Pietsosähköisten materiaalien parametrit ja pietsosähköiset yhtälöt (4)

Neljä. Pietsosähköisten materiaalien luokittelu
1. Ensimmäinen pietsosähköisten materiaalien tyyppi pietsosähköinen yksikide. Tämä on luonnossa esiintyvä tai keinotekoinen yksikiteinen ferrosähköinen materiaali, jolla on anisotropia. Sen pietsosähköinen vaikutus perustuu kiderakenteen koostumukseen, joka johtuu positiivisten ja negatiivisten ionien suhteellisesta sijainnista hilassa. Yleisesti käytetyt pietsosähköiset yksittäiskiteet. Kvartsi (SiO2): Tämä on luonnollisesti muodostunut tai keinotekoisesti viljelty (keinotekoinen kide) kide, jolla on hyvä tasaisuus ja korkea curie-piste; korkea impedanssi ja korkea mekaaninen Q (Qm); korkea kovuus ja hyvä kulutuskestävyys; Suorituskyky on äärimmäisen vakaa, vanheneminen on erittäin hidasta ja vähäistä, ja sen suorituskyvyn muutokset lämpötilan mukaan ovat hyvin pieniä, ja voidaan saada lineaarinen taajuuslämpötilakerroin, joka ei muutu ajan myötä; häviö on pieni, jota voidaan käyttää erittäin korkeilla taajuuksilla; eristyskyky on hyvä, sitä voidaan käyttää korkealla jännitteellä; jota voidaan käyttää korkeammissa ja erittäin matalissa lämpötiloissa. Monien erinomaisten ominaisuuksiensa vuoksi kvartsia käytetään edelleen laajalti, erityisesti standardimuuntimena ja aikaoskillaattorina tietokonelaitteissa. Sen haittana on, että sähkömekaaninen muunnostehokkuus on alhainen, mikä pienentää järjestelmäsilmukan vahvistusta.

Litiumniobaatti (LiNbO3): Tämä on keinotekoisesti kasvatettu ferrosähköinen yksikidekide, jonka halkaisija on jopa 120 mm. Litiumniobaattia voidaan käyttää suoraan herättämään ultraäänen poikittaisaalto korkealla sähkömekaanisella kytkentäkertoimella ja erinomaisella pietsosähköisellä suorituskyvyllä. Sillä on suuri Qm-arvo ja korkea curie-piste. Sitä voidaan käyttää korkeissa lämpötiloissa vakaalla polarisaatiolla ja ultraäänen leviämisellä. Häviö on pieni, se ei ole liukenevaa ja taajuusvakio on erittäin suuri. Siitä voidaan valmistaa ultrakorkeataajuisia muuntimia. Sen vuoksi sitä on käytetty yleisenä pinta-akustisten aaltoanturien perusmateriaalina. Kun sitä käytetään tilavuusaaltomuuntimena, se voi saada paremman herkkyyden kuin tavalliset pietsosähköiset keraamiset muuntimet. Sitä käytetään myös ultraäänipaksuuden mittaukseen, kapeaan mittaukseen ja pulssianturiin. Tämä on myös keinotekoinen yksikide. Sillä on hyvät mekaaniset ominaisuudet, sitä on helppo käsitellä, se voidaan liuottaa veteen, mutta sitä ei ole helppo vetistää, jolla on suhteellisen vakaat fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet ja erinomaiset pietsosähköiset ominaisuudet. PZT materiaali pietsosähköinen nauha
. Sähkömekaaninen kytkentäkerroin ja alhainen dielektrisyysvakio sekä Qm-arvo ovat melko alhaiset, ne soveltuvat erittäin herkkien, korkearesoluutioisten laajakaistaanturien ja viivelinjojen valmistukseen, kuten ultraäänipaksuusmittauksen ja kapeiden pulssianturien valmistukseen. Lisäksi siinä on litiumsulfaattia (Li2SO4), jolla on hyvä vastaanottokyky.

