Komposisi bahan keramik piezoelektrik

Rentang aplikasi yang berbeda memiliki persyaratan kinerja yang berbeda bahan keramik piezoelektrik . 1 Bahan keramik piezoelektrik perovskit, rumus kimianya ABO3, A adalah ion positif dengan radius besar, bisa +1, +2, +3; B adalah ion positif dengan jari-jari kecil, yaitu +3, +4, +5, +6. Jari-jari ion ketiga ion A, B dan O dapat memenuhi hubungan berikut untuk membentuk struktur ABO3: RA+RO=t√2 (RB+RO, t adalah faktor toleransi, umumnya dapat membentuk kalsium antara 0,86 dan 1,03. Struktur bijih titanium Formulasi umum: (1) 0,99 [PbTiO3 + 0,04 La2 / 3TiO3] + 0,01 MnO2, kalsinasi suhu 850 °C, pelestarian panas selama 2 jam, suhu pembakaran 1240 °C, pelestarian panas selama 1 jam ε = 240, Kp=0,096, Qm=1050, Nt=2120 (2) Filter porselen frekuensi tinggi (30M-100MC) PbTiO3+1wt%MnO2+1wt%Pb3O4ε=150, Kp=0,40, Qm=800~1000, suhu dan waktu Stabilitas yang baik.

(1) Dengan perubahan Zr:Ti, titik Curie berubah hampir linier dari 235 °C menjadi 490 °C, dan garis Tc merupakan fase paraelektrik kubik tanpa efek piezoelektrik.

(2) Zr: Terdapat batas fasa kuasi-homogen di dekat Ti=53:47, sisi kaya titanium adalah fasa feroelektrik tetragonal FT; sisi kaya zirkonium adalah fase feroelektrik trigonal suhu tinggi FR, suhu transduser keramik piezoelektrik naik, dan batas fase ini kaya zirkonium. Sisinya miring dan memotong garis Tc pada 360 ° C (menunjukkan bahwa suhu Curie Tc tinggi di dekat batas fase), dan parameter sel satuan tiba-tiba berubah di dekat batas fase. Terdapat efek piezoelektrik yang kuat di dekat batas fasa antara fasa feroelektrik tetragonal FT dan fasa feroelektrik trigonal FR. Kp, ε bernilai maksimum dan Qm bernilai sangat kecil. Sifat piezoelektrik porselen PZT di dekat batas fasa jauh lebih tinggi dibandingkan porselen BaTiO3. Karena Tc porselen PZT pada batasnya tinggi (360 ° C), KP dan ε keduanya stabil dalam suhu 200 ° C, yang merupakan bahan piezoelektrik yang ideal. Modifikasi Doping Porselen PZT transduser keramik piezo elektronik . Untuk memenuhi tujuan yang berbeda, diperlukan keramik piezoelektrik PZT dengan berbagai sifat. Oleh karena itu, kita dapat menambahkan ion yang berbeda untuk menggantikan ion Pb2+ di lokasi A atau ion Zr4+, Ti4+ di lokasi B. Dengan demikian meningkatkan kinerja material.

Substitusi lainnya substitusi keras termodifikasi substitusi lunak termodifikasi substitusi setara heterovalen substitusi termodifikasi substitusi setara PZT (1) substitusi setara substitusi berarti jari-jari Ca2+, Sr2+, Mg2+ lebih kecil dari jari-jari ion Pb2+ Substitusi ion ion Pb2+ mengakibatkan kenaikan konstanta dielektrik ε dari PZT piringan keramik piezo , peningkatan koefisien kopling elektromekanis KP, dan peningkatan konstanta piezoelektrik d, sehingga meningkatkan sifat piezoelektrik keramik PZT. Yang dimaksud dengan “modifikasi substitusi lunak” adalah bahwa penambahan bahan tambahan tersebut dapat menurunkan kuat medan koersif EC sebesar ↓, dan polarisasinya mudah, sehingga sifat material menjadi “lunak” di bawah pengaruh medan listrik atau tegangan.

