Parametri piezoelektričnih materijala i piezoelektrične jednadžbe (4)

četiri. Klasifikacija piezoelektričnih materijala
1. Prva vrsta piezoelektričnog materijala je piezoelektrični monokristal. Ovo je prirodni ili umjetni monokristalni feroelektrični materijal s anizotropijom. Njegov piezoelektrični učinak temelji se na sastavu kristalne strukture uzrokovane promjenama u relativnom položaju pozitivnih i negativnih iona na rešetki. Često korišteni piezoelektrični monokristali. Kvarc (SiO2): Ovo je prirodno formiran ili umjetno uzgojen (kristal koji je napravio čovjek) kristal s dobrom ujednačenošću i visokom točkom curieja; visoka impedancija i visok mehanički Q (Qm); visoka tvrdoća i dobra otpornost na trošenje; Performanse su izuzetno stabilne, starenje je izuzetno sporo i minimalno, a njegove performanse se mijenjaju s temperaturom vrlo male, a može se dobiti linearni frekvencijski temperaturni koeficijent koji se ne mijenja s vremenom; gubitak je mali, što se može koristiti za ekstremno visoke frekvencije; izolacijska izvedba je dobra, može se koristiti pod naponom; može se koristiti u okruženjima s višim i ekstremno niskim temperaturama. Zbog svojih brojnih vrhunskih svojstava, kvarc se i danas široko koristi, posebno kao standardni pretvornik i kao oscilator vremena u računalnoj opremi. Nedostatak mu je što je učinkovitost elektromehaničke pretvorbe niska, što čini dobitak petlje sustava manjim.

Litijev niobat (LiNbO3): Ovo je umjetno uzgojeni feroelektrični monokristal promjera do 120 mm. Litijev niobat može se koristiti za izravno pobuđivanje ultrazvučnog transverzalnog vala s visokim koeficijentom elektromehaničke sprege i izvrsnim piezoelektričnim performansama. Ima veliku vrijednost Qm i visoku curijevu točku. Može se koristiti na visokim temperaturama, sa stabilnom polarizacijom i ultrazvučnim širenjem. Gubitak je mali, nije rasplinut, a konstanta frekvencije je vrlo velika. Može se koristiti za izradu pretvarača ultravisokih frekvencija. Stoga se koristi kao uobičajeni osnovni materijal za pretvarače površinskih akustičnih valova. Kada se koristi kao pretvornik volumenskog vala, može postići bolju osjetljivost od uobičajenih piezoelektričnih keramičkih pretvornika. Također se koristi za ultrazvučno mjerenje debljine, usko mjerenje i pretvarač pulsa. Ovo je također umjetni monokristal. Ima dobra mehanička svojstva, lako se obrađuje, može se otopiti u vodi, ali ga nije lako otopiti, ima relativno stabilna fizikalna i kemijska svojstva i izvrsna piezoelektrična svojstva PZT materijal piezoelektrična traka
. Elektromehanički koeficijent sprege i niska dielektrična konstanta te vrijednost Qm prilično su niski, prikladni su za izradu visokoosjetljivih širokopojasnih pretvarača visoke rezolucije i linija kašnjenja, kao što je ultrazvučno mjerenje debljine i pretvarača uskog pulsa. Osim toga, tu je i litij sulfat (Li2SO4) s dobrim prijemnim svojstvima.

3. Druga vrsta piezoelektričnog materijala piezoelektrična keramika. Ovo je polikristalni feroelektrični materijal izrađen metodom ručnog pečenja sinteriranja praha. Piezoelektrični učinak temelji se na elektrostrikcijskom učinku, a njegova se piezoelektrična svojstva mijenjaju sinteriranjem. Postoje razlike u izradi i sastojcima formulacije, tako da postoji mnogo vrsta i različitih izvedbi. Na primjer: mljevenje materijala na 400 mesh, dodavanje veziva, prešanje, pečenje na visokoj temperaturi, a zatim piljenje, brušenje i poliranje u gotovu piezoelektričnu keramičku pločicu. Piezoelektričnu keramiku lako je izraditi u različite oblike i može se vibrirati u različitim načinima vibriranja kako bi se prilagodila različitim namjenama. Ima visok koeficijent elektromehaničke sprege, visoko pojačanje petlje i osjetljivost, što su njegove važne prednosti. Uobičajeno korištena piezoelektrična keramika je: Barijev titanat (BaTiO3): Ovo je mješavina titanijevog dioksida (TiO2) i barijevog karbonata (BaCO3) sinteriranih na visokoj temperaturi. Ovo je ranija piezoelektrična keramika, njezina curiejeva temperatura je niska, temperaturna ovisnost je velika, a vremenska stabilnost i toplinska stabilnost su slabe. Sada se još uvijek koristi za radijatore sonara i ultrazvučne sonde. Olovni cirkonat titanat, kod PZT, ima različite formule i karakteristike i trenutno je najčešće korištena piezoelektrična keramika.

Glavna značajka serije PZT kristal piezoelektrične ploče ima visok koeficijent elektromehaničke sprege, od čega je PZT-4 vrsta prijenosa, a njegove karakteristike visoke pobude su dobre (visoka Qm vrijednost, mali unutarnji gubici itd.), što je pogodno za radijatore sonara i ultrazvučne pretvarače. , Visokonaponski generator i pretvarač velike snage. PZT-5 je tip prijemnika. Ima visoku dielektričnu konstantu, nisko starenje i nisku vrijednost Qm. Pogodan je za hidrofone, ultrazvučne sonde, gramofone, mikrofone i komponente zvučnika. Također je prikladan za širokopojasnu detekciju tipa impulsa, itd. Dodatno: PZT-2, PZT-5A, PZT-5H, PZT-6A, PZT-7A, PZT-8 ... i tako dalje.

