Parameter bahan piezoelektrik dan persamaan piezoelektrik (4)

Empat. Klasifikasi bahan piezoelektrik
1. Jenis pertama bahan piezoelektrik kristal tunggal piezoelektrik. Ini adalah bahan feroelektrik kristal tunggal yang terjadi secara alami atau buatan dengan anisotropi. Efek piezoelektriknya didasarkan pada komposisi struktur kristal. Disebabkan oleh perubahan posisi relatif ion positif dan negatif pada kisi. Kristal tunggal piezoelektrik yang umum digunakan. Kuarsa (SiO2): Ini adalah kristal (kristal buatan) yang terbentuk secara alami atau buatan dengan keseragaman yang baik dan titik curie yang tinggi; impedansi tinggi dan Q mekanis tinggi (Qm); kekerasan tinggi dan ketahanan aus yang baik; Kinerjanya sangat stabil, penuaannya sangat lambat dan minimal, dan perubahan kinerjanya terhadap suhu sangat kecil, dan koefisien suhu frekuensi linier yang tidak berubah terhadap waktu dapat diperoleh; kerugiannya kecil, yang dapat digunakan untuk frekuensi yang sangat tinggi; kinerja insulasinya bagus, dapat digunakan di bawah tegangan tinggi; yang dapat digunakan di lingkungan bersuhu lebih tinggi dan sangat rendah. Karena banyaknya sifat unggulnya, kuarsa masih banyak digunakan hingga saat ini, terutama sebagai transduser standar dan sebagai osilator waktu pada peralatan komputer. Kerugiannya adalah efisiensi konversi elektromekanisnya rendah, sehingga penguatan loop sistem menjadi lebih rendah.

Lithium Niobate (LiNbO3): Ini adalah kristal tunggal feroelektrik buatan dengan diameter hingga 120mm. Lithium niobate dapat digunakan untuk merangsang gelombang transversal ultrasonik secara langsung dengan koefisien kopling elektromekanis yang tinggi dan kinerja piezoelektrik yang sangat baik. Ini memiliki nilai Qm yang besar dan titik curie yang tinggi. Ini dapat digunakan pada suhu tinggi, dengan polarisasi stabil dan propagasi ultrasonik. Kerugiannya kecil, tidak cair, dan konstanta frekuensinya sangat besar. Dapat digunakan untuk membuat transduser frekuensi ultra-tinggi. Oleh karena itu, telah digunakan sebagai bahan dasar umum untuk transduser gelombang akustik permukaan. Ketika digunakan sebagai transduser gelombang volume, sensitivitasnya dapat lebih baik daripada transduser keramik piezoelektrik biasa. Hal ini juga digunakan untuk pengukuran ketebalan ultrasonik, pengukuran sempit dan transduser pulsa. Ini juga merupakan kristal tunggal buatan. Ia memiliki sifat mekanik yang baik, mudah diproses, dapat dilarutkan dalam air tetapi tidak mudah dicairkan, memiliki sifat fisik dan kimia yang relatif stabil, serta memiliki sifat piezoelektrik yang sangat baik. Strip piezoelektrik bahan PZT
. Koefisien kopling elektromekanis dan konstanta dielektrik rendah, dan nilai Qm cukup rendah, cocok untuk membuat transduser broadband resolusi tinggi dan jalur penundaan dengan sensitivitas tinggi, seperti membuat pengukuran ketebalan ultrasonik dan transduser pulsa sempit. Selain itu, terdapat litium sulfat (Li2SO4) dengan kinerja penerimaan yang baik.

