Parametre for piezoelektriske materialer og piezoelektriske ligninger (4)

Fire. Klassificering af piezoelektriske materialer
1. Den første type piezoelektrisk materiale piezoelektrisk enkeltkrystal. Dette er et naturligt forekommende eller kunstigt ferroelektrisk enkeltkrystalmateriale med anisotropi. Dens piezoelektriske effekt er baseret på sammensætningen af ​​krystalstrukturen forårsaget af ændringer i den relative position af de positive og negative ioner på gitteret. Almindeligt anvendte piezoelektriske enkeltkrystaller .Kvarts (SiO2): Dette er en naturligt dannet eller kunstigt dyrket (menneskeskabt krystal) krystal med god ensartethed og højt curiepunkt; høj impedans og høj mekanisk Q (Qm); høj hårdhed og god slidstyrke; Ydeevnen er ekstremt stabil, ældningen er ekstremt langsom og minimal, og dens ydeevne ændres med temperaturen er meget lille, og den lineære frekvenstemperaturkoefficient, der ikke ændrer sig med tiden, kan opnås; tabet er lille, hvilket kan bruges til ekstremt høje frekvenser; isoleringsydelsen er god, den kan være høj under spænding; som kan bruges i miljøer med højere og ekstremt lave temperaturer. På grund af dets mange overlegne egenskaber er kvarts stadig meget udbredt i dag, især som en standardtransducer og som tidsoscillator i computerudstyr. Dens ulempe er, at den elektromekaniske konverteringseffektivitet er lav, hvilket gør systemløkkens forstærkning lavere.

Lithium Niobate (LiNbO3): Dette er en kunstigt dyrket ferroelektrisk enkeltkrystal med en diameter på op til 120 mm. Lithiumniobat kan bruges til direkte at excitere den transversale ultralydsbølge med høj elektromekanisk koblingskoefficient og fremragende piezoelektrisk ydeevne. Den har en stor Qm-værdi og et højt curie-punkt. Den kan bruges ved høje temperaturer med stabil polarisering og ultralydsudbredelse. Tabet er lille, det er ikke udflydende, og frekvenskonstanten er meget stor. Det kan bruges til at lave ultra-højfrekvente transducere. Derfor er det blevet brugt som et almindeligt grundmateriale til overfladetransducere til akustiske bølger. Når den bruges som volumenbølgetransducer, kan den opnå bedre følsomhed end almindelige piezoelektriske keramiske transducere. Det bruges også til ultralydstykkelsesmåling, smal måling og pulstransducer. Dette er også en kunstig enkelt krystal. Det har gode mekaniske egenskaber, er let at behandle, kan opløses i vand, men er ikke let at fjerne, som har relativt stabile fysiske og kemiske egenskaber og har fremragende piezoelektriske egenskaber. PZT materiale piezoelektrisk strimmel
. Den elektromekaniske koblingskoefficient og lave dielektriske konstant, og Qm-værdien er ret lav, de er velegnede til at lave højfølsomme, højopløselige bredbåndstransducere og forsinkelseslinjer, såsom at lave ultralydstykkelsesmåling og smalle pulstransducere. Derudover er der lithiumsulfat (Li2SO4) med god modtageevne.

3. Den anden type piezoelektrisk materiale piezoelektrisk keramik. Dette er et polykrystallinsk ferroelektrisk materiale fremstillet ved manuel brænding af pulversintringsmetode. Den piezoelektriske effekt er baseret på den elektrostriktive effekt, og dens piezoelektriske egenskaber ændres med sintring. Der er forskelle i håndværket og formuleringsingredienserne, så der er mange typer og forskellige ydelser. For eksempel: slibning af materialet til 400 mesh, tilsætning af et bindemiddel, presning, bagning ved høj temperatur og derefter savning, slibning og polering til en færdig piezoelektrisk keramisk wafer. Piezoelektrisk keramik er let at lave i forskellige former og kan vibreres i en række forskellige vibrationstilstande for at tilpasse sig forskellige anvendelser. Den har høj elektromekanisk koblingskoefficient, høj sløjfeforstærkning og følsomhed, hvilket er dens vigtige fordele. Almindeligt anvendte piezoelektriske keramik er: Bariumtitanat (BaTiO3): Dette er en blanding af titaniumdioxid (TiO2) og bariumcarbonat (BaCO3) sintret ved høj temperatur. Dette er en tidligere piezoelektrisk keramik, dens curie-temperatur er lav, temperaturafhængigheden er stor, og tidsstabiliteten og den termiske stabilitet er dårlig. Nu bruges den stadig til sonarradiatorer og ultralydstransducere. Blyzirkonattitanat, kode PZT, har en række forskellige formler og egenskaber og er i øjeblikket den mest almindeligt anvendte piezoelektriske keramik.

Hovedtræk ved PZT-serien piezoelektrisk pladekrystal er den høje elektromekaniske koblingskoefficient, hvoraf PZT-4 er en transmissionstype, og dens høje excitationsegenskaber er gode (høj Qm-værdi, lille internt tab osv.), som er velegnet til sonarradiatorer og ultralydstransducere. , Højspændingsgenerator og højeffekttransducer. PZT-5 er en modtagertype. Den har høj dielektrisk konstant, lav aldring og lav Qm-værdi. Den er velegnet til hydrofoner, ultralydstransducere, pladespillere, mikrofoner og højttalerkomponenter. Den er også velegnet til detektering af bredbåndspulstyper osv. Derudover: PZT-2, PZT-5A, PZT-5H, PZT-6A, PZT-7A, PZT-8 ... og så videre.

