Composizione del materiale ceramico piezoelettrico

Diversi campi di applicazione hanno requisiti prestazionali diversi materiali ceramici piezoelettrici . 1 Materiale ceramico piezoelettrico perovskite, la formula chimica è ABO3, A è uno ione positivo con un ampio raggio, che può essere +1, +2, +3; B è uno ione positivo con un piccolo raggio, che può essere +3, +4, +5, +6. Il raggio ionico dei tre ioni A, B e O può soddisfare la seguente relazione per formare la struttura ABO3: RA+RO=t√2 (RB+RO, t è un fattore di tolleranza, generalmente può formare calcio tra 0,86 e 1,03. Struttura del minerale di titanio Formulazione tipica: (1) 0,99 [PbTiO3 + 0,04 La2 / 3TiO3] + 0,01 MnO2, la temperatura di calcinazione è 850 ° C, conservazione del calore per 2 ore, temperatura di cottura è 1240 ° C, conservazione del calore per 1 ora ε = 240, Kp=0,096, Qm=1050, Nt=2120 (2) Porcellana filtrante ad alta frequenza (30M-100MC) PbTiO3+1wt%MnO2+1wt%Pb3O4ε=150. Kp=0,40, Qm=800~1000, temperatura e tempo Buona stabilità 3PbTiO3+3,0%CeO2++0,3MnO2+2,53%Nb2O5,ε=230,Qm=1000.

(1) Con la variazione di Zr:Ti, il punto Curie cambia quasi linearmente da 235 °C a 490 °C, e la linea Tc è una fase paraelettrica cubica senza effetto piezoelettrico.

(2) Zr: esiste un confine di fase quasi omogeneo vicino a Ti=53:47, il lato ricco di titanio è la fase ferroelettrica tetragonale FT; il lato ricco di zirconio è la fase ferroelettrica trigonale ad alta temperatura FR, la temperatura di i trasduttori piezoelettrici in ceramica si alzano e questo confine di fase è ricco di zirconio. Il lato è inclinato e interseca la linea Tc a 360 ° C (indicando che la temperatura di Curie Tc è elevata vicino al confine di fase) e i parametri della cella unitaria vengono bruscamente modificati vicino al confine di fase. C'è un forte effetto piezoelettrico vicino al confine di fase tra la fase ferroelettrica tetragonale FT e la fase ferroelettrica trigonale FR. Kp, ε ha un valore massimo e Qm ha un valore molto piccolo. Le proprietà piezoelettriche della porcellana PZT vicino al confine di fase sono molto più elevate di quelle della porcellana BaTiO3. Poiché la Tc della porcellana PZT al confine è elevata (360°C), KP ed ε sono entrambi stabili entro 200°C, che è un materiale piezoelettrico ideale. Modifica antidoping della porcellana PZT di trasduttore piezoelettrico elettronico in ceramica . Per soddisfare scopi diversi, abbiamo bisogno di ceramiche piezoelettriche PZT con varie proprietà. Per questo motivo, possiamo aggiungere ioni diversi per sostituire lo ione Pb2+ nel sito A o lo ione Zr4+, Ti4+ nel sito B. Migliorando così le prestazioni del materiale.

Altra sostituzione sostituzione hard modificata sostituzione soft modificata sostituzione eterovalente modificata sostituzione equivalente drogato PZT modificato (1) sostituzione equivalente sostituzione equivalente significa che il raggio di Ca2+, Sr2+, Mg2+ è inferiore a quello dello ione Pb2+ La sostituzione ionica degli ioni Pb2+ determina un aumento della costante dielettrica ε del PZT disco piezoceramico , un aumento del coefficiente di accoppiamento elettromeccanico KP e un aumento della costante piezoelettrica d, migliorando così le proprietà piezoelettriche della ceramica PZT. Il termine 'modifica di sostituzione morbida' significa che l'aggiunta di questi additivi può ridurre l'intensità del campo coercitivo EC di ↓ e la polarizzazione è facile, in modo che le proprietà del materiale diventino 'morbide' sotto l'azione del campo elettrico o dello stress.

