Sammensætning af piezoelektrisk keramisk materiale

Forskellige anvendelsesområder har forskellige krav til ydeevne piezoelektriske keramiske materialer . 1 Perovskit piezoelektrisk keramisk materiale, den kemiske formel er ABO3, A er en positiv ion med en stor radius, som kan være +1, +2, +3; B er en positiv ion med en lille radius, som kan være +3, +4, +5, +6. Den ioniske radius af de tre ioner A, B og O kan opfylde følgende forhold til dannelse af ABO3-strukturen: RA+RO=t√2 (RB+RO, t er en tolerancefaktor, kan generelt danne calcium mellem 0,86 og 1,03. Titanmalmstruktur Typisk formulering: (1) 0,99 [PbTiO401 + .TiO301 + .TiO32 +. MnO2, calcineringstemperatur er 850 ° C, varmekonservering i 2 timer, brændingstemperatur er 1240 ° C, varmekonservering i 1 time ε = 240, Kp=0,096, Qm=1050, Nt=2120 (2) Højfrekvent (30M-10) porcelain. PbTiO3+1wt%MnO2+1wt%Pb3O4ε=150, Kp=0,40, Qm=800~1000, temperatur og tid God stabilitet 3PbTiO3+3,0wt%CeO2++0,3MnO2+2,53wt%Nb.

(1) Med ændringen af ​​Zr:Ti ændres Curie-punktet næsten lineært fra 235 °C til 490 °C, og Tc-linjen er en kubisk paraelektrisk fase uden piezoelektrisk effekt.

(2) Zr: Der er en kvasi-homogen fasegrænse nær Ti=53:47, den titaniumrige side er den tetragonale ferroelektriske fase FT; den zirkoniumrige side er den højtemperatur trigonale ferroelektriske fase FR, temperaturen på piezoelektriske keramiske transducere stiger, og denne fasegrænse er rig på zirconium. Siden er skrå og skærer Tc-linjen ved 360 ° C (hvilket indikerer, at Curie-temperaturen Tc er høj nær fasegrænsen), og enhedscelleparametrene ændres brat nær fasegrænsen. Der er en stærk piezoelektrisk effekt nær fasegrænsen mellem den tetragonale ferroelektriske fase FT og den trigonale ferroelektriske fase FR. Kp, ε har en maksimal værdi og Qm har en meget lille værdi. De piezoelektriske egenskaber af PZT-porcelæn nær fasegrænsen er meget højere end BaTiO3-porcelænets. Da Tc af PZT-porcelænet ved grænsen er høj (360 ° C), er KP og ε begge stabile inden for 200 ° C, hvilket er et ideelt piezoelektrisk materiale. Doping Ændring af PZT Porcelæn af elektronisk piezo keramik transducer . For at opfylde forskellige formål har vi brug for PZT piezoelektrisk keramik med forskellige egenskaber. Af denne grund kan vi tilføje forskellige ioner for at erstatte Pb2+-ionen på A-stedet eller Zr4+, Ti4+-ionen på B-stedet. Derved forbedres materialets ydeevne.

Anden substitutionsmodificeret hård substitution modificeret blød substitution modificeret heterovalent substitutionsækvivalent substitutionsdoteret modificeret PZT (1) ækvivalent substitutionsækvivalent substitution betyder, at radius af Ca2+, Sr2+, Mg2+ er mindre end den for Pb2+ ion Ionsubstitutionen af ​​Pb2+ ioner resulterer i en stigning i den dielektriske konstant ε af PZT ε piezokeramisk skive , en stigning i den elektromekaniske koblingskoefficient KP og en stigning i den piezoelektriske konstant d, hvorved de piezoelektriske egenskaber af PZT-keramikken forbedres. Udtrykket 'blød substitutionsmodifikation' betyder, at tilsætningen af ​​disse additiver kan reducere tvangsfeltstyrken EC med ↓, og polariseringen er let, således at materialeegenskaberne bliver 'bløde' under påvirkning af elektrisk felt eller spænding.

