Parameter bahan piezoelektrik dan persamaan piezoelektrik (4)

Empat. Klasifikasi bahan piezoelektrik
1. Jenis pertama bahan piezoelektrik kristal tunggal piezoelektrik .Ini adalah bahan ferroelektrik kristal tunggal yang wujud secara semula jadi atau tiruan dengan anisotropi. Kesan piezoelektriknya adalah berdasarkan komposisi struktur kristal Disebabkan oleh perubahan kedudukan relatif ion positif dan negatif pada kekisi. Kristal tunggal piezoelektrik yang biasa digunakan .Kuarza (SiO2): Ini adalah kristal (kristal buatan manusia) yang dibentuk secara semula jadi atau ditanam dengan keseragaman yang baik dan titik curie yang tinggi; galangan tinggi dan Q mekanikal yang tinggi (Qm); kekerasan tinggi dan rintangan haus yang baik; Prestasinya sangat stabil, penuaan sangat perlahan dan minimum, dan prestasinya berubah dengan suhu sangat kecil, dan pekali suhu frekuensi linear yang tidak berubah mengikut masa boleh diperolehi; kerugian adalah kecil, yang boleh digunakan untuk frekuensi yang sangat tinggi; prestasi penebat adalah baik, ia boleh digunakan tinggi di bawah voltan; yang boleh digunakan dalam persekitaran suhu yang lebih tinggi dan sangat rendah. Kerana banyak sifat unggulnya, kuarza masih digunakan secara meluas hari ini, terutamanya sebagai transduser standard dan sebagai pengayun masa dalam peralatan komputer. Kelemahannya ialah kecekapan penukaran elektromekanikal adalah rendah, yang menjadikan keuntungan gelung sistem lebih rendah.

Lithium Niobate (LiNbO3): Ini adalah kristal tunggal ferroelektrik buatan dengan diameter sehingga 120mm. Litium niobate boleh digunakan untuk merangsang gelombang melintang ultrasonik secara langsung dengan pekali gandingan elektromekanikal yang tinggi dan prestasi piezoelektrik yang sangat baik. Ia mempunyai nilai Qm yang besar dan titik curie yang tinggi. Ia boleh digunakan pada suhu tinggi, dengan polarisasi yang stabil dan penyebaran ultrasonik. Kerugian adalah kecil, ia tidak deliquescent, dan pemalar frekuensi adalah sangat besar. Ia boleh digunakan untuk membuat transduser frekuensi ultra tinggi .Oleh itu, ia telah digunakan sebagai bahan asas biasa untuk transduser gelombang akustik permukaan. Apabila digunakan sebagai transduser gelombang isipadu, ia boleh memperoleh kepekaan yang lebih baik daripada transduser seramik piezoelektrik biasa. Ia juga digunakan untuk pengukuran ketebalan ultrasonik, pengukuran sempit dan transduser nadi. Ini juga merupakan kristal tunggal tiruan. Ia mempunyai sifat mekanikal yang baik, mudah diproses, boleh dilarutkan dalam air tetapi tidak mudah dicairkan, yang mempunyai sifat fizikal dan kimia yang agak stabil, dan mempunyai sifat piezoelektrik yang sangat baik. jalur piezoelektrik bahan PZT
. Pekali gandingan elektromekanikal dan pemalar dielektrik yang rendah, dan nilai Qm agak rendah, ia sesuai untuk membuat transduser jalur lebar berkepekaan tinggi, resolusi tinggi dan talian tunda, seperti membuat pengukuran ketebalan ultrasonik dan transduser nadi sempit. Di samping itu, terdapat litium sulfat (Li2SO4) dengan prestasi penerimaan yang baik.