(a) La3+, Bi3+, Sb3+, dll. menggantikan ion Pb+2 situs A (doping donor); Nb5+, Ta5+, Sb5+, W6+, dll. Mengganti ion Zr4+, Ti4+ posisi B (doping donor). Sifat porselen PZT yang dimodifikasi dengan substitusi lunak mengalami perubahan sebagai berikut: kuat medan koersif EC menurun ↓, faktor kualitas mekanik Qm menurun ↓; konstanta dielektrik ε meningkat ↑, kerugian dielektrik tan δ meningkat ↑, koefisien kopling elektromekanis KP Ketika ↑ meningkat, ketahanan penuaan meningkat dan resistivitas isolasi ρ meningkat ↑. Alasannya adalah penambahannya menyebabkan terbentuknya defisiensi Pb2+. Misalnya, jika setiap dua La3+ menggantikan 3 Pb2+, untuk menjaga keseimbangan harga listrik, jumlah kation pada posisi A dalam struktur perovskit berkurang, dan timbul kekosongan A. Karena tidak adanya Pb2+, pergerakan domain menjadi mudah, dan bahkan kekuatan medan listrik atau tekanan mekanis yang kecil pun dapat menyebabkan dinding domain bergerak. 

Akibatnya terjadi peningkatan konstanta dielektrik dan koefisien kepatuhan elastis sebesar Transduser keramik piezoceramic Pzt terjadi, dan pada saat yang sama, kerugian dielektrik dan kerugian mekanis meningkat, dan Qm menurun. Selain itu, karena pengendalian domain mudah, jumlah domain yang berorientasi pada arah medan listrik meningkat, sehingga meningkatkan polarisasi, sehingga efek piezoelektrik meningkat pesat, yang ditunjukkan dengan peningkatan nilai Kp. Karena resistansi pengarah domain menjadi kecil, medan koersif untuk membalikkan polarisasi untuk mengatasi resistansi menjadi kecil, dan garis baliknya hampir berbentuk persegi panjang. Selain itu, karena tidak adanya Pb2+, tegangan internal yang disebabkan oleh kemudi 90 domain disangga, sehingga regangan sisa menjadi kecil. Dengan kata lain, karena dinding domain mudah dipindahkan, tekanan internal domain mudah dilepaskan, sehingga kinerja penuaannya baik. Aditif 'Lembut' biasanya digunakan untuk memodifikasi aditif.

(b) Misalnya, bahan transduser akustik bawah air tipe penerima sering didoping dengan La2O3 dan Nb2O5 untuk meningkatkan nilai Kp dan konstanta dielektrik. Pb0.95Sr0.05(Zr0.52Ti0.48)O3+0.9%La2O3+0.9%Nb2O5, Kp=0.60, ε=2100, Qm=80, stabilitas yang baik, resistivitas volume 1012 ohm aditif 'lunak' Jumlahnya umumnya tidak melebihi 5%. b Modifikasi substitusi keras, yang disebut “modifikasi substitusi keras” berarti penambahan bahan tambahan tersebut dapat meningkatkan kuat medan koersif EC, dan polarisasi menjadi sulit, sehingga sifat material menjadi “keras” di bawah pengaruh medan listrik atau tegangan.

(a) K+, Na+, dll. mensubstitusi ion Pb2+ situs A (doping akseptor);

(b) Ion Zr4+ dan Ti4+ (akseptor didoping) menggantikan B pada Fe2+, Co2+, Mn2+ (atau Fe3+, Co3+, Mn3+), Ni2+, Mg2+, Al3+, Cr3+, dan sejenisnya.

Sifat porselen PZT yang dimodifikasi dengan substitusi keras mengalami perubahan sebagai berikut: Kekuatan medan koersif EC meningkat ↑, faktor kualitas mekanik Qm meningkat ↑; konstanta dielektrik ε menurun, rugi-rugi dielektrik tan δ berkurang ↓, koefisien kopling elektromekanis KP menurun Kecil ↓, ketahanan penuaan berkurang, dan resistivitas isolasi ρ berkurang.

Keramik piezoelektrik perovskit terner

Dengan mengubah rasio Zr/Ti dan memasukkan sejumlah kecil aditif, meskipun beberapa sifat dapat ditingkatkan, karena semakin luasnya jangkauan bahan piezoelektrik, persyaratan bahan semakin tinggi, dan hanya sistem biner yang tidak dapat memenuhi persyaratan untuk digunakan. Jadi ada sistem terner. Yang disebut bahan keramik piezoelektrik perovskit terner mengacu pada larutan padat yang terbentuk dari senyawa komposit perovskit dan timbal zirkonat titanat.