पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री के पैरामीटर और पीजोइलेक्ट्रिक समीकरण (4)

चार. पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री का वर्गीकरण
1. पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री का पहला प्रकार पीजोइलेक्ट्रिक सिंगल क्रिस्टल। यह अनिसोट्रॉपी के साथ प्राकृतिक रूप से पाया जाने वाला या कृत्रिम सिंगल क्रिस्टल फेरोइलेक्ट्रिक सामग्री है। इसका पीज़ोइलेक्ट्रिक प्रभाव क्रिस्टल संरचना की संरचना पर आधारित होता है जो जाली पर सकारात्मक और नकारात्मक आयनों की सापेक्ष स्थिति में परिवर्तन के कारण होता है। आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले पीज़ोइलेक्ट्रिक सिंगल क्रिस्टल। क्वार्ट्ज (SiO2): यह एक प्राकृतिक रूप से निर्मित या कृत्रिम रूप से संवर्धित (मानव निर्मित क्रिस्टल) क्रिस्टल है जिसमें अच्छी एकरूपता और उच्च क्यूरी बिंदु होता है; उच्च प्रतिबाधा और उच्च यांत्रिक Q (Qm); उच्च कठोरता और अच्छा पहनने का प्रतिरोध; प्रदर्शन बेहद स्थिर है, उम्र बढ़ने बेहद धीमी और न्यूनतम है, और तापमान के साथ इसका प्रदर्शन बदलता है बहुत छोटा है, और रैखिक आवृत्ति तापमान गुणांक जो समय के साथ नहीं बदलता है प्राप्त किया जा सकता है; हानि छोटी है, जिसका उपयोग अत्यधिक उच्च आवृत्तियों के लिए किया जा सकता है; इन्सुलेशन प्रदर्शन अच्छा है, यह वोल्टेज के तहत उच्च उपयोग हो सकता है; जिसका उपयोग उच्च और बेहद कम तापमान वाले वातावरण में किया जा सकता है। अपने कई बेहतर गुणों के कारण, क्वार्ट्ज का आज भी व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, विशेष रूप से एक मानक ट्रांसड्यूसर के रूप में और कंप्यूटर उपकरण में एक समय थरथरानवाला के रूप में। इसका नुकसान यह है कि इलेक्ट्रोमैकेनिकल रूपांतरण दक्षता कम है, जिससे सिस्टम लूप का लाभ कम हो जाता है।

लिथियम नाइओबेट (LiNbO3): यह एक कृत्रिम रूप से विकसित फेरोइलेक्ट्रिक सिंगल क्रिस्टल है जिसका व्यास 120 मिमी तक है। लिथियम नाइओबेट का उपयोग उच्च इलेक्ट्रोमैकेनिकल युग्मन गुणांक और उत्कृष्ट पीजोइलेक्ट्रिक प्रदर्शन के साथ अल्ट्रासोनिक अनुप्रस्थ तरंग को सीधे उत्तेजित करने के लिए किया जा सकता है। इसमें एक बड़ा Qm मान और एक उच्च क्यूरी बिंदु है। इसका उपयोग स्थिर ध्रुवीकरण और अल्ट्रासोनिक प्रसार के साथ उच्च तापमान पर किया जा सकता है। हानि छोटी है, यह द्रवित नहीं है, और आवृत्ति स्थिरांक बहुत बड़ा है। इसका उपयोग अल्ट्रा-उच्च आवृत्ति ट्रांसड्यूसर बनाने के लिए किया जा सकता है। इसलिए, इसका उपयोग सतह ध्वनिक तरंग ट्रांसड्यूसर के लिए एक सामान्य बुनियादी सामग्री के रूप में किया गया है। जब वॉल्यूम वेव ट्रांसड्यूसर के रूप में उपयोग किया जाता है, तो यह सामान्य पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक ट्रांसड्यूसर की तुलना में बेहतर संवेदनशीलता प्राप्त कर सकता है। इसका उपयोग अल्ट्रासोनिक मोटाई माप, संकीर्ण माप और पल्स ट्रांसड्यूसर के लिए भी किया जाता है। यह भी एक कृत्रिम एकल क्रिस्टल है। इसमें अच्छे यांत्रिक गुण हैं, इसे संसाधित करना आसान है, इसे पानी में घोला जा सकता है लेकिन इसे पिघलाना आसान नहीं है, इसमें अपेक्षाकृत स्थिर भौतिक और रासायनिक गुण हैं, और इसमें उत्कृष्ट पीजोइलेक्ट्रिक गुण हैं PZT सामग्री पीजोइलेक्ट्रिक पट्टी
। इलेक्ट्रोमैकेनिकल युग्मन गुणांक और कम ढांकता हुआ स्थिरांक, और क्यूएम मान काफी कम हैं, वे उच्च-संवेदनशीलता, उच्च-रिज़ॉल्यूशन ब्रॉडबैंड ट्रांसड्यूसर और देरी लाइनें बनाने के लिए उपयुक्त हैं, जैसे अल्ट्रासोनिक मोटाई माप और संकीर्ण पल्स ट्रांसड्यूसर बनाना। इसके अलावा, इसमें अच्छे प्राप्त प्रदर्शन के साथ लिथियम सल्फेट (Li2SO4) है।

