Parametry piezoelektrických materiálů a piezoelektrické rovnice (4)

Čtyři. Klasifikace piezoelektrických materiálů
1. První typ piezoelektrického materiálu piezoelektrický monokrystal. Jedná se o přirozeně se vyskytující nebo umělý monokrystalický feroelektrický materiál s anizotropií. Jeho piezoelektrický efekt je založen na složení krystalové struktury způsobené změnami vzájemné polohy kladných a záporných iontů na mřížce. Běžně používané piezoelektrické monokrystaly .Křemen (SiO2): Jedná se o přirozeně vytvořený nebo uměle kultivovaný (uměle vyrobený krystal) krystal s dobrou uniformitou a vysokým bodem Curie; vysoká impedance a vysoké mechanické Q (Qm); vysoká tvrdost a dobrá odolnost proti opotřebení; Výkon je extrémně stabilní, stárnutí je extrémně pomalé a minimální a jeho změny výkonu s teplotou jsou velmi malé a lze získat lineární frekvenční teplotní koeficient, který se nemění s časem; ztráta je malá, což lze použít pro extrémně vysoké frekvence; izolační výkon je dobrý, může být používán pod napětím; které lze použít v prostředí s vyšší a extrémně nízkou teplotou. Díky mnoha vynikajícím vlastnostem je křemen dodnes široce používán, zejména jako standardní převodník a jako časový oscilátor v počítačovém vybavení. Jeho nevýhodou je nízká účinnost elektromechanické konverze, což snižuje zisk systémové smyčky.

Lithium Niobate (LiNbO3): Jedná se o uměle vypěstovaný feroelektrický monokrystal o průměru až 120 mm. Niobát lithný lze použít k přímému buzení ultrazvukové příčné vlny s vysokým elektromechanickým vazebným koeficientem a vynikajícím piezoelektrickým výkonem. Má vysokou hodnotu Qm a vysoký bod Curie. Může být použit při vysokých teplotách, se stabilní polarizací a šířením ultrazvuku. Ztráta je malá, není rozvlněná a frekvenční konstanta je velmi velká. Může být použit pro výrobu ultravysokofrekvenčních měničů. Proto se používá jako běžný základní materiál pro povrchové měniče akustických vln. Při použití jako převodník objemových vln může získat lepší citlivost než běžné piezoelektrické keramické převodníky. Používá se také pro ultrazvukové měření tloušťky, úzké měření a pulzní převodník. Toto je také umělý monokrystal. Má dobré mechanické vlastnosti, snadno se zpracovává, lze jej rozpustit ve vodě, ale není snadné jej roztékat, má relativně stabilní fyzikální a chemické vlastnosti a má vynikající piezoelektrické vlastnosti. Piezoelektrický pásek z materiálu PZT
. Koeficient elektromechanické vazby a nízká dielektrická konstanta a hodnota Qm jsou poměrně nízké, jsou vhodné pro výrobu vysokocitlivých širokopásmových převodníků a zpožďovacích linek s vysokým rozlišením, jako je měření tloušťky ultrazvuku a úzké pulzní převodníky. Kromě toho existuje síran lithný (Li2SO4) s dobrým příjmem.

3. Druhý typ piezoelektrického materiálu piezoelektrická keramika. Jedná se o polykrystalický feroelektrický materiál vyrobený ručním vypalováním metodou práškového slinování. Piezoelektrický jev je založen na elektrostrikčním jevu a jeho piezoelektrické vlastnosti se mění se slinováním. Existují rozdíly v řemeslném zpracování a složkách složení, takže existuje mnoho typů a různých výkonů. Například: mletí materiálu na 400 mesh, přidání pojiva, lisování, pečení při vysoké teplotě a pak řezání, broušení a leštění do hotové piezoelektrické keramické destičky. Piezoelektrická keramika se snadno vyrábí do různých tvarů a lze ji vibrovat v různých režimech vibrací, aby se přizpůsobila různým účelům. Má vysoký elektromechanický vazební koeficient, vysoký zisk smyčky a citlivost, což jsou jeho důležité výhody. Běžně používané piezoelektrické keramiky jsou: Titaničitan barnatý (BaTiO3): Jedná se o směs oxidu titaničitého (TiO2) a uhličitanu barnatého (BaCO3) slinované při vysoké teplotě. Jedná se o starší piezoelektrickou keramiku, její Curieova teplota je nízká, teplotní závislost je velká a časová stabilita a tepelná stabilita jsou špatné. Nyní se stále používá pro sonarové zářiče a ultrazvukové měniče. Zirkoničitan titaničitan olovnatý, kód PZT, má různé vzorce a vlastnosti a je v současnosti nejběžněji používanou piezoelektrickou keramikou.

Hlavní rys řady PZT piezoelektrický deskový krystal má vysoký elektromechanický vazebný koeficient, jehož PZT-4 je přenosový typ, a jeho vysoké budicí vlastnosti jsou dobré (vysoká hodnota Qm, malá vnitřní ztráta atd.), což je vhodné pro sonarové zářiče a ultrazvukové měniče. , Vysokonapěťový generátor a vysokovýkonový převodník. PZT-5 je typ přijímače. Má vysokou dielektrickou konstantu, nízké stárnutí a nízkou hodnotu Qm. Je vhodný pro hydrofony, ultrazvukové měniče, gramofony, mikrofony a reproduktorové komponenty. Je také vhodný pro širokopásmovou detekci typu pulzu atd. Navíc: PZT-2, PZT-5A, PZT-5H, PZT-6A, PZT-7A, PZT-8 ... a tak dále.