3. Jenis kedua dari bahan piezoelektrik keramik piezoelektrik. Ini adalah bahan feroelektrik polikristalin yang dibuat dengan pembakaran manual metode sintering bubuk. Efek piezoelektrik didasarkan pada efek elektrostriktif, dan sifat piezoelektriknya berubah dengan sintering. Ada perbedaan dalam pengerjaan dan formulasi bahannya, sehingga banyak jenis dan performanya yang berbeda-beda. Misalnya: menggiling bahan hingga 400 mesh, menambahkan bahan pengikat, menekan, memanggang pada suhu tinggi, kemudian menggergaji, menggiling dan memoles menjadi wafer keramik piezoelektrik yang sudah jadi. Keramik piezoelektrik mudah dibuat menjadi berbagai bentuk, dan dapat digetarkan dalam berbagai mode getaran untuk beradaptasi dengan berbagai kegunaan. Ia memiliki koefisien kopling elektromekanis yang tinggi, penguatan dan sensitivitas loop yang tinggi, yang merupakan keunggulan pentingnya. Keramik piezoelektrik yang umum digunakan adalah: Barium titanat (BaTiO3): Ini adalah campuran titanium dioksida (TiO2) dan barium karbonat (BaCO3) yang disinter pada suhu tinggi. Ini adalah keramik piezoelektrik sebelumnya, suhu curie-nya rendah, ketergantungan suhunya besar, dan stabilitas waktu serta stabilitas termalnya buruk. Sekarang masih digunakan untuk radiator sonar dan transduser ultrasonik. Timbal zirkonat titanat, kode PZT, memiliki formula dan karakteristik yang beragam, dan saat ini merupakan keramik piezoelektrik yang paling umum digunakan.

Fitur utama dari seri PZT kristal pelat piezoelektrik memiliki koefisien kopling elektromekanis yang tinggi, dimana PZT-4 adalah jenis transmisi, dan karakteristik eksitasinya yang tinggi baik (nilai Qm tinggi, kehilangan internal kecil, dll.), yang cocok untuk radiator sonar dan transduser ultrasonik. , Generator tegangan tinggi dan transduser daya tinggi. PZT-5 adalah tipe penerima. Ia memiliki konstanta dielektrik yang tinggi, penuaan yang rendah, dan nilai Qm yang rendah. Sangat cocok untuk hidrofon, transduser ultrasonik, pemutar rekaman, mikrofon, dan komponen speaker. Ini juga cocok untuk deteksi jenis pulsa broadband, dll. Selain itu: PZT-2, PZT-5A, PZT-5H, PZT-6A, PZT-7A, PZT-8... dan seterusnya.

Timbal niobium zincate memiliki koefisien kopling elektromekanis yang tinggi dari getaran radial dan nilai Qm yang rendah (menambahkan beberapa MnO2 atau NiO2 dapat meningkatkan Qm hingga 200), terdapat stabilitas suhu yang lebih tinggi, cocok untuk bahan filter. Seri niobium cobaltate timbal: koefisien kopling elektromekanis getaran radialnya Kp dan Qm relatif tinggi, yang dapat digunakan sebagai vibrator dan transformator ultrasonik, filter, pickup, dll. Timah niobium manganat: nilai Qm tinggi, stabilitas waktu yang baik, konstanta dielektrik rendah, koefisien kopling elektromekanis sedang Kp getaran radial, cocok untuk filter dan osilator saluran tunda. Timbal niobium antimonat : nilai Kp tinggi, stabilitas baik, nilai Qm besar, dan koefisien suhu frekuensi kecil. Sistem mangan antimon timbal: Kp memiliki rentang penyesuaian yang besar, nilai Qm yang tinggi, kehilangan dielektrik yang kecil, dan stabilitas yang baik. Timbal Tungsten Mangan: Tegangan rusaknya sangat tinggi, nilai Qm besar, nilai Kp besar, dan stabilitas suhu yang baik pada frekuensi resonansi.

Sistem niobat timbal: Konstanta dielektriknya besar, Kpnya sedang, dan karakteristik frekuensi suaranya bagus. Sistem timbal tungsten kadmium memiliki stabilitas suhu dan waktu frekuensi yang baik. Timbal Magnesium Tellurat. Ia dapat menahan tekanan berulang, dan memiliki sifat listrik dan mekanik yang rendah penuaan. Selain itu, terdapat timbal litium antimonat dan timbal litium tantalat, yang memiliki stabilitas baik dan nilai Qm rendah, serta cocok untuk transduser akustik bawah air. Selain keramik piezo terner, keramik piezo kuaterner dari niobium nikel-niobium seng-titanium-timbal zirkonat telah dikembangkan.

