پارامترهای مواد پیزوالکتریک و معادلات پیزوالکتریک (4)

چهار طبقه بندی مواد پیزوالکتریک
1. اولین نوع از مواد پیزوالکتریک تک کریستال پیزوالکتریک. این یک ماده فروالکتریک تک بلور طبیعی یا مصنوعی با ناهمسانگردی است. اثر پیزوالکتریک آن بر اساس ترکیب ساختار کریستالی است که در اثر تغییر در موقعیت نسبی یون‌های مثبت و منفی روی شبکه ایجاد می‌شود. تک بلورهای پیزوالکتریک متداول استفاده می شود. کوارتز (SiO2): این یک کریستال طبیعی یا مصنوعی (کریستال ساخت بشر) با یکنواختی خوب و نقطه کوری بالا است. امپدانس بالا و Qm مکانیکی بالا (Qm)؛ سختی بالا و مقاومت در برابر سایش خوب؛ عملکرد بسیار پایدار است، پیری بسیار کند و حداقل است، و عملکرد آن با دما تغییر می کند، و ضریب دمای فرکانس خطی که با زمان تغییر نمی کند را می توان به دست آورد. تلفات کوچک است که می تواند برای فرکانس های بسیار بالا استفاده شود. عملکرد عایق خوب است، می تواند تحت ولتاژ بالا استفاده شود؛ که می تواند در محیط های با دمای بالاتر و بسیار پایین استفاده شود. کوارتز به دلیل خواص برتر فراوانی که دارد، امروزه به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد، به ویژه به عنوان یک مبدل استاندارد و به عنوان یک نوسان ساز زمان در تجهیزات کامپیوتری. نقطه ضعف آن این است که راندمان تبدیل الکترومکانیکی پایین است که باعث می شود بهره حلقه سیستم کمتر شود.

لیتیوم نیوبات (LiNbO3): این یک تک بلور فروالکتریک مصنوعی با قطر تا 120 میلی متر است. لیتیوم نیوبات را می توان برای تحریک مستقیم موج عرضی اولتراسونیک با ضریب جفت الکترومکانیکی بالا و عملکرد پیزوالکتریک عالی استفاده کرد. این مقدار Qm بزرگ و نقطه کوری بالایی دارد. می توان آن را در دماهای بالا، با قطبش پایدار و انتشار اولتراسونیک استفاده کرد. تلفات کم است، ریزش نیست و ثابت فرکانس بسیار زیاد است. می توان از آن برای ساخت مبدل های فرکانس فوق العاده بالا استفاده کرد. بنابراین، از آن به عنوان یک ماده اولیه رایج برای مبدل های موج صوتی سطحی استفاده می شود. هنگامی که به عنوان مبدل موج حجمی استفاده می شود، می تواند حساسیت بهتری نسبت به مبدل های سرامیکی پیزوالکتریک معمولی داشته باشد. همچنین برای اندازه گیری ضخامت اولتراسونیک، اندازه گیری باریک و مبدل پالس استفاده می شود. این نیز یک تک کریستال مصنوعی است. خواص مکانیکی خوبی دارد، پردازش آن آسان است، می تواند در آب حل شود، اما به راحتی قابل رقیق شدن نیست، که خواص فیزیکی و شیمیایی نسبتاً پایداری دارد و دارای خواص پیزوالکتریک عالی است. نوار پیزوالکتریک مواد PZT
. ضریب جفت الکترومکانیکی و ثابت دی الکتریک پایین و مقدار Qm بسیار کم است، آنها برای ساخت مبدل های باند پهن با حساسیت بالا و خطوط تاخیر، مانند ساخت اندازه گیری ضخامت اولتراسونیک و مبدل های پالس باریک مناسب هستند. علاوه بر این، سولفات لیتیوم (Li2SO4) با عملکرد دریافت خوب وجود دارد.