(a) La3+, Bi3+, Sb3+, ecc. sostituiscono lo ione Pb+2 del sito A (doping del donatore); Nb5+, Ta5+, Sb5+, W6+, ecc. Sostituendo gli ioni Zr4+ e Ti4+ in posizione B (doping del donatore). Le proprietà della porcellana PZT modificata mediante sostituzione morbida presentano i seguenti cambiamenti: l'intensità del campo coercitivo EC diminuisce ↓, il fattore di qualità meccanica Qm diminuisce ↓; la costante dielettrica ε aumenta ↑, la perdita dielettrica tan δ aumenta ↑, il coefficiente di accoppiamento elettromeccanico KP. Quando si aumenta ↑, aumenta la resistenza all'invecchiamento e la resistività di isolamento ρ aumenta ↑. La ragione di ciò è che la loro aggiunta porta alla formazione di una carenza di Pb2+. Ad esempio, se ogni due La3+ sostituiscono 3 Pb2+, per mantenere l'equilibrio del prezzo dell'elettricità, il numero di cationi nella posizione A nella struttura della perovskite viene ridotto e viene generato un posto A vacante. A causa dell'assenza di Pb2+, il movimento del dominio è facilitato e anche una piccola intensità del campo elettrico o uno stress meccanico possono causare il movimento delle pareti del dominio. 

Di conseguenza, un aumento della costante dielettrica e del coefficiente di elasticità di Si verificano trasduttori ceramici piezoceramici Pzt e, allo stesso tempo, la perdita dielettrica e la perdita meccanica aumentano e Qm diminuisce. Inoltre, poiché l'orientamento dei domini è facile, viene aumentato il numero di domini orientati nella direzione del campo elettrico, aumentando così la polarizzazione, per cui viene notevolmente aumentato l'effetto piezoelettrico, che è rappresentato da un aumento del valore Kp. Poiché la resistenza di guida del dominio diventa piccola, il campo coercitivo per invertire la polarizzazione per superare la resistenza è piccolo e la linea di ritorno è quasi rettangolare. Inoltre, a causa dell'assenza di Pb2+, lo stress interno causato dallo sterzo a 90 domini viene tamponato, in modo che la deformazione residua diventi piccola. In altre parole, poiché le pareti dei domini si spostano facilmente, lo stress interno dei domini viene facilmente rilasciato, quindi le prestazioni di invecchiamento sono buone. Gli additivi 'morbidi' sono additivi modificanti comunemente usati.

(b) Ad esempio, il materiale del trasduttore acustico subacqueo di tipo accettante è spesso drogato con La2O3 e Nb2O5 per aumentare il valore Kp e la costante dielettrica. Pb0,95Sr0,05(Zr0,52Ti0,48)O3+0,9%La2O3+0,9%Nb2O5, Kp=0,60, ε=2100, Qm=80, buona stabilità, resistività volumetrica 1012 ohm additivo 'morbido' La quantità generalmente non supera il 5%. b Modifica di sostituzione dura, la cosiddetta 'modifica di sostituzione dura' significa che l'aggiunta di questi additivi può aumentare l'intensità del campo coercitivo EC e la polarizzazione diventa difficile, quindi le proprietà del materiale diventano 'dure' sotto l'azione del campo elettrico o dello stress.

(a) K+, Na+, ecc. che sostituiscono gli ioni Pb2+ del sito A (doping dell'accettore);

(b) Ioni Zr4+ e Ti4+ (drogati con accettore) sostituiti con B in Fe2+, Co2+, Mn2+ (o Fe3+, Co3+, Mn3+), Ni2+, Mg2+, Al3+, Cr3+ e simili.

Le proprietà della porcellana PZT modificata mediante sostituzione dura presentano i seguenti cambiamenti: l'intensità del campo coercitivo EC aumenta ↑, il fattore di qualità meccanica Qm aumenta ↑; la costante dielettrica ε diminuisce, la perdita dielettrica tan δ diminuisce ↓, il coefficiente di accoppiamento elettromeccanico KP diminuisce Piccolo ↓, la resistenza all'invecchiamento è ridotta e la resistività di isolamento ρ è ridotta.

Ceramica piezoelettrica a base di perovskite ternaria

Modificando il rapporto Zr/Ti e incorporando una piccola quantità di additivi, sebbene alcune proprietà possano essere migliorate, a causa della gamma sempre più ampia di materiali piezoelettrici, i requisiti per i materiali diventano sempre più elevati e solo i sistemi binari non possono soddisfare i requisiti per l’uso. Quindi esiste un sistema ternario. Il cosiddetto materiale ceramico piezoelettrico perovskite ternario si riferisce a una soluzione solida formata da un composto composito di perovskite e titanato di zirconato di piombo.