Samenstelling van piëzo-elektrisch keramisch materiaal

Voor verschillende toepassingsbereiken gelden verschillende prestatie-eisen piëzo-elektrische keramische materialen . 1 Perovskiet piëzo-elektrisch keramisch materiaal, de chemische formule is ABO3, A is een positief ion met een grote straal, die +1, +2, +3 kan zijn; B is een positief ion met een kleine straal, die +3, +4, +5, +6 kan zijn. De ionenstraal van de drie ionen A, B en O kan aan de volgende relatie voldoen om de ABO3-structuur te vormen: RA+RO=t√2 (RB+RO, t is een tolerantiefactor, kan over het algemeen calcium vormen tussen 0,86 en 1,03. Structuur van titaniumerts Typische formulering: (1) 0,99 [PbTiO3 + 0,04 La2 / 3TiO3] + 0,01 MnO2, calcineringstemperatuur is 850 ° C, hittebehoud gedurende 2 uur, baktemperatuur is 1240 ° C, hittebehoud gedurende 1 uur, Kp=0,096, Qm=1050, Nt=2120 (2) Hoogfrequent (30M-100MC) filterporselein PbTiO3+1wt%MnO2+1wt%Pb3O4ε=150, Kp=0,40, Qm=800~1000, temperatuur en tijd Goede stabiliteit 3PbTiO3+3,0wt%CeO2++0,3MnO2+2,53wt%Nb2O5,ε=230,Qm=1000.

(1) Met de verandering van Zr:Ti verandert het Curiepunt vrijwel lineair van 235 °C naar 490 °C, en de Tc-lijn is een kubieke para-elektrische fase zonder piëzo-elektrisch effect.

(2) Zr: Er is een quasi-homogene fasegrens nabij Ti=53:47, de titaniumrijke kant is de tetragonale ferro-elektrische fase FT; de zirkoniumrijke kant is de trigonale ferro-elektrische fase FR op hoge temperatuur, de temperatuur van piëzo-elektrische keramische transducers stijgen, en deze fasegrens is rijk aan zirkonium. De zijkant is hellend en snijdt de Tc-lijn bij 360 ° C (wat aangeeft dat de Curietemperatuur Tc hoog is nabij de fasegrens), en de eenheidscelparameters worden abrupt veranderd nabij de fasegrens. Er is een sterk piëzo-elektrisch effect nabij de fasegrens tussen de tetragonale ferro-elektrische fase FT en de trigonale ferro-elektrische fase FR. Kp, ε heeft een maximale waarde en Qm heeft een zeer kleine waarde. De piëzo-elektrische eigenschappen van PZT-porselein nabij de fasegrens zijn veel hoger dan die van BaTiO3-porselein. Omdat de Tc van het PZT-porselein aan de grens hoog is (360 ° C), zijn KP en ε beide stabiel binnen 200 ° C, wat een ideaal piëzo-elektrisch materiaal is. Dopingmodificatie van PZT-porselein van elektronische piëzo-keramiektransducer . Om aan verschillende doeleinden te voldoen, hebben we PZT-piëzo-elektrische keramiek met verschillende eigenschappen nodig. Om deze reden kunnen we verschillende ionen toevoegen om het Pb2+-ion op de A-plaats of het Zr4+, Ti4+-ion op de B-plaats te vervangen. Hierdoor worden de prestaties van het materiaal verbeterd.

Andere substitutie gemodificeerde harde substitutie gemodificeerde zachte substitutie gemodificeerde heterovalente substitutie equivalente substitutie gedoteerd gemodificeerd PZT (1) equivalente substitutie equivalente substitutie betekent dat de straal van Ca2+, Sr2+, Mg2+ kleiner is dan die van Pb2+ ion. De ionensubstitutie van Pb2+ ionen resulteert in een toename van de diëlektrische constante ε van de PZT piëzo-keramische schijf , een toename van de elektromechanische koppelingscoëfficiënt KP en een toename van de piëzo-elektrische constante d, waardoor de piëzo-elektrische eigenschappen van het PZT-keramiek worden verbeterd. De term 'zachte substitutiemodificatie' betekent dat de toevoeging van deze additieven de coërcitieve veldsterkte EC met ↓ kan verminderen, en dat de polarisatie gemakkelijk is, zodat de materiaaleigenschappen 'zacht' worden onder invloed van een elektrisch veld of spanning.

