Parameters van piëzo-elektrische materialen en piëzo-elektrische vergelijkingen (4)

Vier. Classificatie van piëzo-elektrische materialen
1. Het eerste type piëzo-elektrisch materiaal, piëzo-elektrisch monokristal. Dit is een natuurlijk voorkomend of kunstmatig monokristallijn ferro-elektrisch materiaal met anisotropie. Het piëzo-elektrische effect is gebaseerd op de samenstelling van de kristalstructuur. Veroorzaakt door veranderingen in de relatieve positie van de positieve en negatieve ionen op het rooster. Veelgebruikte piëzo-elektrische enkele kristallen. Kwarts (SiO2): Dit is een natuurlijk gevormd of kunstmatig gecultiveerd (door de mens gemaakt kristal) kristal met goede uniformiteit en een hoog curiepunt; hoge impedantie en hoge mechanische Q (Qm); hoge hardheid en goede slijtvastheid; De prestaties zijn extreem stabiel, de veroudering is extreem langzaam en minimaal, en de prestatieveranderingen met de temperatuur zijn erg klein, en de lineaire frequentie-temperatuurcoëfficiënt die niet met de tijd verandert, kan worden verkregen; het verlies is klein, wat kan worden gebruikt voor extreem hoge frequenties; de isolatieprestaties zijn goed, het kan hoog worden gebruikt onder spanning; het kan worden gebruikt in omgevingen met hogere en extreem lage temperaturen. Vanwege zijn vele superieure eigenschappen wordt kwarts tegenwoordig nog steeds veel gebruikt, vooral als standaardtransducer en als tijdoscillator in computerapparatuur. Het nadeel is dat de elektromechanische conversie-efficiëntie laag is, waardoor de versterking van de systeemlus lager is.

Lithiumniobaat (LiNbO3): Dit is een kunstmatig gekweekt ferro-elektrisch monokristal met een diameter tot 120 mm. Lithiumniobaat kan worden gebruikt om de ultrasone transversale golf direct te exciteren met een hoge elektromechanische koppelingscoëfficiënt en uitstekende piëzo-elektrische prestaties. Het heeft een grote Qm-waarde en een hoog curiepunt. Het kan worden gebruikt bij hoge temperaturen, met stabiele polarisatie en ultrasone voortplanting. Het verlies is klein, het is niet vervloeiend en de frequentieconstante is erg groot. Het kan worden gebruikt om transducers met ultrahoge frequentie te maken. Daarom wordt het gebruikt als algemeen basismateriaal voor transducers voor akoestische oppervlaktegolven. Bij gebruik als volumegolftransducer kan het een betere gevoeligheid verkrijgen dan gewone piëzo-elektrische keramische transducers. Het wordt ook gebruikt voor ultrasone diktemeting, smalle meting en pulstransducer. Dit is ook een kunstmatig enkelkristal. Het heeft goede mechanische eigenschappen, is gemakkelijk te verwerken, kan in water worden opgelost, maar is niet gemakkelijk te vervloeien, heeft relatief stabiele fysische en chemische eigenschappen en heeft uitstekende piëzo-elektrische eigenschappen. PZT-materiaal piëzo-elektrische strip
. De elektromechanische koppelingscoëfficiënt en lage diëlektrische constante, en de Qm-waarde zijn vrij laag, ze zijn geschikt voor het maken van hooggevoelige breedbandtransducers en vertragingslijnen met hoge resolutie, zoals het maken van ultrasone diktemetingen en smalle pulstransducers. Daarnaast is er lithiumsulfaat (Li2SO4) met goede ontvangstprestaties.

3. Het tweede type piëzo-elektrisch materiaal, piëzo-elektrisch keramiek. Dit is een polykristallijn ferro-elektrisch materiaal gemaakt door handmatig bakken met een poedersintermethode. Het piëzo-elektrische effect is gebaseerd op het elektrostrictieve effect, en de piëzo-elektrische eigenschappen ervan veranderen bij het sinteren. Er zijn verschillen in het vakmanschap en de formulering van de ingrediënten, dus er zijn veel soorten en verschillende prestaties. Bijvoorbeeld: het materiaal vermalen tot 400 mesh, een bindmiddel toevoegen, persen, bakken op hoge temperatuur en vervolgens zagen, slijpen en polijsten tot een afgewerkte piëzo-elektrische keramische wafel. Piëzo-elektrische keramiek kan gemakkelijk in verschillende vormen worden gemaakt en kan in verschillende trillingsmodi worden getrild om zich aan verschillende toepassingen aan te passen. Het heeft een hoge elektromechanische koppelingscoëfficiënt, hoge lusversterking en gevoeligheid, wat de belangrijke voordelen zijn. Veelgebruikte piëzo-elektrische keramieken zijn: Bariumtitanaat (BaTiO3): Dit is een mengsel van titaniumdioxide (TiO2) en bariumcarbonaat (BaCO3) dat bij hoge temperatuur is gesinterd. Dit is een eerder piëzo-elektrisch keramiek, de curietemperatuur is laag, de temperatuurafhankelijkheid is groot en de tijdstabiliteit en thermische stabiliteit zijn slecht. Nu wordt het nog steeds gebruikt voor sonarstralers en ultrasone transducers. Loodzirkonaattitanaat, code PZT, heeft een verscheidenheid aan formules en kenmerken en is momenteel het meest gebruikte piëzo-elektrische keramiek.

