Komposisi bahan seramik piezoelektrik

Julat aplikasi yang berbeza mempunyai keperluan prestasi yang berbeza untuk bahan seramik piezoelektrik . 1 Bahan seramik piezoelektrik Perovskite, formula kimianya ialah ABO3, A ialah ion positif dengan jejari yang besar, yang boleh menjadi +1, +2, +3; B ialah ion positif dengan jejari kecil, yang boleh menjadi +3 , +4, +5, +6. Jejari ion bagi tiga ion A, B dan O boleh memenuhi hubungan berikut untuk membentuk struktur ABO3: RA+RO=t√2 (RB+RO, t ialah faktor toleransi, secara amnya boleh membentuk kalsium antara 0.86 dan 1.03. Struktur bijih titanium Formulasi biasa: (1) 0.99 [PbTiO3 + 0.04] MnO2, suhu pengkalsinan ialah 850 ° C, pemeliharaan haba selama 2 jam, suhu pembakaran ialah 1240 ° C, pemeliharaan haba selama 1 jam ε = 240, Kp=0.096, Qm=1050, Nt=2120 (2) Penapis frekuensi tinggi (30M-100MC). PbTiO3+1wt%MnO2+1wt%Pb3O4ε=150, Kp=0.40, Qm=800~1000, suhu dan masa Kestabilan yang baik.

(1) Dengan perubahan Zr:Ti, titik Curie berubah hampir secara linear daripada 235 °C kepada 490 °C, dan garisan Tc ialah fasa paraelektrik padu tanpa kesan piezoelektrik.

(2) Zr: Terdapat sempadan fasa kuasi-homogen berhampiran Ti=53:47, bahagian yang kaya dengan titanium ialah fasa ferroelektrik tetragonal FT; bahagian yang kaya dengan zirkonium ialah fasa ferroelektrik trigonal suhu tinggi FR, suhu transduser seramik piezoelektrik meningkat, dan sempadan fasa ini kaya dengan zirkonium Bahagiannya condong dan bersilang dengan garisan Tc pada 360 ° C (menunjukkan bahawa suhu Curie Tc adalah tinggi berhampiran sempadan fasa), dan parameter sel unit berubah secara mendadak berhampiran sempadan fasa. Terdapat kesan piezoelektrik yang kuat berhampiran sempadan fasa antara fasa feroelektrik tetragonal FT dan fasa ferroelektrik trigonal FR. Kp, ε mempunyai nilai maksimum dan Qm mempunyai nilai yang sangat kecil. Sifat piezoelektrik porselin PZT berhampiran sempadan fasa adalah lebih tinggi daripada porselin BaTiO3. Oleh kerana Tc porselin PZT di sempadan adalah tinggi (360 ° C), KP dan ε kedua-duanya stabil dalam 200 ° C, yang merupakan bahan piezoelektrik yang ideal. Pengubahsuaian Doping Porselin PZT daripada transduser seramik piezo elektronik . Untuk memenuhi tujuan yang berbeza, kita memerlukan seramik piezoelektrik PZT dengan pelbagai sifat. Atas sebab ini, kita boleh menambah ion berbeza untuk menggantikan ion Pb2+ di tapak A atau ion Zr4+, Ti4+ di tapak B. Dengan itu meningkatkan prestasi bahan.

Penggantian lain penggantian keras diubah suai penggantian lembut diubah suai penggantian heterovalen diubah suai penggantian setara doped diubah suai PZT (1) penggantian setara penggantian setara bermakna bahawa jejari Ca2+, Sr2+, Mg2+ adalah lebih kecil daripada ion Pb2+ Penukaran ion+ pemalar dielektrik menghasilkan pemalar Pb2. PZT cakera seramik piezo , peningkatan dalam pekali gandingan elektromekanikal KP, dan peningkatan dalam pemalar piezoelektrik d, dengan itu meningkatkan sifat piezoelektrik seramik PZT. Istilah 'pengubahsuaian penggantian lembut' bermaksud bahawa penambahan bahan tambahan ini boleh mengurangkan kekuatan medan paksaan EC sebanyak ↓, dan polarisasi adalah mudah, supaya sifat bahan menjadi 'lembut' di bawah tindakan medan elektrik atau tegasan.