3. Toisen tyyppinen pietsosähköinen materiaali pietsosähköinen keramiikka. Tämä on monikiteinen ferrosähköinen materiaali, joka on valmistettu jauhesintrausmenetelmällä polttamalla käsin. Pietsosähköinen vaikutus perustuu sähköstriktiiviseen vaikutukseen, ja sen pietsosähköiset ominaisuudet muuttuvat sintraamisen myötä. Käsityötaidon ja koostumuksen ainesosissa on eroja, joten tyyppejä ja suorituskykyjä on monia. Esimerkiksi: materiaalin jauhaminen 400 meshin kokoon, sideaineen lisääminen, puristus, paistaminen korkeassa lämpötilassa ja sitten sahaus, hionta ja kiillotus valmiiksi pietsosähköiseksi keraamiseksi kiekoksi. Pietsosähköisestä keramiikasta on helppo valmistaa erilaisia ​​muotoja, ja niitä voidaan täryttää erilaisilla tärinätiloilla sopeutuakseen erilaisiin käyttötarkoituksiin. Siinä on korkea sähkömekaaninen kytkentäkerroin, korkea silmukkavahvistus ja herkkyys, jotka ovat sen tärkeitä etuja. Yleisesti käytettyjä pietsosähköisiä keramiikkaa ovat: Bariumtitanaatti (BaTiO3): Tämä on korkeassa lämpötilassa sintratun titaanidioksidin (TiO2) ja bariumkarbonaatin (BaCO3) seos. Tämä on aikaisempi pietsosähköinen keramiikka, sen curie-lämpötila on alhainen, lämpötilariippuvuus on suuri ja aikastabiilisuus ja lämpöstabiilisuus ovat huonoja. Nyt sitä käytetään edelleen kaikuluotaimissa ja ultraääniantureissa. Lyijyzirkonaattititanaatilla, koodi PZT, on useita kaavoja ja ominaisuuksia, ja se on tällä hetkellä yleisimmin käytetty pietsosähköinen keramiikka.

PZT-sarjan pääominaisuus pietsosähköinen levykide on korkea sähkömekaaninen kytkentäkerroin, josta PZT-4 on siirtotyyppi, ja sen korkeat viritysominaisuudet ovat hyvät (korkea Qm-arvo, pieni sisäinen häviö jne.), joka sopii kaikuluotaimille ja ultraäänimuuntimille. , Korkeajännitegeneraattori ja suurtehomuunnin. PZT-5 on vastaanotintyyppi. Sillä on korkea dielektrisyysvakio, alhainen ikääntyminen ja alhainen Qm-arvo. Se sopii hydrofoneille, ultraääniantureille, levysoittimille, mikrofoneille ja kaiutinkomponenteille. Se soveltuu myös laajakaistaisen pulssityypin havaitsemiseen jne. Lisäksi: PZT-2, PZT-5A, PZT-5H, PZT-6A, PZT-7A, PZT-8 ... ja niin edelleen.

Lyijyniobiumsinkaatilla on korkea säteittäisen värähtelyn sähkömekaaninen kytkentäkerroin ja alhainen Qm-arvo (joiden MnO2:n tai NiO2:n lisääminen voi nostaa Qm:n 200:aan), sillä on korkeampi lämpötilastabiilisuus, joka sopii suodatinmateriaaleille. Lyijyniobium-koboltaattisarja: sen säteittäisen värähtelyn sähkömekaaniset kytkentäkertoimet Kp ja Qm ovat suhteellisen korkeat, joita voidaan käyttää ultraäänivärähtelijöinä ja -muuntajina, suodattimina, antureina jne. Lyijyniobiummanganaatti: korkea Qm-arvo, hyvä aikastabiilius, alhainen dielektrisyysvakio, sopiva suodattimen värähtelyviive ja säteittäisen linjan Kp sähkömekaaninen kytkentä oskillaattori. Lyijyniobiumantimonaatti: korkea Kp-arvo, hyvä stabiilisuus, suuri Qm-arvo ja pieni taajuuslämpötilakerroin. Lyijyantimonimangaanijärjestelmä: Kp:llä on suuri säätöalue, korkea Qm-arvo, pieni dielektrinen häviö ja hyvä vakaus. Lyijyvolframi-mangaani: Erittäin korkea läpilyöntijännite, suuri Qm-arvo, suuri Kp-arvo ja hyvä lämpötilan stabiilisuus resonanssitaajuudella.

Lyijyniobaattijärjestelmä: Dielektrisyysvakio on suuri, Kp on keskimääräinen ja äänitaajuusominaisuudet ovat hyvät. Lyijy-volframikadmiumjärjestelmä on hyvä lämpötilan ja taajuuden aikavakaus. Lyijy magnesium Telluraatti. Se kestää toistuvaa painetta, ja sillä on alhainen sähköisten ja mekaanisten ominaisuuksien vanheneminen. Lisäksi on lyijylitiumantimonaattia ja lyijylitiumtantalaattia, joilla on hyvä stabiilisuus ja alhaiset Qm-arvot ja jotka soveltuvat vedenalaiseen akustiikkaan. Kolmikomponentin pietsokeramiikan lisäksi on kehitetty kvaternääristä pietsokeramiikkaa niobiumnikkeli-niobisinkki-titaani-lyijyzirkonaatista.