3. نوع دوم از مواد پیزوالکتریک، سرامیک پیزوالکتریک. این یک ماده فروالکتریک پلی کریستالی است که با پخت دستی روش تف جوشی پودر ساخته می شود. اثر پیزوالکتریک بر اساس اثر الکترواستریکتیو است و خواص پیزوالکتریک آن با پخت تغییر می کند. در ساخت و ترکیبات فرمولاسیون تفاوت هایی وجود دارد، بنابراین انواع و عملکردهای متفاوتی وجود دارد. به عنوان مثال: آسیاب کردن مواد تا مش 400، افزودن یک کلاسور، پرس کردن، پختن در دمای بالا، و سپس اره کردن، آسیاب کردن و پرداخت به یک ویفر سرامیکی پیزوالکتریک تمام شده. سرامیک های پیزوالکتریک به راحتی به اشکال مختلف ساخته می شوند و می توان آنها را در حالت های مختلف ارتعاشی برای تطبیق با کاربردهای مختلف ارتعاش داد. دارای ضریب کوپلینگ الکترومکانیکی بالا، بهره حلقه بالا و حساسیت است که از مزایای مهم آن می باشد. سرامیک های پیزوالکتریک پرکاربرد عبارتند از: تیتانات باریم (BaTiO3): این مخلوطی از دی اکسید تیتانیوم (TiO2) و کربنات باریم (BaCO3) است که در دمای بالا پخته شده است. این یک سرامیک پیزوالکتریک قبلی است، دمای کوری آن پایین است، وابستگی به دما زیاد است، و پایداری زمانی و پایداری حرارتی ضعیف است. اکنون هنوز برای رادیاتورهای سونار و مبدل های اولتراسونیک استفاده می شود. تیتانات زیرکونات سرب، کد PZT، فرمول ها و ویژگی های مختلفی دارد و در حال حاضر رایج ترین سرامیک پیزوالکتریک است.

ویژگی اصلی سری PZT کریستال صفحه پیزوالکتریک ضریب کوپلینگ الکترومکانیکی بالا است که PZT-4 یک نوع انتقال است و ویژگی های تحریک بالای آن خوب است (مقدار Qm بالا، تلفات داخلی کوچک و غیره) که برای رادیاتورهای سونار و مبدل های اولتراسونیک مناسب است. ، ژنراتور ولتاژ بالا و مبدل قدرت بالا. PZT-5 یک نوع گیرنده است. دارای ثابت دی الکتریک بالا، پیری کم و مقدار Qm پایین است. برای هیدروفون ها، مبدل های اولتراسونیک، پخش کننده های ضبط، میکروفون ها و قطعات بلندگو مناسب است. همچنین برای تشخیص نوع پالس پهن باند و غیره مناسب است. علاوه بر این: PZT-2، PZT-5A، PZT-5H، PZT-6A، PZT-7A، PZT-8 ... و غیره.

روی سرب نیوبیوم دارای ضریب جفت الکترومکانیکی بالایی از ارتعاش شعاعی و مقدار Qm کم است (افزودن مقداری MnO2 یا NiO2 می تواند Qm را تا 200 افزایش دهد)، پایداری دمایی بالاتر، مناسب برای مواد فیلتر وجود دارد. سری کبالتات نیوبیوم سرب: ضرایب کوپلینگ الکترومکانیکی ارتعاش شعاعی آن Kp و Qm نسبتاً بالا است، که می تواند به عنوان ویبراتور و ترانسفورماتور اولتراسونیک، فیلتر، پیکاپ و غیره استفاده شود. نوسان ساز آنتیمونات نیوبیوم سرب: ارزش Kp بالا، پایداری خوب، مقدار Qm بزرگ و ضریب دمای فرکانس کوچک. سیستم منگنز آنتیموان سرب: Kp دارای محدوده تنظیم بزرگ، مقدار Qm بالا، تلفات دی الکتریک کوچک و پایداری خوب است. منگنز تنگستن سرب: ولتاژ شکست بسیار بالا، مقدار Qm زیاد، مقدار Kp زیاد، و پایداری دمایی خوب در فرکانس تشدید.

سیستم نیوبات سرب: ثابت دی الکتریک بزرگ، Kp متوسط ​​است و ویژگی های فرکانس صدا خوب است. سیستم کادمیوم تنگستن سرب دارای دمای خوب و ثبات زمانی فرکانس است. تلورات منیزیم سرب. این می تواند فشار مکرر را تحمل کند و از نظر خواص الکتریکی و مکانیکی پیری کمی دارد. علاوه بر این، آنتی مونات لیتیوم سرب و تانتالات لیتیوم سرب وجود دارد که پایداری خوب و مقادیر Qm پایینی دارند و برای مبدل آکوستیک زیر آب مناسب هستند. علاوه بر سرامیک های پیزو سه تایی، سرامیک های پیزو چهارتایی از نیوبیم نیکل-نیوبیم روی-تیتانیوم-سرب زیرکونات توسعه یافته اند.