(a) La3+, Bi3+, Sb3+, enz. vervangen het Pb+2-ion van de A-plaats (donordotering); Nb5+, Ta5+, Sb5+, W6+, enz. Vervanging van B-positie Zr4+, Ti4+-ionen (donordotering). De eigenschappen van PZT-porselein gemodificeerd door zachte substitutie hebben de volgende veranderingen: de coërcitieve veldsterkte EC neemt af met ↓, de mechanische kwaliteitsfactor Qm neemt af met ↓; de diëlektrische constante ε neemt toe met ↑, het diëlektrische verlies tan δ neemt toe met ↑, de elektromechanische koppelingscoëfficiënt KP. Wanneer ↑ wordt verhoogd, wordt de verouderingsweerstand verhoogd en wordt de isolatieweerstand ρ verhoogd met ↑. De reden hiervoor is dat de toevoeging ervan leidt tot de vorming van een Pb2+-tekort. Als bijvoorbeeld elke twee La3+s 3 Pb2+ vervangen, wordt, om het evenwicht van de elektriciteitsprijs te behouden, het aantal kationen op de A-positie in de perovskietstructuur verminderd en ontstaat er een A-vacature. Door de afwezigheid van Pb2+ wordt de domeinbeweging gemakkelijk gemaakt, en zelfs een kleine elektrische veldsterkte of mechanische spanning kan ervoor zorgen dat de domeinwanden bewegen. 

Als gevolg hiervan is een toename van de diëlektrische constante en de elastische compliantiecoëfficiënt van Er treden Pzt-piëzokeramische keramische transducers op, en tegelijkertijd nemen het diëlektrische en mechanische verlies toe en neemt Qm af. Omdat het sturen van de domeinen eenvoudig is, wordt bovendien het aantal domeinen dat in de richting van het elektrische veld is georiënteerd vergroot, waardoor de polarisatie toeneemt, zodat het piëzo-elektrische effect sterk wordt vergroot, wat wordt weergegeven door een toename van de Kp-waarde. Omdat de stuurweerstand van het domein klein wordt, is het coërcitieve veld voor het omkeren van de polarisatie om de weerstand te overwinnen klein, en is de retourlijn bijna rechthoekig. Bovendien wordt door de afwezigheid van Pb2+ de interne spanning veroorzaakt door de 90-domeinsturing gebufferd, waardoor de restspanning klein wordt. Met andere woorden: aangezien de domeinmuren gemakkelijk kunnen worden verplaatst, wordt de interne spanning van de domeinen gemakkelijk opgeheven, waardoor de verouderingsprestaties goed zijn. 'Zachte' additieven zijn veelgebruikte modificerende additieven.

(b) Het aanvaardbare onderwater-akoestische transducermateriaal wordt bijvoorbeeld vaak gedoteerd met La2O3 en Nb2O5 om de Kp-waarde en de diëlektrische constante te verhogen. Pb0.95Sr0.05(Zr0.52Ti0.48)O3+0.9%La2O3+0.9%Nb2O5, Kp=0.60, ε=2100, Qm=80, goede stabiliteit, volumeweerstand 1012 ohm 'zacht' additief. De hoeveelheid bedraagt ​​over het algemeen niet meer dan 5%. b Harde substitutiemodificatie, de zogenaamde 'harde substitutiemodificatie' betekent dat de toevoeging van deze additieven de coërcitieve veldsterkte EC kan verhogen en de polarisatie moeilijk wordt, zodat de materiaaleigenschappen 'hard' worden onder invloed van een elektrisch veld of spanning.

(a) K+, Na+, etc. ter vervanging van Pb2+-ionen op de A-plaats (acceptordotering);

(b) Zr4+ en Ti4+ ionen (acceptor gedoteerd) gesubstitueerd voor B op Fe2+, Co2+, Mn2+ (of Fe3+, Co3+, Mn3+), Ni2+, Mg2+, Al3+, Cr3+ en dergelijke.

De eigenschappen van PZT-porselein gemodificeerd door harde substitutie hebben de volgende veranderingen: de dwangveldsterkte EC neemt toe ↑, de mechanische kwaliteitsfactor Qm neemt toe ↑; diëlektrische constante ε neemt af, diëlektrisch verlies tan δ neemt af ↓, elektromechanische koppelingscoëfficiënt KP neemt af Klein ↓, de verouderingsweerstand wordt verminderd en de isolatieweerstand ρ wordt verminderd.

Ternaire perovskiet piëzo-elektrische keramiek

Door de Zr/Ti-verhouding te veranderen en een kleine hoeveelheid additieven op te nemen, worden, hoewel sommige eigenschappen kunnen worden verbeterd, vanwege het steeds bredere scala aan piëzo-elektrische materialen, de eisen aan materialen steeds hoger en kunnen alleen binaire systemen niet aan de gebruikseisen voldoen. Er is dus sprake van een ternair systeem. Het zogenaamde ternaire perovskiet-piëzo-elektrische keramische materiaal verwijst naar een vaste oplossing gevormd uit een samengestelde perovskietverbinding en loodzirkonaattitanaat.