Parametri dei materiali piezoelettrici ed equazioni piezoelettriche (4)

Quattro. Classificazione dei materiali piezoelettrici
1. Il primo tipo di materiale piezoelettrico monocristallo piezoelettrico. Si tratta di un materiale ferroelettrico monocristallo naturale o artificiale con anisotropia. Il suo effetto piezoelettrico si basa sulla composizione della struttura cristallina causata da cambiamenti nella posizione relativa degli ioni positivi e negativi sul reticolo. Cristalli singoli piezoelettrici comunemente usati. Quarzo (SiO2): si tratta di un cristallo formato naturalmente o coltivato artificialmente (cristallo artificiale) con buona uniformità e elevato punto di curie; alta impedenza ed elevato Q meccanico (Qm); elevata durezza e buona resistenza all'usura; Le prestazioni sono estremamente stabili, l'invecchiamento è estremamente lento e minimo e le sue prestazioni cambiano con la temperatura sono molto piccole e si può ottenere il coefficiente di temperatura della frequenza lineare che non cambia nel tempo; la perdita è piccola e può essere utilizzata per frequenze estremamente elevate; le prestazioni di isolamento sono buone, può essere utilizzato in modo elevato sotto tensione; può essere utilizzato in ambienti con temperature più elevate ed estremamente basse. A causa delle sue numerose proprietà superiori, il quarzo è ancora ampiamente utilizzato oggi, soprattutto come trasduttore standard e come oscillatore temporale nelle apparecchiature informatiche. Lo svantaggio è che l'efficienza di conversione elettromeccanica è bassa, il che riduce il guadagno del circuito del sistema.

Niobato di litio (LiNbO3): si tratta di un singolo cristallo ferroelettrico coltivato artificialmente con un diametro fino a 120 mm. Il niobato di litio può essere utilizzato per eccitare direttamente l'onda trasversale ultrasonica con un elevato coefficiente di accoppiamento elettromeccanico ed eccellenti prestazioni piezoelettriche. Ha un valore Qm elevato e un punto di curie elevato. Può essere utilizzato ad alte temperature, con polarizzazione stabile e propagazione ultrasonica. La perdita è piccola, non è deliquescente e la costante di frequenza è molto grande. Può essere utilizzato per realizzare trasduttori ad altissima frequenza. Pertanto, è stato utilizzato come materiale di base comune per i trasduttori di onde acustiche superficiali. Se utilizzato come trasduttore di onde di volume, può ottenere una sensibilità migliore rispetto ai comuni trasduttori ceramici piezoelettrici. Viene utilizzato anche per la misurazione dello spessore ad ultrasuoni, la misurazione ristretta e il trasduttore di impulsi. Anche questo è un cristallo singolo artificiale. Ha buone proprietà meccaniche, è facile da lavorare, può essere sciolto in acqua ma non è facile da deliquescere, ha proprietà fisiche e chimiche relativamente stabili e ha eccellenti proprietà piezoelettriche di Striscia piezoelettrica in materiale PZT
. Il coefficiente di accoppiamento elettromeccanico, la bassa costante dielettrica e il valore Qm sono piuttosto bassi, sono adatti per realizzare trasduttori a banda larga e linee di ritardo ad alta sensibilità e alta risoluzione, come la misurazione dello spessore a ultrasuoni e trasduttori a impulsi stretti. Inoltre è presente solfato di litio (Li2SO4) con buone prestazioni di ricezione.