Blyniobiumzinkat har høj elektromekanisk koblingskoefficient for radial vibration og lav Qm-værdi (tilsætning af noget MnO2 eller NiO2 kan øge Qm til 200), der er en højere temperaturstabilitet, velegnet til filtermaterialer. Bly niobium cobaltate serien: dens radiale vibration elektromekaniske koblingskoefficienter Kp og Qm er relativt høje, som kan bruges som ultralydsvibratorer og transformere, filtre, pickups, etc. Bly niobium manganat: høj Qm værdi, god tidsstabilitet, lav dielektrisk konstant, medium elektromekanisk koblingskoefficient Kp, egnet til filtervibrationskoefficient Kp. Blyniobiumantimonat: høj Kp-værdi, god stabilitet, stor Qm-værdi og lav frekvenstemperaturkoefficient. Bly antimon mangan system: Kp har et stort justeringsområde, en høj Qm værdi, lille dielektrisk tab og god stabilitet. Bly Tungsten Mangan: Ekstremt høj gennembrudsspænding, stor Qm-værdi, stor Kp-værdi og god temperaturstabilitet ved resonansfrekvens.

Blyniobatsystem: Dielektrisk konstant er stor, Kp er medium, og lydfrekvensegenskaberne er gode. Bly wolfram cadmium system er god temperatur og tidsstabilitet af frekvens. Bly Magnesium Tellurat. Det kan modstå gentagne tryk og har lav ældning af elektriske og mekaniske egenskaber. Derudover er der bly lithium antimonat og bly lithium tantalat, som har god stabilitet og lave Qm værdier, og er velegnet til undervands akustik transducer. Ud over ternær piezo-keramik er der udviklet kvaternær piezo-keramik af niobium nikkel-niobium zink-titanium-bly zirconate.

Den tredje type af piezoelektrisk materiale-polært polymer piezoelektrisk materiale. Dette er en ny kunstigt syntetiseret semi-krystallinsk polymer med en piezoelektrisk effekt, kaldet en polær polymer, og dens piezoelektriske effekt er baseret på en polær polymer. Den molekylære rotation er i øjeblikket bedst med polyvinylidenfluorid (PVDF). PVDF (-CH2-CF2-) er en af ​​de mest polære polymerer. PVDF-filmen strækkes til flere gange sin oprindelige længde ved en temperatur under 100 °C for at opnå en β-type (en krystallinsk form af PVDF) film, som påføres med en elektrode (normalt aluminium) og polariseres i et elektrisk jævnstrømsfelt (temperaturen er 80-150 ℃), vil opnå en piezoelektrisk ydelse, da den har en effektiv modtageevne, stabilitet, desuden kan materialet bøjes, den akustiske impedans er lille, og den passer godt til vand, specielt velegnet til hydrofoner og transducere til medicinsk ultralydsdiagnostisk lydfelttest. Ulemperne ved piezoelektriske filmmaterialer er, at signal-til-støj-forholdet ikke er ideelt, den elektromekaniske koblingskoefficient er ikke stor nok, og de mekaniske og dielektriske tab er relativt store. Desuden, fordi kvalitetsfaktoren (Qm, Qe) er lille, er den ikke egnet til steder, hvor der kræves skarp resonans, og heller ikke til store input og kontinuerligt arbejde, fordi dens piezoelektriske effekt, når den bruges i lang tid ved en temperatur over 80 ° C, falder. Derudover inkluderer polære polymere piezoelektriske materialer polyfluorethylen (PVF2) og lignende.

Den fjerde type piezoelektrisk materiale - sammensat piezoelektrisk materiale og zinkoxid piezoelektrisk film. Komposit piezoelektrisk materiale energihøstplade er sammensat af ferroelektriske keramiske partikler dispergeret og blandet i polymermaterialer. Ligesom elektriske materialer afhænger deres piezoelektriske egenskaber ikke kun af de keramiske partikler, men også af typen af ​​polymermaterialer, der anvendes som matrix, især kompositsystemer med højpermittive polymerer såsom PVDF og vinylidenfluorid. , Kan bruges som stærke piezoelektriske materialer. Dette piezoelektriske materiale behøver ikke at blive strækket som andre piezoelektriske polymerlegemer og er isotropt indvendigt. Med ændringen af ​​matrixpolymertypen kan der opnås et stort elasticitetsmodul. Især kan den være varmpresset og praktisk. meget praktisk. For eksempel har kompositmaterialerne i PVDF- og PZT-serien meget stabile piezoelektriske egenskaber og dielektriske egenskaber. Disse materialer har nået den praktiske fase og ligner piezoelektriske polymermaterialer i anvendelse.

Zinkoxid (ZnO) piezoelektrisk film (fremstillet ved vakuumsprøjteproces) bruges til ultra-højfrekvent ultralydsgenerering og -modtagelse af transducere. Den kan bruges i 30-3000 MHz frekvensbåndet og har en god effekt. Det kan bruges til undersøgelse af materialeegenskaber, ultralydsforsinkelseslinje, akusto-optisk enhed, kommunikations- og informationsbehandling og ultralydsmikroskop osv., med frekvensbåndbredde, god elektroakustisk konverteringseffektivitet og let matchning med excitationskredsløbet. Derudover er cadmiumsulfid (CdS), aluminiumnitrid (AlN) osv. også gode piezoelektriske tyndfilmsmaterialer.