Složení piezoelektrického keramického materiálu

Různé rozsahy aplikací mají různé požadavky na výkon piezoelektrické keramické materiály . 1 Perovskit piezoelektrický keramický materiál, chemický vzorec je ABO3, A je kladný iont s velkým poloměrem, který může být +1, +2, +3; B je kladný iont s malým poloměrem, který může být +3, +4, +5, +6. Iontový poloměr tří iontů A, B a O může splňovat následující vztah pro vytvoření struktury ABO3: RA+RO=t√2 (RB+RO, t je toleranční faktor, obecně může tvořit vápník mezi 0,86 a 1,03. Struktura titanové rudy Typické složení: (1) 0,99 [PbTiO3 + 0,03] + 0,04 MnO2, teplota kalcinace je 850 °C, tepelná konzervace po dobu 2 hodin, teplota výpalu je 1240 °C, tepelná konzervace po dobu 1 hodiny ε = 240, Kp=0,096, Qm=1050, Nt=2120 (2) Vysokofrekvenční (30M-100MC) filtr. PbTi03+1hmot.%MnO2+1hmot.%Pb3O4ε=150, Kp=0,40, Qm=800~1000, teplota a čas Dobrá stabilita 3PbTiO3+3,0hmot.%CeO2++0,3MnO2+2,53% hm.

(1) Se změnou Zr:Ti se Curieův bod mění téměř lineárně z 235 °C na 490 °C a čára Tc je kubická paraelektrická fáze bez piezoelektrického jevu.

(2) Zr: V blízkosti Ti=53:47 existuje kvazihomogenní fázové rozhraní, strana bohatá na titan je tetragonální feroelektrická fáze FT; strana bohatá na zirkonium je vysokoteplotní trigonální feroelektrická fáze FR, teplota piezoelektrické keramické měniče stoupají a toto fázové rozhraní je bohaté na zirkonium Strana je nakloněná a protíná linii Tc při 360 °C (což naznačuje, že Curieova teplota Tc je vysoká blízko fázové hranice) a parametry základní buňky se náhle změní v blízkosti fázové hranice. V blízkosti fázové hranice mezi tetragonální feroelektrickou fází FT a trigonální feroelektrickou fází FR existuje silný piezoelektrický efekt. Kp, ε má maximální hodnotu a Qm má velmi malou hodnotu. Piezoelektrické vlastnosti porcelánu PZT v blízkosti fázové hranice jsou mnohem vyšší než u porcelánu BaTiO3. Protože Tc porcelánu PZT na hranici je vysoké (360 °C), KP i ε jsou stabilní do 200 °C, což je ideální piezoelektrický materiál. Dopingová úprava PZT Porcelán of elektronický piezo keramický měnič . Abychom splnili různé účely, potřebujeme piezoelektrickou keramiku PZT s různými vlastnostmi. Z tohoto důvodu můžeme přidat různé ionty k nahrazení iontu Pb2+ v místě A nebo iontu Zr4+, Ti4+ v místě B. Tím se zlepší výkon materiálu.

Jiná substituce modifikovaná tvrdá substituce modifikovaná měkká substituce modifikovaná heterovalentní substituce ekvivalentní substituce dopovaná modifikovaná PZT (1) ekvivalentní substituční ekvivalentní substituce znamená, že poloměr Ca2+, Sr2+, Mg2+ je menší než poloměr iontu Pb2+ Iontová substituce iontů Pb2+ má za následek zvýšení dielektrické konstanty ε PZT piezokeramický disk , zvýšení elektromechanického vazebního koeficientu KP a zvýšení piezoelektrické konstanty d, čímž se zlepší piezoelektrické vlastnosti keramiky PZT. Termín 'měkká substituční modifikace' znamená, že přidání těchto přísad může snížit sílu koercitivního pole EC o ↓ a polarizace je snadná, takže vlastnosti materiálu se působením elektrického pole nebo napětí stanou 'měkkými'.