3. Il secondo tipo di ceramica piezoelettrica di materiale piezoelettrico. Si tratta di un materiale ferroelettrico policristallino realizzato mediante cottura manuale del metodo di sinterizzazione delle polveri. L'effetto piezoelettrico si basa sull'effetto elettrostrittivo e le sue proprietà piezoelettriche cambiano con la sinterizzazione. Esistono differenze nella lavorazione artigianale e negli ingredienti di formulazione, quindi ne esistono molti tipi e prestazioni diverse. Ad esempio: macinare il materiale a 400 mesh, aggiungere un legante, pressare, cuocere ad alta temperatura e quindi segare, macinare e lucidare in un wafer ceramico piezoelettrico finito. Le ceramiche piezoelettriche sono facili da trasformare in varie forme e possono essere fatte vibrare in una varietà di modalità di vibrazione per adattarsi a vari usi. Presenta un elevato coefficiente di accoppiamento elettromeccanico, un elevato guadagno di anello e sensibilità, che sono i suoi importanti vantaggi. Le ceramiche piezoelettriche comunemente utilizzate sono: Titanato di bario (BaTiO3): è una miscela di biossido di titanio (TiO2) e carbonato di bario (BaCO3) sinterizzato ad alta temperatura. Si tratta di una ceramica piezoelettrica precedente, la sua temperatura di curie è bassa, la dipendenza dalla temperatura è elevata e la stabilità temporale e termica sono scarse. Ora è ancora utilizzato per radiatori sonar e trasduttori ultrasonici. Titanato zirconato di piombo, codice PZT, ha una varietà di formule e caratteristiche ed è attualmente la ceramica piezoelettrica più comunemente utilizzata.

La caratteristica principale della serie PZT il cristallo piezoelettrico è l'elevato coefficiente di accoppiamento elettromeccanico, di cui il PZT-4 è un tipo di trasmissione, e le sue elevate caratteristiche di eccitazione sono buone (alto valore Qm, piccola perdita interna, ecc.), adatto per radiatori sonar e trasduttori ultrasonici. , Generatore ad alta tensione e trasduttore ad alta potenza. PZT-5 è un tipo di ricevitore. Ha un'elevata costante dielettrica, un basso invecchiamento e un basso valore Qm. È adatto per idrofoni, trasduttori ultrasonici, giradischi, microfoni e componenti di altoparlanti. È adatto anche per il rilevamento di impulsi a banda larga, ecc. Inoltre: PZT-2, PZT-5A, PZT-5H, PZT-6A, PZT-7A, PZT-8... e così via.

Lo zincato di niobio e piombo ha un elevato coefficiente di accoppiamento elettromeccanico della vibrazione radiale e un basso valore Qm (l'aggiunta di MnO2 o NiO2 può aumentare Qm a 200), ha una maggiore stabilità della temperatura, adatta per materiali filtranti. Serie di cobalto di niobio di piombo: i suoi coefficienti di accoppiamento elettromeccanico di vibrazione radiale Kp e Qm sono relativamente alti, che possono essere utilizzati come vibratori e trasformatori a ultrasuoni, filtri, pickup, ecc. Manganato di niobio di piombo: valore Qm elevato, buona stabilità temporale, costante dielettrica bassa, coefficiente di accoppiamento elettromeccanico medio Kp di vibrazione radiale, adatto per filtro e oscillatore della linea di ritardo. Antimonato di niobio di piombo: elevato valore Kp, buona stabilità, ampio valore Qm e coefficiente di temperatura della frequenza ridotto. Sistema piombo-antimonio-manganese: Kp ha un ampio intervallo di regolazione, un elevato valore Qm, una piccola perdita dielettrica e una buona stabilità. Piombo, tungsteno e manganese: tensione di rottura estremamente elevata, ampio valore Qm, ampio valore Kp e buona stabilità della temperatura alla frequenza di risonanza.

Sistema al niobato di piombo: la costante dielettrica è elevata, il Kp è medio e le caratteristiche della frequenza del suono sono buone. Il sistema piombo-tungsteno-cadmio ha una buona temperatura e stabilità temporale della frequenza. Tellurato di magnesio e piombo. Può resistere a pressioni ripetute e ha un basso invecchiamento delle proprietà elettriche e meccaniche. Inoltre, sono presenti antimonato di piombo e litio e tantalato di piombo e litio, che hanno una buona stabilità e bassi valori Qm e sono adatti per trasduttori acustici subacquei. Oltre alla ceramica piezoelettrica ternaria, sono state sviluppate ceramiche piezoelettriche quaternarie di niobio nichel-niobio zinco-titanio-zirconato di piombo.

