Sastav piezoelektričnog keramičkog materijala

Različiti rasponi primjene imaju različite zahtjeve za performansama piezoelektrični keramički materijali . 1 perovskitni piezoelektrični keramički materijal, kemijska formula je ABO3, A je pozitivan ion velikog radijusa, koji može biti +1, +2, +3; B je pozitivan ion s malim polumjerom, koji može biti +3, +4, +5, +6. Ionski radijus triju iona A, B i O može zadovoljiti sljedeći odnos za formiranje strukture ABO3: RA+RO=t√2 (RB+RO, t je faktor tolerancije, općenito može tvoriti kalcij između 0,86 i 1,03. Struktura rude titana Tipična formulacija: (1) 0,99 [PbTiO3 + 0,04 La2 / 3TiO3] + 0,01 MnO2, temperatura kalcinacije je 850 ° C, očuvanje topline 2 sata, temperatura pečenja je 1240 ° C, očuvanje topline 1 sat. PbTiO3+1wt%MnO2+1wt%Pb3O4ε=150, Kp=0,40, Qm=800~1000, temperatura i vrijeme Dobra stabilnost. 3PbTiO3+3,0wt%CeO2++0,3MnO2+2,53wt%Nb2O5,ε=230,Qm=1000.

(1) S promjenom Zr:Ti, Curiejeva točka se mijenja gotovo linearno od 235 °C do 490 °C, a Tc linija je kubična paraelektrična faza bez piezoelektričnog učinka.

(2) Zr: Postoji kvazi-homogena fazna granica blizu Ti=53:47, strana bogata titanom je tetragonalna feroelektrična faza FT; strana bogata cirkonijem je visokotemperaturna trigonalna feroelektrična faza FR, temperatura piezoelektrični keramički pretvarači se podižu, a ta je granica faza bogata cirkonijem. Strana je nagnuta i siječe liniju Tc na 360 °C (što ukazuje da je Curiejeva temperatura Tc visoka u blizini granice faza), a parametri jedinične ćelije naglo se mijenjaju u blizini granice faza. Postoji snažan piezoelektrični učinak u blizini fazne granice između tetragonalne feroelektrične faze FT i trigonalne feroelektrične faze FR. Kp, ε ima najveću vrijednost, a Qm ima vrlo malu vrijednost. Piezoelektrična svojstva PZT porculana u blizini fazne granice mnogo su veća od onih BaTiO3 porculana. Budući da je Tc PZT porculana na granici visok (360 °C), KP i ε su stabilni unutar 200 °C, što je idealan piezoelektrični materijal. Doping Modifikacija PZT porculana od elektronički piezo keramički pretvarač . Kako bismo zadovoljili različite namjene, potrebna nam je PZT piezoelektrična keramika s različitim svojstvima. Iz tog razloga možemo dodati različite ione da zamijenimo ion Pb2+ na mjestu A ili ion Zr4+, Ti4+ na mjestu B. Time se poboljšavaju performanse materijala.

Ostala supstitucija modificirana tvrda supstitucija modificirana meka supstitucija modificirana heterovalentna supstitucija ekvivalentna supstitucija dopirana modificirani PZT (1) ekvivalentna supstitucija ekvivalentna supstitucija znači da je radijus Ca2+, Sr2+, Mg2+ manji od polumjera iona Pb2+ Ionska supstitucija iona Pb2+ rezultira povećanjem dielektrične konstante ε PZT piezo keramičkog diska , povećanje koeficijenta elektromehaničke sprege KP i povećanje piezoelektrične konstante d, čime se poboljšavaju piezoelektrična svojstva PZT keramike. Izraz 'modifikacija meke supstitucije' znači da dodavanje ovih aditiva može smanjiti jakost koercitivnog polja EC za ↓, a polarizacija je laka, tako da svojstva materijala postaju 'mekana' pod djelovanjem električnog polja ili naprezanja.