3. दूसरे प्रकार की पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक। यह एक पॉलीक्रिस्टलाइन फेरोइलेक्ट्रिक सामग्री है जो पाउडर सिंटरिंग विधि की मैन्युअल फायरिंग द्वारा बनाई जाती है। पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव इलेक्ट्रोस्ट्रिक्टिव प्रभाव पर आधारित होता है, और इसके पीजोइलेक्ट्रिक गुण सिंटरिंग के साथ बदलते हैं। शिल्प कौशल और निर्माण सामग्री में अंतर हैं, इसलिए कई प्रकार और विभिन्न प्रदर्शन हैं। उदाहरण के लिए: सामग्री को 400 मेश तक पीसना, एक बाइंडर जोड़ना, दबाना, उच्च तापमान पर पकाना, और फिर एक तैयार पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक वेफर में काटना, पीसना और पॉलिश करना। पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक को विभिन्न आकृतियों में बनाना आसान है, और विभिन्न उपयोगों के अनुकूल होने के लिए विभिन्न कंपन मोड में कंपन किया जा सकता है। इसमें उच्च इलेक्ट्रोमैकेनिकल युग्मन गुणांक, उच्च लूप लाभ और संवेदनशीलता है, जो इसके महत्वपूर्ण लाभ हैं। आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक हैं: बेरियम टाइटेनेट (BaTiO3): यह उच्च तापमान पर सिंटर किए गए टाइटेनियम डाइऑक्साइड (TiO2) और बेरियम कार्बोनेट (BaCO3) का मिश्रण है। यह पहले का पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक है, इसका क्यूरी तापमान कम है, तापमान पर निर्भरता बड़ी है, और समय स्थिरता और थर्मल स्थिरता खराब है। अब भी इसका उपयोग सोनार रेडिएटर्स और अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर के लिए किया जाता है। लेड जिरकोनेट टाइटेनेट, कोड पीजेडटी, में विभिन्न प्रकार के सूत्र और विशेषताएं हैं, और वर्तमान में यह सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक है।

PZT श्रृंखला की मुख्य विशेषता पीज़ोइलेक्ट्रिक प्लेट क्रिस्टल उच्च इलेक्ट्रोमैकेनिकल युग्मन गुणांक है, जिसमें से PZT-4 एक ट्रांसमिशन प्रकार है, और इसकी उच्च उत्तेजना विशेषताएँ अच्छी हैं (उच्च Qm मान, छोटे आंतरिक नुकसान, आदि), जो सोनार रेडिएटर और अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर के लिए उपयुक्त है। , उच्च वोल्टेज जनरेटर और उच्च शक्ति ट्रांसड्यूसर। PZT-5 एक रिसीवर प्रकार है। इसमें उच्च ढांकता हुआ स्थिरांक, कम उम्र बढ़ने और कम Qm मान है। यह हाइड्रोफोन, अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर, रिकॉर्ड प्लेयर, माइक्रोफोन और स्पीकर घटकों के लिए उपयुक्त है। यह ब्रॉडबैंड पल्स प्रकार का पता लगाने आदि के लिए भी उपयुक्त है। इसके अलावा: PZT-2, PZT-5A, PZT-5H, PZT-6A, PZT-7A, PZT-8 ... इत्यादि।