Olovo niobij cinkat ima visok koeficijent elektromehaničke sprege radijalnih vibracija i nisku vrijednost Qm (dodavanje malo MnO2 ili NiO2 može povećati Qm na 200), postoji veća temperaturna stabilnost, pogodna za filterske materijale. Serija olovo niobij kobaltata: njegovi koeficijenti elektromehaničke sprege radijalnih vibracija Kp i Qm relativno su visoki, što se može koristiti kao ultrazvučni vibratori i transformatori, filtri, hvatači itd. Olovo niobij manganat: visoka vrijednost Qm, dobra vremenska stabilnost, niska dielektrična konstanta, srednji koeficijent elektromehaničke sprege Kp radijalnih vibracija, pogodan za filter i liniju kašnjenja oscilator. Olovni niobijev antimonat: visoka Kp vrijednost, dobra stabilnost, velika Qm vrijednost i mali temperaturni koeficijent frekvencije. Olovo antimon manganski sustav: Kp ima veliki raspon podešavanja, visoku Qm vrijednost, mali dielektrični gubitak i dobru stabilnost. Olovo Volfram Mangan: Ekstremno visok probojni napon, velika Qm vrijednost, velika Kp vrijednost i dobra temperaturna stabilnost na rezonantnoj frekvenciji.

Sustav olovnog niobata: dielektrična konstanta je velika, Kp je srednji, a karakteristike zvučne frekvencije su dobre. Olovo volfram kadmij sustav ima dobru temperaturu i vremensku stabilnost frekvencije. Olovni magnezijev telurat. Može izdržati ponavljani pritisak i ima nisko starenje električnih i mehaničkih svojstava. Osim toga, postoje olovo litij antimonat i olovo litij tantalat, koji imaju dobru stabilnost i niske Qm vrijednosti, te su prikladni za podvodne akustičke pretvarače. Osim ternarne piezo keramike, razvijena je kvaternarna piezo keramika niobij nikal-niobij cink-titan-olovo cirkonat.

Treća vrsta piezoelektričnog materijala-polarni polimerni piezoelektrični materijal. Riječ je o novom umjetno sintetiziranom polukristalnom polimeru s piezoelektričnim učinkom koji se naziva polarni polimer, a njegov se piezoelektrični učinak temelji na polarnom polimeru. Molekularna rotacija trenutno je najbolja s poliviniliden fluoridom (PVDF). PVDF (-CH2-CF2-) jedan je od najpolarnijih polimera. PVDF film rasteže se nekoliko puta od svoje izvorne duljine na temperaturi ispod 100 °C kako bi se dobio film β-tipa (kristalni oblik PVDF-a), koji se nanosi elektrodom (obično aluminijskom) i polarizira u visokom istosmjernom električnom polju (temperatura je 80-150 ℃), postići će piezoelektrične performanse, može se učinkovito koristiti kao akustični prijemnik, ima dobru toplinsku stabilnost, u Osim toga, materijal se može savijati, akustična impedancija je mala i dobro se slaže s vodom, posebno je pogodan za hidrofone i pretvarače za medicinsko ultrazvučno dijagnostičko ispitivanje zvučnog polja. Nedostaci piezoelektričnih filmskih materijala su da omjer signala i šuma nije idealan, koeficijent elektromehaničke sprege nije dovoljno velik, a mehanički i dielektrični gubici su relativno veliki. Osim toga, budući da je faktor kvalitete (Qm, Qe) mali, nije prikladan za mjesta gdje je potrebna oštra rezonancija, niti za veliki unos i kontinuirani rad, jer njegov piezoelektrični učinak pri dugotrajnoj uporabi na temperaturi iznad 80°C opada. Dodatno, polarni polimerni piezoelektrični materijali uključuju polifluoretilen (PVF2) i slično.

Četvrta vrsta piezoelektričnog materijala - kompozitni piezoelektrični materijal i piezoelektrični film cinkovog oksida. Kompozitni piezoelektrični materijal ploča za žetvu energije sastoji se od feroelektričnih keramičkih čestica raspršenih i umiješanih u polimerne materijale. Poput električnih materijala, njihova piezoelektrična svojstva ne ovise samo o keramičkim česticama, već i o vrsti polimernih materijala koji se koriste kao matrica, posebno kompozitni sustavi s polimerima visoke permitivnosti kao što su PVDF i viniliden fluorid. , Mogu se koristiti kao jaki piezoelektrični materijali. Ovaj piezoelektrični materijal ne treba rastezati kao druga polimerna piezoelektrična tijela, a iznutra je izotropan. Promjenom vrste matričnog polimera može se dobiti veliki raspon modula elastičnosti. Konkretno, može biti vruće prešano i praktično. vrlo povoljno. Na primjer, kompozitni materijali serije PVDF i PZT imaju vrlo stabilna piezoelektrična svojstva i dielektrična svojstva. Ovi materijali su dosegli praktičnu fazu i slični su piezoelektričnim polimernim materijalima u primjeni.

Piezoelektrični film od cinkovog oksida (ZnO) (izrađen postupkom vakuumskog raspršivanja) koristi se za generiranje i prijam ultrazvučnih sondi ultra visoke frekvencije. Može se koristiti u frekvencijskom pojasu 30-3000 MHz i ima dobar učinak. Može se koristiti za proučavanje svojstava materijala, ultrazvučne linije kašnjenja, akustooptičkih uređaja, komunikacije i obrade informacija i ultrazvučnog mikroskopa itd., s frekvencijskim pojasom, dobrom učinkovitošću elektroakustičke pretvorbe i lakim usklađivanjem s pobudnim krugom. Osim toga, kadmijev sulfid (CdS), aluminijev nitrid (AlN), itd. također su dobri piezoelektrični tankoslojni materijali.