Il terzo tipo di materiale piezoelettrico materiale piezoelettrico: materiale polimero polare. Si tratta di un nuovo polimero semicristallino sintetizzato artificialmente con un effetto piezoelettrico, chiamato polimero polare, e il suo effetto piezoelettrico si basa su un polimero polare. La rotazione molecolare è attualmente migliore con il fluoruro di polivinilidene (PVDF). Il PVDF (-CH2-CF2-) è uno dei polimeri più polari. Il film di PVDF viene allungato per diverse volte la sua lunghezza originale a una temperatura inferiore a 100 ° C per ottenere un film di tipo β (una forma cristallina di PVDF), che viene applicato con un elettrodo (solitamente alluminio) e polarizzato in un campo elettrico CC elevato (temperatura è 80-150 ℃), ottiene prestazioni piezoelettriche, può essere utilizzato efficacemente come ricevitore acustico, ha una buona stabilità termica, inoltre, il materiale può essere piegato, l'impedenza acustica è piccola e si abbina bene con l'acqua, particolarmente adatto per idrofoni e trasduttori per test diagnostici sul campo sonoro a ultrasuoni medici. Gli svantaggi dei materiali a pellicola piezoelettrica sono che il rapporto segnale-rumore non è ideale, il coefficiente di accoppiamento elettromeccanico non è abbastanza grande e le perdite meccaniche e dielettriche sono relativamente grandi. Inoltre, poiché il fattore di qualità (Qm, Qe) è piccolo, non è adatto per luoghi in cui è richiesta una forte risonanza, né per grandi input e lavoro continuo, perché il suo effetto piezoelettrico se utilizzato per lungo tempo a una temperatura superiore a 80 ° C diminuisce. Inoltre, i materiali piezoelettrici polimerici polari includono polifluoroetilene (PVF2) e simili.

Il quarto tipo di materiale piezoelettrico: materiale piezoelettrico composito e pellicola piezoelettrica di ossido di zinco. Materiale piezoelettrico composito la piastra per la raccolta di energia è composta da particelle ceramiche ferroelettriche disperse e miscelate in materiali polimerici. Come i materiali elettrici, le loro proprietà piezoelettriche dipendono non solo dalle particelle ceramiche, ma anche dal tipo di materiali polimerici utilizzati come matrice, in particolare i sistemi compositi con polimeri ad alta permeabilità come PVDF e fluoruro di vinilidene. , Può essere utilizzato come materiale piezoelettrico resistente. Questo materiale piezoelettrico non necessita di essere allungato come altri corpi piezoelettrici polimerici ed è isotropo internamente. Cambiando la tipologia della matrice polimerica si può ottenere un ampio intervallo di moduli elastici. In particolare può essere pressato a caldo ed è pratico. molto conveniente. Ad esempio, i materiali compositi delle serie PVDF e PZT hanno proprietà piezoelettriche e dielettriche molto stabili. Questi materiali hanno raggiunto la fase pratica e sono simili ai materiali polimerici piezoelettrici nell'applicazione.

La pellicola piezoelettrica di ossido di zinco (ZnO) (realizzata mediante processo di spruzzatura sotto vuoto) viene utilizzata per la generazione di ultrasuoni ad altissima frequenza e la ricezione di trasduttori. Può essere utilizzato nella banda di frequenza 30-3000 MHz e ha un buon effetto. Può essere utilizzato per lo studio delle proprietà dei materiali, della linea di ritardo ultrasonica, del dispositivo acusto-ottico, dell'elaborazione delle informazioni e della comunicazione, del microscopio a ultrasuoni, ecc., con larghezza di banda di frequenza, buona efficienza di conversione elettroacustica e facile abbinamento con il circuito di eccitazione. Inoltre, anche il solfuro di cadmio (CdS), il nitruro di alluminio (AlN), ecc. sono buoni materiali piezoelettrici a film sottile.