圧電セラミックスの機械的品質係数の Qm 値に影響を与える要因
ビュー: 30 著者: サイト編集者 公開時間: 2019-10-08 起源: サイト
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1ドメイン運動
Pb(Zr0.52Ti0.48)O3における PZT材料の圧電セラミックス 組成物にLa2O3、Nb2O5、ThO2、WO3などの酸化物を添加するとQm値が低下します。 Qm の減少を説明するために、次のようなメカニズムが提案されています。 PZTセラミックス中のPb2+、Ti4+、Zr4+をLa3+、Nb5+、W6+などのPb2+、Ti4+、Zr4+より価数の高い金属イオンに置き換えると、格子出力特性を維持するためにピエゾセラミックス中にPb空孔が発生します。このPb欠損により、ドメインの回転を妨げる内部応力が減少するため、ドメインが動きやすくなり、内部摩擦が増加し、誘電損失が増加し、Qm値が低下します。磁壁の移動により Qm 値が低下すると考えられます。さらに、山内氏と高橋氏が導き出した公式では、Q-1m 値が誘電損失に比例することがわかります。誘電損失の原因の 1 つは、交流電界の作用下での磁壁振動ヒステリシスによって引き起こされるエネルギー消費です。このため、磁壁振動のヒステリシスにより媒体の損失が生じ、Qm値が低下する。したがって、低 Qm ドープ修飾圧電セラミック材料では、磁壁移動の困難さが Qm 値に直接対応します。
2 スペースチャージ
PZT 圧電セラミックス中の Pb2 + 、Ti4 + 、Zr4 + を、Pb2 + または Ti4 + 、Zr4 + よりも価数の低い金属イオン (K+、Na + 、Cr3 + 、Fe3 + など) に置換すると、Qm 値が著しく増加します。これは、ドメイン上の空間電荷の影響によって説明できます。純粋な PZT 圧電セラミックスは鉛の空孔により正孔型の伝導を示し、正低価金属イオン添加剤は体内でアクセプターとして機能します。低コストの金属イオンを添加すると、圧電セラミック体内の負の中心とキャリアの正孔が大幅に増加します。つまり、大量の空間電荷が生成されます。磁壁の不連続な変化によって生じる電界をなくすために、負に帯電した空間電荷が磁区内に集中します。正の端子と正に帯電した空間電荷はドメイン壁の負の端に集中し、ドメインの分極方向と同じ空間電荷場 (Eq) を形成します。ドメインを回転させるために外部電場が印加されると、元のドメインの自発分極を克服するだけでなく、空間電荷場式 (1) も克服されます。つまり、空間電荷の効果によりドメインの動きが抑制され、内部摩擦が減少し、Qm値が増加します。セラミック中の存在を推定するには、導入された空間電荷の量を観察できます。定義は、空間電荷量を特徴付ける空間電荷量 (Ps - Pi) / Ps のパラメータです。 ( Ps - Pi ) / Ps の値は不純物の種類と量によって異なります。安価な金属添加剤（ハード添加剤）の場合、ドーピング量が増加するにつれて空間電荷の量が増加しますが、高価な添加剤（ソフト添加剤）の空間電荷の量は小さく、測定することがほとんど不可能です。したがって、Qm 値が高い圧力は電気セラミックスでは Qm 値の変化が空間電荷に関係します。温度が上昇すると、空間電荷が空間内を移動します。 ピエゾセラミック結晶は空間電荷の蓄積を減らし、磁壁の移動を促進し、Qm値を低下させます。セラミックスにより柔らかい素材を添加しているため、体内で発生する空間電荷量が少なく、温度変化による空間電荷の移動も少ないです。したがって、Qm の温度安定性は一般に硬質添加剤の温度安定性よりも高くなります。
3 本体抵抗率 軟質添加物改質材料の場合
少量のドーパントが過剰な電子を提供するため、体積抵抗率は硬質添加剤で修飾された材料の体積抵抗率よりも 1 ～ 2 桁高くなります。独自の正孔の再結合により、圧電セラミック本体内の電子正孔の濃度が減少し、それによって体積抵抗率が増加します。体積抵抗率が高いと、圧電磁器の分極電界強度が大きくなり、ドメイン配向運動がより十分に行われるため、誘電損失が増加し、Qm値が低下します。硬く添加物がドープされた材料の場合、空間電荷とバルク抵抗の増加には Qm の増加が伴います。温度が低いほど、材料のバルク抵抗率は大きくなり、空間電荷の移動が困難になり、ドメインの移動が抑制され、Qm 値が低下します。体積抵抗率とＱｍ値との関係を定量的に表すと、上述したように、Ｑｍ値は空間電荷量と体積抵抗率の関数として表される。
4 粒径 分極処理時の粒径が大きく、
粒界に発生するクランプ応力が小さく、分極しやすく、内部摩擦が減少し、Qm値が大きくなります。ただし、粒径が大きすぎると粒ズレが生じます。小型化の増加、圧電性能に影響。粒子が小さすぎると、粒界がドメインに対して強いクランプ効果を持ち、ドメインのステアリング動作が困難になり、圧電性能が低下します。したがって、粒子サイズは適度でなければなりません。 CeO2 ドープ Pb (Mn1/ 3Sb2/ 3)2PbTiZrO3 三元圧電セラミックスの研究では、CeO2 を添加するとセラミックが緻密になり、粒子が適度になり、圧電セラミックの微細構造が改善されることがわかりました。高電圧、高Qm値の定在波超音波モーター材料が得られました。
5 格子定数の検討
PZT系の状態図 圧電ディスクトランスデューサ 材料では、Zr/Ti 比と 3 番目または 4 番目の成分を調整すると格子パラメータが変化することがわかります。さらに、ドーピングイオンが格子に入り、結晶の格子パラメータも変化します。結晶軸比がｃ／ａより大きくなると、分極の際、構造によっては自発分極Ｐｓが回転しにくくなり、圧電性能が低下する場合がある。ピエゾ結晶軸比 c/a が減少すると Ps になります。逆転しやすいため内部摩擦が増加しQmが低下します。したがって、二元または多元素の鉛ベースの圧電セラミック材料の場合、格子パラメータも Qm 値に影響します。
6 振動モード
Qm値は、圧電振動子の共振時の内部摩擦による機械的損失の度合いを表します。明らかに、Qm 値は振動モードに関連しています。圧電振動子にはPMN2PZT圧電セラミック材料を使用しています。ジャイロ４重振動子と円筒振動子のQm値と温度の関係を調べたところ、円筒振動子のQm曲線は正方振動子に比べて約30℃低く、つまり正方振動であることがわかります。 Qm値約0℃は、円筒振動子のQm値-30～80℃に相当します。したがって、Qm 値の調整は、材料組成の選択だけでなく、振動モードを変更することによっても検討できます。