Olovnatý niobzinkat má vysoký elektromechanický vazebný koeficient radiálních vibrací a nízkou hodnotu Qm (přidáním určitého množství MnO2 nebo NiO2 lze zvýšit Qm na 200), je zde vyšší teplotní stabilita, vhodné pro filtrační materiály. Řada kobaltitan olovnatý: jeho radiální vibrační elektromechanické vazebné koeficienty Kp a Qm jsou relativně vysoké, což lze použít jako ultrazvukové vibrátory a transformátory, filtry, snímače atd. Manganát olovnatý: vysoká hodnota Qm, dobrá časová stabilita, nízká dielektrická konstanta, střední elektromechanický vazebný koeficient Kp radiálního kmitání, vhodný pro filtr a oscilační vedení. Niobiumantimoničnan olovnatý: vysoká hodnota Kp, dobrá stabilita, velká hodnota Qm a malý frekvenční teplotní koeficient. Systém olovo, antimon a mangan: Kp má velký rozsah nastavení, vysokou hodnotu Qm, malé dielektrické ztráty a dobrou stabilitu. Olovo Tungsten Mangan: Extrémně vysoké průrazné napětí, velká hodnota Qm, velká hodnota Kp a dobrá teplotní stabilita při rezonanční frekvenci.

Systém olověného niobátu: Dielektrická konstanta je velká, Kp je střední a charakteristiky zvukové frekvence jsou dobré. Olovo wolfram kadmium systém má dobrou teplotní a časovou stabilitu frekvence. Telurát hořečnatý olovnatý. Dokáže odolat opakovanému tlaku a má nízké stárnutí elektrických a mechanických vlastností. Kromě toho existují olovnatý lithium antimoničnan a olovnatý lithium tantalát, které mají dobrou stabilitu a nízké hodnoty Qm a jsou vhodné pro podvodní akustické měniče. Kromě ternární piezokeramiky byla vyvinuta kvartérní piezokeramika niob nikl-niob zinko-titan-olovo zirkoničitan.

Třetí typ piezoelektrického materiálu - polární polymerní piezoelektrický materiál. Jedná se o nový uměle syntetizovaný semikrystalický polymer s piezoelektrickým efektem, který se nazývá polární polymer a jeho piezoelektrický efekt je založen na polárním polymeru. Molekulární rotace je v současnosti nejlepší s polyvinylidenfluoridem (PVDF). PVDF (-CH2-CF2-) je jedním z nejpolárních polymerů. PVDF fólie je natažena na několikanásobek své původní délky při teplotě pod 100 ° C, aby se získala fólie typu β (krystalická forma PVDF), která je nanesena elektrodou (obvykle hliník) a polarizována ve vysokém stejnosměrném elektrickém poli (teplota je 80-150 ℃), získá piezoelektrický výkon, může být účinně použit jako tepelná stabilita, může být účinně použit jako akustický přijímač impedance je malá a dobře se hodí pro vodu, zvláště vhodná pro hydrofony a měniče pro lékařské ultrazvukové diagnostické testování zvukového pole. Nevýhody piezoelektrických fóliových materiálů spočívají v tom, že poměr signálu k šumu není ideální, elektromechanický vazební koeficient není dostatečně velký a mechanické a dielektrické ztráty jsou relativně velké. Navíc, protože činitel jakosti (Qm, Qe) je malý, není vhodný do míst, kde je vyžadována ostrá rezonance, ani pro velký příkon a nepřetržitou práci, protože jeho piezoelektrický efekt při dlouhodobém používání při teplotě nad 80°C klesá. Kromě toho polární polymerní piezoelektrické materiály zahrnují polyfluorethylen (PVF2) a podobně.

Čtvrtý typ piezoelektrického materiálu - kompozitní piezoelektrický materiál a piezoelektrický film z oxidu zinečnatého. Kompozitní piezoelektrický materiál deska pro získávání energie se skládá z feroelektrických keramických částic rozptýlených a smíchaných v polymerních materiálech. Stejně jako u elektrických materiálů závisí jejich piezoelektrické vlastnosti nejen na keramických částicích, ale také na typu polymerních materiálů použitých jako matrice, zejména na kompozitních systémech s polymery s vysokou propustností, jako je PVDF a vinylidenfluorid. , Lze použít jako silné piezoelektrické materiály. Tento piezoelektrický materiál se nemusí natahovat jako jiná polymerní piezoelektrická tělesa a je uvnitř izotropní. Se změnou typu matricového polymeru lze získat velký rozsah modulu pružnosti. Zejména může být lisovaný za tepla a praktický. velmi pohodlné. Například kompozitní materiály řad PVDF a PZT mají velmi stabilní piezoelektrické vlastnosti a dielektrické vlastnosti. Tyto materiály dosáhly praktického stadia a v aplikaci jsou podobné piezoelektrickým polymerním materiálům.

Piezoelektrický film z oxidu zinečnatého (ZnO) (vyrobený procesem vakuového stříkání) se používá pro ultra-vysokofrekvenční ultrazvukové generování a přijímací měniče. Lze jej použít ve frekvenčním pásmu 30-3000 MHz a má dobrý účinek. Může být použit pro studium materiálových vlastností, ultrazvukové zpožďovací linky, akusticko-optického zařízení, komunikace a zpracování informací a ultrazvukového mikroskopu atd., S frekvenční šířkou pásma, dobrou účinností elektroakustické konverze a snadným přizpůsobením budícímu obvodu. Kromě toho sulfid kademnatý (CdS), nitrid hliníku (AlN) atd. jsou také dobré piezoelektrické tenkovrstvé materiály.