نوع سوم مواد پیزوالکتریک-مواد پیزوالکتریک پلیمری قطبی. این یک پلیمر نیمه کریستالی جدید سنتز شده مصنوعی با اثر پیزوالکتریک است که پلیمر قطبی نامیده می شود و اثر پیزوالکتریک آن بر اساس یک پلیمر قطبی است. چرخش مولکولی در حال حاضر با پلی وینیلیدین فلوراید (PVDF) بهترین است. PVDF (-CH2-CF2-) یکی از قطبی ترین پلیمرها است. فیلم PVDF تا چندین برابر طول اصلی خود در دمای زیر 100 درجه سانتیگراد کشیده می شود تا یک فیلم از نوع β (شکل کریستالی PVDF) بدست آید که با یک الکترود (معمولاً آلومینیومی) اعمال می شود و در میدان الکتریکی DC بالا قطبی می شود (دمای 80-150 درجه سانتیگراد است) ، عملکرد پیزوئل مناسبی را دریافت می کند ، عملکرد آکتیکی خوبی را دریافت می کند. پایداری حرارتی، علاوه بر این، مواد را می توان خم کرد، امپدانس صوتی کوچک است و به خوبی با آب مطابقت دارد، به ویژه برای هیدروفون ها و مبدل ها برای آزمایش میدان صوتی تشخیصی اولتراسوند پزشکی مناسب است. معایب مواد فیلم پیزوالکتریک این است که نسبت سیگنال به نویز ایده آل نیست، ضریب جفت الکترومکانیکی به اندازه کافی بزرگ نیست و تلفات مکانیکی و دی الکتریک نسبتاً زیاد است. علاوه بر این، به دلیل کوچک بودن فاکتور کیفیت (Qm, Qe) برای مکان هایی که نیاز به رزونانس تیز است و همچنین برای ورودی های زیاد و کار مداوم مناسب نیست، زیرا اثر پیزوالکتریک آن هنگام استفاده طولانی مدت در دمای بالای 80 درجه سانتی گراد کاهش می یابد. علاوه بر این، مواد پیزوالکتریک پلیمری قطبی شامل پلی فلوئورواتیلن (PVF2) و موارد مشابه است.

نوع چهارم مواد پیزوالکتریک - مواد پیزوالکتریک کامپوزیت و فیلم پیزوالکتریک اکسید روی. مواد پیزوالکتریک مرکب صفحه برداشت انرژی از ذرات سرامیکی فروالکتریک پراکنده و مخلوط در مواد پلیمری تشکیل شده است. مانند مواد الکتریکی، خواص پیزوالکتریک آنها نه تنها به ذرات سرامیکی، بلکه به نوع مواد پلیمری مورد استفاده به عنوان ماتریس، به ویژه سیستم های کامپوزیتی با پلیمرهای با گذردهی بالا مانند PVDF و وینیلیدین فلوراید بستگی دارد. ، می تواند به عنوان مواد پیزوالکتریک قوی استفاده شود. این ماده پیزوالکتریک مانند سایر اجسام پیزوالکتریک پلیمری نیازی به کشش ندارد و در داخل همسانگرد است. با تغییر نوع پلیمر ماتریسی می توان دامنه وسیعی از مدول الاستیک را بدست آورد. به طور خاص، می توان آن را فشرده و کاربردی کرد. بسیار راحت به عنوان مثال، مواد کامپوزیت سری PVDF و PZT دارای خواص پیزوالکتریک و خواص دی الکتریک بسیار پایدار هستند. این مواد به مرحله عملی رسیده اند و در کاربرد مشابه مواد پلیمری پیزوالکتریک هستند.

فیلم پیزوالکتریک اکسید روی (ZnO) (ساخته شده توسط فرآیند پاشش خلاء) برای تولید و دریافت مبدل های فرکانس اولتراسونیک با فرکانس بالا استفاده می شود. در باند فرکانسی 30-3000 مگاهرتز قابل استفاده است و تاثیر خوبی دارد. می توان از آن برای مطالعه خواص مواد، خط تاخیر اولتراسونیک، دستگاه آکوستو-اپتیک، ارتباطات و پردازش اطلاعات، و میکروسکوپ اولتراسونیک و غیره با پهنای باند فرکانس، راندمان تبدیل الکتروآکوستیک خوب و تطبیق آسان با مدار تحریک استفاده کرد. علاوه بر این، سولفید کادمیوم (CdS)، نیترید آلومینیوم (AlN) و غیره نیز مواد لایه نازک پیزوالکتریک خوبی هستند.