(a) La3+, Bi3+, Sb3+ atd. nahrazují iont Pb+2 v A-místě (donorový doping); Nb5+, Ta5+, Sb5+, W6+ atd. Substituce B-pozice Zr4+, Ti4+ ionty (donorový doping). Vlastnosti porcelánu PZT modifikovaného měkkou substitucí mají následující změny: koercitivní síla pole EC klesá ↓, faktor mechanické jakosti Qm klesá ↓; dielektrická konstanta ε se zvyšuje ↑, dielektrická ztráta tan δ se zvyšuje ↑, koeficient elektromechanické vazby KP Když se zvyšuje ↑, zvyšuje se odolnost proti stárnutí a zvyšuje se izolační odpor ρ ↑. Důvodem je to, že jejich přidání vede ke vzniku nedostatku Pb2+. Pokud například každé dva La3+ nahradí 3 Pb2+, za účelem udržení rovnováhy ceny elektřiny se sníží počet kationtů na pozici A v perovskitové struktuře a vytvoří se volné místo A. Díky absenci Pb2+ je pohyb domény snadný a dokonce i malá síla elektrického pole nebo mechanické namáhání může způsobit pohyb doménových stěn. 

V důsledku toho se zvyšuje dielektrická konstanta a koeficient elastické poddajnosti Vznikají piezokeramické keramické měniče Pzt a současně se zvyšují dielektrické a mechanické ztráty a snižuje se Qm. Navíc, protože řízení domén je snadné, zvyšuje se počet domén orientovaných ve směru elektrického pole, čímž se zvyšuje polarizace, takže piezoelektrický efekt je značně zvýšen, což je reprezentováno zvýšením hodnoty Kp. Protože se odpor řízení domény stává malým, koercitivní pole pro obrácení polarizace k překonání odporu je malé a zpětná čára je téměř pravoúhlá. Navíc díky absenci Pb2+ je vnitřní napětí způsobené řízením 90 domén tlumeno, takže zbytkové napětí je malé. Jinými slovy, protože se stěny domén snadno pohybují, vnitřní napětí domén se snadno uvolní, takže výkon při stárnutí je dobrý. 'Měkké' přísady jsou běžně používané modifikující přísady.

(b) Například materiál přijímacího typu podvodního akustického měniče je často dopován La2O3 a Nb2O5, aby se zvýšila hodnota Kp a dielektrická konstanta. Pb0,95Sr0,05(Zr0,52Ti0,48)O3+0,9%La2O3+0,9%Nb2O5, Kp=0,60, ε=2100, Qm=80, dobrá stabilita, objemový odpor 1012 ohm 'měkká' přísada Množství obecně nepřesahuje 5%. b Tvrdá substituční modifikace, tzv. 'tvrdá substituční modifikace' znamená, že přidání těchto přísad může zvýšit sílu koercitivního pole EC a polarizace se stává obtížnou, takže vlastnosti materiálu se působením elektrického pole nebo napětí stávají 'tvrdými'.

(a) K+, Na+ atd. substituce iontů Pb2+ v místě A (doping akceptoru);

(b) ionty Zr4+ a Ti4+ (akceptorem dopované) substituované za B na Fe2+, Co2+, Mn2+ (nebo Fe3+, Co3+, Mn3+), Ni2+, Mg2+, Al3+, Cr3+ a podobně.

Vlastnosti porcelánu PZT modifikovaného tvrdou substitucí mají následující změny: Koercitivní síla pole EC se zvyšuje ↑, faktor mechanické jakosti Qm se zvyšuje ↑; dielektrická konstanta ε klesá, dielektrická ztráta tan δ klesá ↓, koeficient elektromechanické vazby KP klesá Malý ↓, snižuje se odolnost proti stárnutí a snižuje se izolační odpor ρ.

Ternární perovskitová piezoelektrická keramika

Změnou poměru Zr/Ti a začleněním malého množství aditiv lze sice některé vlastnosti zlepšit, ale díky stále širší nabídce piezoelektrických materiálů jsou požadavky na materiály stále vyšší a pouze binární systémy nemohou splnit požadavky na použití. Existuje tedy ternární systém. Takzvaný ternární perovskitový piezoelektrický keramický materiál se týká pevného roztoku tvořeného kompozitní perovskitovou sloučeninou a zirkoničitanem titaničitanem olovnatým.