(a) La3+, Bi3+, Sb3+, dsb. menggantikan ion Pb+2 tapak A (doping penderma); Nb5+, Ta5+, Sb5+, W6+, dsb. Menggantikan kedudukan B Zr4+, ion Ti4+ (doping penderma). Sifat porselin PZT yang diubah suai oleh penggantian lembut mempunyai perubahan berikut: kekuatan medan paksaan EC berkurangan ↓, faktor kualiti mekanikal Qm berkurangan ↓; pemalar dielektrik ε meningkat ↑, kehilangan dielektrik tan δ meningkat ↑, pekali gandingan elektromekanikal KP Apabila ↑ meningkat, rintangan penuaan meningkat dan kerintangan penebat ρ meningkat ↑. Sebab untuk ini ialah penambahan mereka membawa kepada pembentukan kekurangan Pb2+. Sebagai contoh, jika setiap dua La3+s menggantikan 3 Pb2+, untuk mengekalkan keseimbangan harga elektrik, bilangan kation pada kedudukan A dalam struktur perovskit dikurangkan, dan kekosongan A dijana. Disebabkan ketiadaan Pb2+, pergerakan domain menjadi mudah, malah kekuatan medan elektrik yang kecil atau tegasan mekanikal boleh menyebabkan dinding domain bergerak. 

Akibatnya, peningkatan dalam pemalar dielektrik dan pekali pematuhan anjal bagi Transduser seramik piezoceramic Pzt berlaku, dan pada masa yang sama, kehilangan dielektrik dan kehilangan mekanikal meningkat, dan Qm berkurangan. Lebih-lebih lagi, oleh kerana stereng domain adalah mudah, bilangan domain yang berorientasikan ke arah medan elektrik meningkat, dengan itu meningkatkan polarisasi, supaya kesan piezoelektrik meningkat dengan banyak, yang diwakili oleh peningkatan dalam nilai Kp. Oleh kerana rintangan stereng domain menjadi kecil, medan paksaan untuk membalikkan polarisasi untuk mengatasi rintangan adalah kecil, dan garisan kembali adalah hampir segi empat tepat. Selain itu, disebabkan ketiadaan Pb2+, tegasan dalaman yang disebabkan oleh stereng 90-domain ditimbal, supaya terikan baki menjadi kecil. Dalam erti kata lain, oleh kerana dinding domain mudah dialihkan, tekanan dalaman domain mudah dilepaskan, jadi prestasi penuaan adalah baik. Aditif 'Lembut' biasanya digunakan sebagai aditif pengubahsuaian.

(b) Sebagai contoh, bahan transduser akustik bawah air jenis penerima sering didopkan dengan La2O3 dan Nb2O5 untuk meningkatkan nilai Kp dan pemalar dielektrik. Pb0.95Sr0.05(Zr0.52Ti0.48)O3+0.9%La2O3+0.9%Nb2O5, Kp=0.60, ε=2100, Qm=80, kestabilan yang baik, kerintangan volum 1012 ohm 'lembut' aditif Jumlah umumnya tidak melebihi 5%. b Pengubahsuaian penggantian keras, apa yang dipanggil 'pengubahsuaian penggantian keras' bermakna penambahan bahan tambahan ini boleh meningkatkan kekuatan medan paksaan EC, dan polarisasi menjadi sukar, jadi sifat bahan menjadi 'keras' di bawah tindakan medan elektrik atau tegasan.

(a) K+, Na+, dsb. menggantikan ion Pb2+ tapak A (doping penerima);

(b) Ion Zr4+ dan Ti4+ (didopkan penerima) digantikan dengan B pada Fe2+, Co2+, Mn2+ (atau Fe3+, Co3+, Mn3+), Ni2+, Mg2+, Al3+, Cr3+, dan seumpamanya.

Sifat porselin PZT yang diubah suai dengan penggantian keras mempunyai perubahan berikut: Kekuatan medan paksaan EC meningkat ↑, faktor kualiti mekanikal Qm meningkat ↑; pemalar dielektrik ε berkurangan, kehilangan dielektrik tan δ berkurangan ↓, pekali gandingan elektromekanikal KP berkurangan Kecil ↓, rintangan penuaan berkurangan, dan rintangan penebat ρ berkurangan.

Seramik piezoelektrik perovskite ternary

Dengan menukar nisbah Zr/Ti dan memasukkan sejumlah kecil aditif, walaupun beberapa sifat boleh diperbaiki, disebabkan oleh julat bahan piezoelektrik yang lebih luas dan lebih luas, keperluan untuk bahan semakin tinggi dan lebih tinggi, dan hanya sistem binari tidak dapat memenuhi keperluan untuk digunakan. Jadi terdapat sistem ternary.Bahan seramik piezoelektrik ternary perovskite merujuk kepada larutan pepejal yang terbentuk daripada sebatian perovskit komposit dan titanat zirkonat plumbum.