(a) La3+, Bi3+, Sb3+, itd. zamjenjuju A-mjesto Pb+2 ion (donorsko dopiranje); Nb5+, Ta5+, Sb5+, W6+, itd. Supstitucija B-položaja Zr4+, Ti4+ iona (donorsko dopiranje). Svojstva PZT porculana modificiranog mekom supstitucijom imaju sljedeće promjene: jakost koercitivnog polja EC opada ↓, mehanički faktor kvalitete Qm opada ↓; dielektrična konstanta ε raste ↑, dielektrični gubitak tan δ raste ↑, koeficijent elektromehaničke sprege KP Kada se ↑ poveća, otpornost na starenje se povećava i izolacijski otpor ρ se povećava ↑. Razlog tome je što njihov dodatak dovodi do stvaranja nedostatka Pb2+. Na primjer, ako svaka dva La3+ zamijene 3 Pb2+, kako bi se održala ravnoteža cijene električne energije, smanjuje se broj kationa na poziciji A u strukturi perovskita i stvara se prazno mjesto A. Zbog odsutnosti Pb2+, kretanje domene je olakšano, pa čak i mala jakost električnog polja ili mehanički stres mogu uzrokovati pomicanje stijenki domene. 

Kao rezultat toga, povećanje dielektrične konstante i koeficijenta elastične popustljivosti Dolazi do Pzt piezokeramičkih keramičkih pretvarača , a istodobno se dielektrični i mehanički gubici povećavaju, a Qm smanjuje. Štoviše, budući da je upravljanje domenama jednostavno, povećava se broj domena orijentiranih u smjeru električnog polja, čime se povećava polarizacija, tako da se piezoelektrični učinak znatno povećava, što je predstavljeno povećanjem vrijednosti Kp. Budući da otpor upravljanja domene postaje malen, koercitivno polje za preokretanje polarizacije radi prevladavanja otpora je malo, a povratna linija je gotovo pravokutna. Štoviše, zbog odsutnosti Pb2+, unutarnje naprezanje uzrokovano upravljanjem od 90 domena je prigušeno, tako da preostalo naprezanje postaje malo. Drugim riječima, budući da se stijenke domene lako pomiču, unutarnje naprezanje domena se lako oslobađa, tako da je učinak starenja dobar. 'Meki' aditivi su obično korišteni modificirajući aditivi.

(b) Na primjer, materijal prihvatljivog tipa podvodnog akustičnog pretvornika često je dopiran s La2O3 i Nb2O5 kako bi se povećala vrijednost Kp i dielektrična konstanta. Pb0,95Sr0,05(Zr0,52Ti0,48)O3+0,9%La2O3+0,9%Nb2O5, Kp=0,60, ε=2100, Qm=80, dobra stabilnost, volumni otpor 1012 ohma 'meki' aditiv Količina općenito ne prelazi 5%. b Modifikacija tvrde supstitucije, takozvana 'modifikacija tvrde supstitucije' znači da dodavanje ovih aditiva može povećati jakost koercitivnog polja EC, a polarizacija postaje teška, pa svojstva materijala postaju 'tvrda' pod djelovanjem električnog polja ili naprezanja.

(a) K+, Na+, itd. koji zamjenjuju ione Pb2+ na A mjestu (akceptorsko dopiranje);

(b) Zr4+ i Ti4+ ioni (dopirani akceptorom) zamijenjeni B na Fe2+, Co2+, Mn2+ (ili Fe3+, Co3+, Mn3+), Ni2+, Mg2+, Al3+, Cr3+ i slično.

Svojstva PZT porculana modificiranog tvrdom zamjenom imaju sljedeće promjene: jakost koercitivnog polja EC raste ↑, mehanički faktor kvalitete Qm raste ↑; dielektrična konstanta ε opada, dielektrični gubitak tan δ opada ↓, koeficijent elektromehaničke sprege KP opada Mali ↓, otpornost na starenje se smanjuje, a izolacijski otpor ρ se smanjuje.

Ternarna perovskitna piezoelektrična keramika

Promjenom omjera Zr/Ti i ugradnjom male količine aditiva, iako se neka svojstva mogu poboljšati, zbog sve šireg spektra piezoelektričnih materijala, zahtjevi za materijalima su sve veći i samo binarni sustavi ne mogu zadovoljiti zahtjeve za upotrebu. Dakle, postoji ternarni sustav. Takozvani ternarni perovskitni piezoelektrični keramički materijal odnosi se na čvrstu otopinu formiranu od kompozitnog perovskitnog spoja i olovo cirkonat titanata.