लेड नाइओबियम जिंकेट में रेडियल कंपन का उच्च इलेक्ट्रोमैकेनिकल युग्मन गुणांक और कम Qm मान होता है (कुछ MnO2 या NiO2 जोड़ने से Qm 200 तक बढ़ सकता है), उच्च तापमान स्थिरता होती है, जो फ़िल्टर सामग्री के लिए उपयुक्त है। लीड नाइओबियम कोबाल्टेट श्रृंखला: इसके रेडियल कंपन इलेक्ट्रोमैकेनिकल युग्मन गुणांक केपी और क्यूएम अपेक्षाकृत उच्च हैं, जिनका उपयोग अल्ट्रासोनिक वाइब्रेटर और ट्रांसफार्मर, फिल्टर, पिकअप आदि के रूप में किया जा सकता है। लीड नाइओबियम मैंगनेट: उच्च क्यूएम मूल्य, अच्छा समय स्थिरता, कम ढांकता हुआ स्थिरांक, रेडियल कंपन का मध्यम इलेक्ट्रोमैकेनिकल युग्मन गुणांक केपी, फिल्टर और विलंब लाइन ऑसिलेटर के लिए उपयुक्त। लेड नाइओबियम एंटीमोनेट: उच्च Kp मान, अच्छी स्थिरता, बड़ा Qm मान और छोटी आवृत्ति तापमान गुणांक। लीड एंटीमनी मैंगनीज प्रणाली: केपी में एक बड़ी समायोजन सीमा, एक उच्च क्यूएम मूल्य, छोटा ढांकता हुआ नुकसान और अच्छी स्थिरता है। लेड टंगस्टन मैंगनीज: अत्यधिक उच्च ब्रेकडाउन वोल्टेज, बड़ा क्यूएम मान, बड़ा केपी मान और अनुनाद आवृत्ति पर अच्छा तापमान स्थिरता।

लीड नाइओबेट प्रणाली: ढांकता हुआ स्थिरांक बड़ा है, केपी मध्यम है, और ध्वनि आवृत्ति विशेषताएँ अच्छी हैं। लेड टंगस्टन कैडमियम प्रणाली अच्छा तापमान और आवृत्ति की समय स्थिरता है। लेड मैग्नीशियम टेलरेट। यह बार-बार दबाव का सामना कर सकता है, और इसमें विद्युत और यांत्रिक गुणों की कम उम्र होती है। इसके अलावा, लेड लिथियम एंटीमोनेट और लेड लिथियम टैंटलेट हैं, जिनमें अच्छी स्थिरता और कम क्यूएम मान हैं, और पानी के नीचे ध्वनिकी ट्रांसड्यूसर के लिए उपयुक्त हैं। टर्नरी पीजो सिरेमिक के अलावा, नाइओबियम निकल-नाइओबियम जिंक-टाइटेनियम-लेड जिरकोनेट के चतुर्धातुक पीजो सिरेमिक विकसित किए गए हैं।

पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री का तीसरा प्रकार-ध्रुवीय बहुलक पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री। यह पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव वाला एक नया कृत्रिम रूप से संश्लेषित अर्ध-क्रिस्टलीय पॉलिमर है, जिसे ध्रुवीय पॉलिमर कहा जाता है, और इसका पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव ध्रुवीय पॉलिमर पर आधारित होता है। आणविक घूर्णन वर्तमान में पॉलीविनाइलिडीन फ्लोराइड (पीवीडीएफ) के साथ सबसे अच्छा है। PVDF (-CH2-CF2-) सबसे ध्रुवीय पॉलिमर में से एक है। β-प्रकार (पीवीडीएफ का एक क्रिस्टलीय रूप) फिल्म प्राप्त करने के लिए पीवीडीएफ फिल्म को 100 डिग्री सेल्सियस से नीचे के तापमान पर इसकी मूल लंबाई से कई गुना तक बढ़ाया जाता है, जिसे इलेक्ट्रोड (आमतौर पर एल्यूमीनियम) के साथ लगाया जाता है और उच्च डीसी विद्युत क्षेत्र (तापमान 80-150 ℃) में ध्रुवीकृत किया जाता है, पीज़ोइलेक्ट्रिक प्रदर्शन प्राप्त करेगा, इसे प्रभावी ढंग से एक ध्वनिक रिसीवर के रूप में उपयोग किया जा सकता है, इसमें अच्छी थर्मल स्थिरता होती है, इसके अलावा, सामग्री को मोड़ा जा सकता है, ध्वनिक प्रतिबाधा छोटी है, और यह पानी के साथ अच्छी तरह से मेल खाती है, विशेष रूप से मेडिकल अल्ट्रासाउंड डायग्नोस्टिक ध्वनि क्षेत्र परीक्षण के लिए हाइड्रोफोन और ट्रांसड्यूसर के लिए उपयुक्त है। पीजोइलेक्ट्रिक फिल्म सामग्रियों का नुकसान यह है कि सिग्नल-टू-शोर अनुपात आदर्श नहीं है, इलेक्ट्रोमैकेनिकल युग्मन गुणांक पर्याप्त बड़ा नहीं है, और यांत्रिक और ढांकता हुआ नुकसान अपेक्षाकृत बड़े हैं। इसके अलावा, क्योंकि गुणवत्ता कारक (क्यूएम, क्यूई) छोटा है, यह उन स्थानों के लिए उपयुक्त नहीं है जहां तेज अनुनाद की आवश्यकता होती है, न ही बड़े इनपुट और निरंतर काम के लिए, क्योंकि 80 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के तापमान पर लंबे समय तक उपयोग करने पर इसका पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव कम हो जाता है। इसके अलावा, ध्रुवीय पॉलिमर पीजोइलेक्ट्रिक सामग्रियों में पॉलीफ्लोरोएथिलीन (पीवीएफ2) और इसी तरह की सामग्री शामिल हैं।

पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री का चौथा प्रकार - समग्र पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री और जिंक ऑक्साइड पीजोइलेक्ट्रिक फिल्म। समग्र पीज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री ऊर्जा संचयन प्लेट फेरोइलेक्ट्रिक सिरेमिक कणों से बनी होती है जो पॉलिमर सामग्रियों में फैले और मिश्रित होते हैं। विद्युत सामग्रियों की तरह, उनके पीज़ोइलेक्ट्रिक गुण न केवल सिरेमिक कणों पर निर्भर करते हैं, बल्कि मैट्रिक्स के रूप में उपयोग किए जाने वाले पॉलिमर सामग्रियों के प्रकार पर भी निर्भर करते हैं, विशेष रूप से पीवीडीएफ और विनाइलिडीन फ्लोराइड जैसे उच्च-पारगम्यता पॉलिमर वाले मिश्रित सिस्टम। , मजबूत पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है। इस पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री को अन्य पॉलिमर पीजोइलेक्ट्रिक निकायों की तरह खींचने की आवश्यकता नहीं है, और आंतरिक रूप से आइसोट्रोपिक है। मैट्रिक्स पॉलिमर प्रकार के परिवर्तन के साथ, लोचदार मापांक की एक बड़ी श्रृंखला प्राप्त की जा सकती है। विशेष रूप से, यह हॉट-प्रेस्ड और व्यावहारिक हो सकता है। बहुत सुविधाजनक। उदाहरण के लिए, पीवीडीएफ और पीजेडटी श्रृंखला की मिश्रित सामग्रियों में बहुत स्थिर पीजोइलेक्ट्रिक गुण और ढांकता हुआ गुण होते हैं। ये सामग्रियां व्यावहारिक चरण में पहुंच गई हैं और अनुप्रयोग में पीज़ोइलेक्ट्रिक पॉलिमर सामग्रियों के समान हैं।

जिंक ऑक्साइड (ZnO) पीजोइलेक्ट्रिक फिल्म (वैक्यूम छिड़काव प्रक्रिया द्वारा निर्मित) का उपयोग अल्ट्रा-उच्च आवृत्ति अल्ट्रासोनिक पीढ़ी और ट्रांसड्यूसर प्राप्त करने के लिए किया जाता है। इसका उपयोग 30-3000 मेगाहर्ट्ज फ्रीक्वेंसी बैंड में किया जा सकता है और इसका प्रभाव अच्छा होता है। इसका उपयोग आवृत्ति बैंडविड्थ, अच्छी इलेक्ट्रो-ध्वनिक रूपांतरण दक्षता और उत्तेजना सर्किट के साथ आसान मिलान के साथ सामग्री गुणों, अल्ट्रासोनिक देरी लाइन, ध्वनि-ऑप्टिक डिवाइस, संचार और सूचना प्रसंस्करण, और अल्ट्रासोनिक माइक्रोस्कोप इत्यादि के अध्ययन के लिए किया जा सकता है। इसके अलावा, कैडमियम सल्फाइड (सीडीएस), एल्यूमीनियम नाइट्राइड (एएलएन), आदि भी अच्छी पीजोइलेक्ट्रिक पतली फिल्म सामग्री हैं।