(a) La3+, Bi3+, Sb3+ osv. erstatter A-stedet Pb+2 ionen (donordoping); Nb5+, Ta5+, Sb5+, W6+ osv. Erstatning af B-position Zr4+, Ti4+ ioner (donordoping). Egenskaberne for PZT-porcelæn modificeret ved blød substitution har følgende ændringer: tvangsfeltstyrken EC falder ↓, den mekaniske kvalitetsfaktor Qm falder ↓; den dielektriske konstant ε øges ↑, det dielektriske tab tan δ øges ↑, den elektromekaniske koblingskoefficient KP Når ↑ øges, øges ældningsmodstanden, og isolationsmodstanden ρ øges ↑. Grunden til dette er, at deres tilføjelse fører til dannelsen af ​​en Pb2+ mangel. For eksempel, hvis hver anden La3+ erstatter 3 Pb2+, for at opretholde balancen i elprisen, reduceres antallet af kationer ved A-positionen i perovskitstrukturen, og der genereres en A-tomgang. På grund af fraværet af Pb2+ gøres domænebevægelsen let, og selv lille elektrisk feltstyrke eller mekanisk stress kan få domænevæggene til at bevæge sig. 

Som et resultat, en stigning i dielektricitetskonstanten og den elastiske overensstemmelseskoefficient på Pzt piezokeramiske keramiske transducere opstår, og samtidig stiger dielektriske tab og mekaniske tab, og Qm falder. Desuden, eftersom styringen af ​​domænerne er let, øges antallet af domæner orienteret i retning af det elektriske felt, hvorved polariseringen øges, så den piezoelektriske effekt øges kraftigt, hvilket er repræsenteret ved en stigning i Kp-værdien. Da domænets styremodstand bliver lille, er tvangsfeltet til at vende polarisationen for at overvinde modstanden lille, og returlinjen er næsten rektangulær. På grund af fraværet af Pb2+ bufres den interne spænding forårsaget af 90-domænestyringen, så den resterende belastning bliver lille. Med andre ord, da domænevæggene nemt kan flyttes, frigives domænernes indre stress let, så ældningsydelsen er god. 'Bløde' additiver er almindeligt anvendte modificerende additiver.

(b) For eksempel er det accepterende type undervands akustiske transducermateriale ofte doteret med La2O3 og Nb2O5 for at øge Kp-værdien og den dielektriske konstant. Pb0.95Sr0.05(Zr0.52Ti0.48)O3+0.9%La2O3+0.9%Nb2O5, Kp=0.60, ε=2100, Qm=80, god stabilitet, volumenresistivitet 1012 ohm 'blød' additiv Mængden overstiger generelt ikke 5%. b Hård substitutionsmodifikation, den såkaldte 'hårde substitutionsmodifikation' betyder, at tilsætningen af ​​disse additiver kan øge tvangsfeltstyrken EC, og polariseringen bliver vanskelig, så materialeegenskaberne bliver 'hårde' under påvirkning af elektrisk felt eller spænding.

(a) K+, Na+, etc. substituerer A-sted Pb2+ ioner (acceptordoping);

(b) Zr4+- og Ti4+-ioner (acceptor-doteret) substitueret med B ved Fe2+, Co2+, Mn2+ (eller Fe3+, Co3+, Mn3+), Ni2+, Mg2+, Al3+, Cr3+ og lignende.

Egenskaberne for PZT-porcelæn modificeret ved hård substitution har følgende ændringer: Tvangsfeltstyrke EC stiger ↑, mekanisk kvalitetsfaktor Qm stiger ↑; dielektrisk konstant ε falder, dielektrisk tab tan δ falder ↓, elektromekanisk koblingskoefficient KP falder Lille ↓, ældningsmodstanden reduceres, og isolationsresistiviteten ρ reduceres.

Ternær perovskit piezoelektrisk keramik

Ved at ændre Zr/Ti-forholdet og inkorporere en lille mængde additiver, selvom nogle egenskaber kan forbedres, på grund af det bredere og bredere udvalg af piezoelektriske materialer, bliver kravene til materialer højere og højere, og kun binære systemer kan ikke opfylde kravene til brug. Så der er et ternært system. Det såkaldte ternære perovskit piezoelektriske keramiske materiale refererer til en fast opløsning dannet af en sammensat perovskitforbindelse og blyzirkonattitanat.