3. Jenis kedua seramik piezoelektrik bahan piezoelektrik .Ini adalah bahan ferroelektrik polihabluran yang dibuat dengan penembakan manual kaedah pensinteran serbuk. Kesan piezoelektrik adalah berdasarkan kesan elektrostriktif, dan sifat piezoelektriknya berubah dengan pensinteran. Terdapat perbezaan dalam ketukangan dan ramuan formulasi, jadi terdapat banyak jenis dan persembahan yang berbeza. Contohnya: mengisar bahan hingga 400 mesh, menambah pengikat, menekan, membakar pada suhu tinggi, dan kemudian menggergaji, mengisar dan menggilap menjadi wafer seramik piezoelektrik siap. Seramik piezoelektrik mudah dibuat dalam pelbagai bentuk, dan boleh digetarkan dalam pelbagai mod getaran untuk menyesuaikan diri dengan pelbagai kegunaan. Ia mempunyai pekali gandingan elektromekanikal yang tinggi, keuntungan gelung tinggi dan kepekaan, yang merupakan kelebihan pentingnya. Seramik piezoelektrik yang biasa digunakan ialah: Barium titanate (BaTiO3): Ini adalah campuran titanium dioksida (TiO2) dan barium karbonat (BaCO3) yang disinter pada suhu tinggi. Ini adalah seramik piezoelektrik yang lebih awal, suhu curienya rendah, pergantungan suhu adalah besar, dan kestabilan masa dan kestabilan terma adalah lemah. Kini ia masih digunakan untuk radiator sonar dan transduser ultrasonik. Titanat zirkonat plumbum, kod PZT, mempunyai pelbagai formula dan ciri, dan pada masa ini merupakan seramik piezoelektrik yang paling biasa digunakan.

Ciri utama siri PZT kristal plat piezoelektrik ialah pekali gandingan elektromekanikal yang tinggi, yang mana PZT-4 adalah jenis penghantaran, dan ciri pengujaannya yang tinggi adalah baik (nilai Qm tinggi, kehilangan dalaman kecil, dll.), yang sesuai untuk radiator sonar dan transduser ultrasonik. , Penjana voltan tinggi dan transduser kuasa tinggi. PZT-5 ialah jenis penerima. Ia mempunyai pemalar dielektrik yang tinggi, penuaan rendah, dan nilai Qm yang rendah. Ia sesuai untuk hidrofon, transduser ultrasonik, pemain rekod, mikrofon, dan komponen pembesar suara. Ia juga sesuai untuk pengesanan jenis nadi jalur lebar, dsb. Selain itu: PZT-2, PZT-5A, PZT-5H, PZT-6A, PZT-7A, PZT-8 ... dan sebagainya.

Plumbum niobium zincate mempunyai pekali gandingan elektromekanikal yang tinggi bagi getaran jejarian dan nilai Qm yang rendah (menambah beberapa MnO2 atau NiO2 boleh meningkatkan Qm hingga 200), terdapat kestabilan suhu yang lebih tinggi, sesuai untuk bahan penapis. Siri niobium kobaltat plumbum: pekali gandingan elektromekanikal getaran jejariannya Kp dan Qm agak tinggi, yang boleh digunakan sebagai penggetar ultrasonik dan transformer, penapis, pikap, dll. pengayun. Plumbum niobium antimonat: nilai Kp tinggi, kestabilan yang baik, nilai Qm besar, dan pekali suhu frekuensi kecil. Sistem mangan antimoni plumbum: Kp mempunyai julat pelarasan yang besar, nilai Qm yang tinggi, kehilangan dielektrik kecil, dan kestabilan yang baik. Mangan Tungsten Plumbum: Voltan kerosakan yang sangat tinggi, nilai Qm yang besar, nilai Kp yang besar, dan kestabilan suhu yang baik pada frekuensi resonans.

Sistem niobate plumbum: Pemalar dielektrik adalah besar, Kp adalah sederhana, dan ciri frekuensi bunyi adalah baik. Sistem kadmium tungsten plumbum adalah suhu yang baik dan kestabilan masa frekuensi. Plumbum Magnesium Tellurate. Ia boleh menahan tekanan berulang, dan mempunyai penuaan rendah sifat elektrik dan mekanikal. Di samping itu, terdapat antimonat litium plumbum dan tantalat litium plumbum, yang mempunyai kestabilan yang baik dan nilai Qm yang rendah, dan sesuai untuk transduser akustik bawah air. Sebagai tambahan kepada seramik piezo terner, seramik piezo kuartener daripada niobium nikel-niobium zink-titanium-plumbum zirkonat telah dibangunkan.