Jenis bahan piezoelektrik yang ketiga adalah bahan piezoelektrik polimer polar. Ini adalah polimer semi-kristalin baru yang disintesis secara artifisial dengan efek piezoelektrik, yang disebut polimer polar, dan efek piezoelektriknya didasarkan pada polimer polar. Rotasi molekul saat ini paling baik dilakukan dengan polivinilidena fluorida (PVDF). PVDF (-CH2-CF2-) adalah salah satu polimer paling polar. Film PVDF diregangkan beberapa kali panjang aslinya pada suhu di bawah 100 ° C untuk mendapatkan film tipe β (bentuk kristal PVDF), yang diaplikasikan dengan elektroda (biasanya aluminium) dan terpolarisasi dalam medan listrik DC tinggi (Suhu 80-150 ℃), akan memperoleh kinerja piezoelektrik, dapat digunakan secara efektif sebagai penerima akustik, memiliki stabilitas termal yang baik, selain itu, material dapat ditekuk, impedansi akustiknya kecil, dan itu sangat cocok dengan air, terutama cocok untuk hidrofon dan transduser untuk pengujian lapangan suara diagnostik USG medis. Kerugian dari bahan film piezoelektrik adalah rasio signal-to-noise tidak ideal, koefisien kopling elektromekanis tidak cukup besar, dan kerugian mekanis dan dielektrik relatif besar. Selain itu, karena faktor kualitas (Qm, Qe) kecil, maka tidak cocok untuk tempat yang memerlukan resonansi tajam, atau untuk input besar dan kerja terus menerus, karena efek piezoelektriknya bila digunakan dalam waktu lama pada suhu di atas 80 ° C Menurun. Selain itu, bahan piezoelektrik polimer polar termasuk polifluoroetilen (PVF2) dan sejenisnya.

Jenis bahan piezoelektrik keempat - bahan piezoelektrik komposit dan film piezoelektrik seng oksida. Bahan piezoelektrik komposit pelat pemanen energi terdiri dari partikel keramik feroelektrik yang tersebar dan dicampur dalam bahan polimer. Seperti material listrik, sifat piezoelektriknya tidak hanya bergantung pada partikel keramik, tetapi juga pada jenis material polimer yang digunakan sebagai matriks, terutama sistem komposit dengan polimer dengan izin tinggi seperti PVDF dan vinilidena fluorida. , Dapat digunakan sebagai bahan piezoelektrik yang kuat. Bahan piezoelektrik ini tidak perlu diregangkan seperti badan piezoelektrik polimer lainnya, dan bersifat isotropik secara internal. Dengan perubahan jenis matriks polimer, berbagai modulus elastisitas dapat diperoleh. Khususnya, dapat diperas dengan panas dan praktis. sangat nyaman. Misalnya, material komposit seri PVDF dan PZT memiliki sifat piezoelektrik dan sifat dielektrik yang sangat stabil. Bahan-bahan ini telah mencapai tahap praktis dan mirip dengan bahan polimer piezoelektrik dalam penerapannya.

Film piezoelektrik seng oksida (ZnO) (dibuat dengan proses penyemprotan vakum) digunakan untuk pembangkitan ultrasonik frekuensi sangat tinggi dan transduser penerima. Dapat digunakan pada pita frekuensi 30-3000 MHz dan memiliki efek yang baik. Hal ini dapat digunakan untuk mempelajari sifat material, garis tunda ultrasonik, perangkat akustik-optik, pemrosesan komunikasi dan informasi, dan mikroskop ultrasonik, dll., dengan bandwidth frekuensi, efisiensi konversi elektro-akustik yang baik, dan pencocokan yang mudah dengan rangkaian eksitasi. Selain itu, kadmium sulfida (CdS), aluminium nitrida (AlN), dll. juga merupakan bahan film tipis piezoelektrik yang baik.