Kolmas tyyppi pietsosähköistä materiaalia-polaarinen polymeeri pietsosähköinen materiaali. Tämä on uusi keinotekoisesti syntetisoitu puolikiteinen polymeeri, jolla on pietsosähköinen vaikutus, jota kutsutaan polaariseksi polymeeriksi, ja sen pietsosähköinen vaikutus perustuu polaariseen polymeeriin. Molekyylikierto on tällä hetkellä paras polyvinylideenifluoridilla (PVDF). PVDF (-CH2-CF2-) on yksi polaarisimpia polymeerejä. PVDF-kalvoa venytetään useita kertoja alkuperäiseen pituuteensa alle 100 °C:n lämpötilassa, jotta saadaan β-tyyppinen (PVDF:n kiteinen muoto) kalvo, joka levitetään elektrodilla (yleensä alumiinilla) ja polarisoidaan korkeassa tasavirtasähkökentässä (lämpötila on 80-150 ℃). Lisäksi materiaalia voidaan taivuttaa, akustinen impedanssi on pieni ja se sopii hyvin veteen, sopii erityisesti hydrofoneihin ja muuntimiin lääketieteelliseen ultraäänidiagnostiseen äänikenttätestaukseen. Pietsosähköisten kalvomateriaalien haittoja ovat, että signaali-kohinasuhde ei ole ihanteellinen, sähkömekaaninen kytkentäkerroin ei ole riittävän suuri ja mekaaniset ja dielektriset häviöt ovat suhteellisen suuret. Lisäksi, koska laatutekijä (Qm, Qe) on pieni, se ei sovellu paikkoihin, joissa tarvitaan terävää resonanssia, eikä suuriin syöttöihin ja jatkuvaan työhön, koska sen pietsosähköinen vaikutus pitkäaikaisessa käytössä yli 80 °C:n lämpötilassa laskee. Lisäksi polaarisia polymeeripietsosähköisiä materiaaleja ovat polyfluorieteeni (PVF2) ja vastaavat.

Neljäs pietsosähköisten materiaalien tyyppi - pietsosähköinen komposiittimateriaali ja sinkkioksidipietsosähköinen kalvo. Pietsosähköinen komposiittimateriaali energiankeruulevy koostuu ferrosähköisistä keraamisista hiukkasista, jotka on dispergoitu ja sekoitettu polymeerimateriaaleihin. Kuten sähkömateriaalit, niiden pietsosähköiset ominaisuudet eivät riipu pelkästään keraamisista hiukkasista, vaan myös matriisina käytetyistä polymeerimateriaalien tyypistä, erityisesti komposiittijärjestelmistä, joissa on korkean permittiivisyyden polymeerejä, kuten PVDF ja vinylideenifluoridi. , Voidaan käyttää vahvoina pietsosähköisinä materiaaleina. Tätä pietsosähköistä materiaalia ei tarvitse venyttää muiden polymeeristen pietsosähköisten kappaleiden tapaan, ja se on isotrooppista sisältä. Matriisipolymeerityypin muutoksella voidaan saavuttaa suuri valikoima kimmomoduulia. Erityisesti se voi olla kuumapuristettu ja käytännöllinen. erittäin kätevä. Esimerkiksi PVDF- ja PZT-sarjojen komposiittimateriaaleilla on erittäin vakaat pietsosähköiset ominaisuudet ja dielektriset ominaisuudet. Nämä materiaalit ovat saavuttaneet käytännön vaiheen ja ovat samanlaisia ​​kuin pietsosähköiset polymeerimateriaalit sovelluksessa.

Sinkkioksidin (ZnO) pietsosähköistä kalvoa (valmistettu tyhjiöruiskutusprosessilla) käytetään ultrakorkeataajuisen ultraäänimuuntimen luomiseen ja vastaanottamiseen. Sitä voidaan käyttää 30-3000 MHz taajuusalueella ja sillä on hyvä vaikutus. Sitä voidaan käyttää materiaalien ominaisuuksien, ultraääniviivelinjan, akusto-optisen laitteen, viestintä- ja tiedonkäsittelyn sekä ultraäänimikroskoopin jne. tutkimukseen, jolla on taajuuskaistanleveys, hyvä sähköakustinen muunnostehokkuus ja helppo sovittaa virityspiiriin. Lisäksi kadmiumsulfidi (CdS), alumiininitridi (AlN) jne. ovat myös hyviä pietsosähköisiä ohutkalvomateriaaleja.