Jenis ketiga bahan piezoelektrik - bahan piezoelektrik polimer kutub. Ini adalah polimer separa kristal yang disintesis secara buatan dengan kesan piezoelektrik, dipanggil polimer kutub, dan kesan piezoelektriknya adalah berdasarkan polimer kutub. Putaran molekul pada masa ini adalah terbaik dengan polyvinylidene fluoride (PVDF). PVDF (-CH2-CF2-) adalah salah satu polimer yang paling polar. Filem PVDF diregangkan kepada beberapa kali panjang asalnya pada suhu di bawah 100 ° C untuk mendapatkan filem jenis β (bentuk kristal PVDF), yang digunakan dengan elektrod (biasanya aluminium) dan terpolarisasi dalam medan elektrik DC yang tinggi ( Suhu ialah 80-150 ℃), akan memperoleh prestasi piezoelektrik, ia boleh digunakan dengan berkesan sebagai bahan, kestabilan haba, boleh digunakan sebagai bahan tambahan yang baik, sebagai bahan tambahan. bengkok, impedans akustik adalah kecil, dan ia dipadankan dengan baik dengan air, terutamanya sesuai untuk hidrofon dan transduser untuk ujian medan bunyi diagnostik ultrasound perubatan. Kelemahan bahan filem piezoelektrik ialah nisbah isyarat kepada hingar tidak ideal, pekali gandingan elektromekanikal tidak cukup besar, dan kerugian mekanikal dan dielektrik agak besar. Di samping itu, kerana faktor kualiti (Qm, Qe) adalah kecil, ia tidak sesuai untuk tempat di mana resonans tajam diperlukan, mahupun untuk input besar dan kerja berterusan, kerana kesan piezoelektriknya apabila digunakan untuk masa yang lama pada suhu melebihi 80 ° C Menurun. Di samping itu, bahan piezoelektrik polimer kutub termasuk polyfluoroethylene (PVF2) dan seumpamanya.

Jenis bahan piezoelektrik keempat--bahan piezoelektrik komposit dan filem piezoelektrik zink oksida. Bahan piezoelektrik komposit plat penuaian tenaga terdiri daripada zarah seramik ferroelektrik yang tersebar dan dicampur dalam bahan polimer. Seperti bahan elektrik, sifat piezoelektriknya bergantung bukan sahaja pada zarah seramik, tetapi juga pada jenis bahan polimer yang digunakan sebagai matriks, terutamanya sistem komposit dengan polimer berkebolehan tinggi seperti PVDF dan vinylidene fluoride. , Boleh digunakan sebagai bahan piezoelektrik yang kuat. Bahan piezoelektrik ini tidak perlu diregangkan seperti badan piezoelektrik polimer lain, dan bersifat isotropik secara dalaman. Dengan perubahan jenis polimer matriks, julat besar modulus elastik boleh diperolehi. Khususnya, ia boleh ditekan panas dan praktikal. sangat selesa. Sebagai contoh, bahan komposit siri PVDF dan PZT mempunyai sifat piezoelektrik dan sifat dielektrik yang sangat stabil. Bahan-bahan ini telah mencapai peringkat praktikal dan serupa dengan bahan polimer piezoelektrik dalam aplikasi.

Filem piezoelektrik zink oksida (ZnO) (dibuat melalui proses penyemburan vakum) digunakan untuk penjanaan ultrasonik frekuensi ultra tinggi dan transduser penerima. Ia boleh digunakan dalam jalur frekuensi 30-3000 MHz dan mempunyai kesan yang baik. Ia boleh digunakan untuk mengkaji sifat bahan, talian kelewatan ultrasonik, peranti akustooptik, komunikasi dan pemprosesan maklumat, dan mikroskop ultrasonik, dsb., dengan lebar jalur frekuensi, kecekapan penukaran elektro-akustik yang baik, dan pemadanan mudah dengan litar pengujaan. Di samping itu, kadmium sulfida (CdS), aluminium nitrida (AlN), dan lain-lain juga merupakan bahan filem nipis piezoelektrik yang baik.