцу: дыэлектрычная пранікальнасць вялікая, Kp сярэдняя, ​​гукавыя частотныя характарыстыкі добрыя. Вальфрам-кадміевая сістэма з'яўляецца добрай стабільнасцю тэмпературы і часу частоты. Тэлурат магнію свінцу. Ён можа вытрымліваць шматразовы ціск і мае нізкае старэнне электрычных і механічных уласцівасцей. Акрамя таго, існуюць антымонат літыя свінцу і танталат літыя свінцу, якія валодаюць добрай стабільнасцю і нізкімі значэннямі Qm і падыходзяць для падводнага акустычнага пераўтваральніка. У дадатак да трохкомпонентнай п'езакерамікі была распрацавана чацвярцічная п'езакераміка з ніёбіевага нікеля-ніёбіевага цынку-тытана-свінцовага цырканата.

Трэці тып п'езаэлектрычнага матэрыялу - палярны палімерны п'езаэлектрычны матэрыял. Гэта новы штучна сінтэзаваны паўкрышталічны палімер з п'езаэлектрычным эфектам, які называецца палярным палімерам, і яго п'езаэлектрычны эфект заснаваны на палярным палімеры. Малекулярнае кручэнне ў цяперашні час лепшае з полівінілідэнфтарыдам (PVDF). PVDF (-CH2-CF2-) - адзін з самых палярных палімераў. Плёнка PVDF расцягваецца ў некалькі разоў больш сваёй першапачатковай даўжыні пры тэмпературы ніжэй за 100 °C, каб атрымаць плёнку β-тыпу (крышталічная форма PVDF), якая наносіцца з дапамогай электрода (звычайна алюмініевага) і палярызуецца ў моцным электрычным полі пастаяннага току (тэмпература складае 80-150 ℃), атрымае п'езаэлектрычныя характарыстыкі, яе можна эфектыўна выкарыстоўваць у якасці акустычнага прыёмніка, мае добрую тэрмічную стабільнасць, у Акрамя таго, матэрыял можна згінаць, акустычны імпеданс невялікі, і ён добра спалучаецца з вадой, асабліва падыходзіць для гідрафонаў і пераўтваральнікаў для медыцынскай ультрагукавой дыягностыкі гукавога поля. Недахопы п'езаэлектрычных плёнкавых матэрыялаў заключаюцца ў тым, што суадносіны сігнал/шум не з'яўляюцца ідэальнымі, каэфіцыент электрамеханічнай сувязі недастаткова вялікі, а механічныя і дыэлектрычныя страты адносна вялікія. Акрамя таго, паколькі каэфіцыент якасці (Qm, Qe) невялікі, ён не падыходзіць для месцаў, дзе патрабуецца рэзкі рэзананс, а таксама для вялікіх уваходных і бесперапынных работ, таму што яго п'езаэлектрычны эфект пры працяглым выкарыстанні пры тэмпературы вышэй за 80 ° C памяншаецца. Акрамя таго, палярныя палімерныя п'езаэлектрычныя матэрыялы ўключаюць поліфтарэтылен (PVF2) і таму падобнае.

Чацвёрты тып п'езаэлектрычнага матэрыялу - кампазітны п'езаэлектрычны матэрыял і п'езаэлектрычная плёнка з аксіду цынку. Кампазітны п'езаэлектрычны матэрыял пласціна для збору энергіі складаецца з часціц сегнетоэлектрычнай керамікі, дыспергаваных і змешаных у палімерных матэрыялах. Як і ў электрычных матэрыялаў, іх п'езаэлектрычныя ўласцівасці залежаць не толькі ад керамічных часціц, але і ад тыпу палімерных матэрыялаў, якія выкарыстоўваюцца ў якасці матрыцы, асабліва кампазітных сістэм з палімерамі з высокай пранікальнасцю, такімі як PVDF і вінілідэнфтарыд. , Можа быць выкарыстаны ў якасці моцных п'езаэлектрычных матэрыялаў. Гэты п'езаэлектрычны матэрыял не трэба расцягваць, як іншыя палімерныя п'езаэлектрычныя целы, і ён унутрана ізатропны. Пры змене тыпу матрычнага палімера можна атрымаць вялікі дыяпазон модуля пругкасці. У прыватнасці, яна можа быць гарачага адціску і практычнай. вельмі зручна. Напрыклад, кампазітныя матэрыялы серый PVDF і PZT валодаюць вельмі стабільнымі п'езаэлектрычнымі і дыэлектрычнымі ўласцівасцямі. Гэтыя матэрыялы дасягнулі практычнай стадыі і па ўжыванні падобныя на п'езаэлектрычныя палімерныя матэрыялы.

П'езаэлектрычная плёнка з аксіду цынку (ZnO) (вырабленая працэсам вакуумнага напылення) выкарыстоўваецца для генерацыі і прыёму ультрагукавых пераўтваральнікаў звышвысокай частаты. Ён можа выкарыстоўвацца ў дыяпазоне частот 30-3000 МГц і мае добры эфект. Ён можа быць выкарыстаны для вывучэння ўласцівасцей матэрыялу, ультрагукавой лініі затрымкі, акустааптычных прылад, камунікацыі і апрацоўкі інфармацыі, ультрагукавога мікраскопа і г.д., з паласой частот, добрай электраакустычнай эфектыўнасцю пераўтварэння і простым узгадненнем з ланцугом узбуджэння. Акрамя таго, сульфід кадмію (CdS), нітрыд алюмінія (AlN) і г.д. таксама з'яўляюцца добрымі п'езаэлектрычнымі тонкаплёнкавымі матэрыяламі.