Het belangrijkste kenmerk van de PZT-serie piëzo-elektrisch plaatkristal is de hoge elektromechanische koppelingscoëfficiënt, waarvan de PZT-4 een transmissietype is, en de hoge excitatie-eigenschappen zijn goed (hoge Qm-waarde, klein intern verlies, enz.), wat geschikt is voor sonarradiatoren en ultrasone transducers. , Hoogspanningsgenerator en hoogvermogentransducer. PZT-5 is een ontvangertype. Het heeft een hoge diëlektrische constante, lage veroudering en een lage Qm-waarde. Het is geschikt voor hydrofoons, ultrasone transducers, platenspelers, microfoons en luidsprekercomponenten. Het is ook geschikt voor breedbandpulsdetectie, enz. Daarnaast: PZT-2, PZT-5A, PZT-5H, PZT-6A, PZT-7A, PZT-8 ... enzovoort.

Loodniobiumzinkaat heeft een hoge elektromechanische koppelingscoëfficiënt van radiale trillingen en een lage Qm-waarde (het toevoegen van wat MnO2 of NiO2 kan Qm tot 200 verhogen), er is een hogere temperatuurstabiliteit, geschikt voor filtermaterialen. Loodniobiumkobaltaatserie: de elektromechanische koppelingscoëfficiënten Kp en Qm voor radiale trillingen zijn relatief hoog, wat kan worden gebruikt als ultrasone vibrators en transformatoren, filters, pickups, enz. Loodniobiummanganaat: hoge Qm-waarde, goede tijdstabiliteit, lage diëlektrische constante, gemiddelde elektromechanische koppelingscoëfficiënt Kp van radiale trillingen, geschikt voor filter- en vertragingslijnoscillator. Loodniobiumantimonaat: hoge Kp-waarde, goede stabiliteit, grote Qm-waarde en kleine frequentietemperatuurcoëfficiënt. Lood-antimoon-mangaansysteem: Kp heeft een groot instelbereik, een hoge Qm-waarde, klein diëlektrisch verlies en goede stabiliteit. Loodwolfraam-mangaan: Extreem hoge doorslagspanning, grote Qm-waarde, grote Kp-waarde en goede temperatuurstabiliteit bij resonantiefrequentie.

Loodniobaatsysteem: de diëlektrische constante is groot, de Kp is gemiddeld en de geluidsfrequentiekarakteristieken zijn goed. Loodwolfraamcadmiumsysteem heeft een goede temperatuur- en tijdstabiliteit van de frequentie. Loodmagnesiumtelluraat. Het is bestand tegen herhaalde druk en heeft een lage veroudering van elektrische en mechanische eigenschappen. Daarnaast zijn er loodlithiumantimonaat en loodlithiumtantalaat, die een goede stabiliteit en lage Qm-waarden hebben en geschikt zijn voor transducers voor onderwaterakoestiek. Naast ternair piëzo-keramiek is quaternair piëzo-keramiek van niobiumnikkel-niobiumzink-titanium-loodzirkonaat ontwikkeld.

Het derde type piëzo-elektrisch materiaal: polair polymeer piëzo-elektrisch materiaal. Dit is een nieuw kunstmatig gesynthetiseerd semi-kristallijn polymeer met een piëzo-elektrisch effect, een polair polymeer genoemd, en het piëzo-elektrische effect is gebaseerd op een polair polymeer. De moleculaire rotatie is momenteel het beste met polyvinylideenfluoride (PVDF). PVDF (-CH2-CF2-) is een van de meest polaire polymeren. De PVDF-film wordt uitgerekt tot meerdere malen zijn oorspronkelijke lengte bij een temperatuur onder 100 ° C om een β-type (een kristallijne vorm van PVDF) film te verkrijgen, die wordt aangebracht met een elektrode (meestal aluminium) en gepolariseerd in een hoog gelijkstroom elektrisch veld (temperatuur is 80-150 ℃), zal piëzo-elektrische prestaties verkrijgen, het kan effectief worden gebruikt als een akoestische ontvanger, heeft een goede thermische stabiliteit, bovendien kan het materiaal worden gebogen, de akoestische impedantie is klein, en het is goed afgestemd op water, vooral geschikt voor hydrofoons en transducers voor medische echografie-diagnostische geluidsveldtesten. De nadelen van piëzo-elektrische filmmaterialen zijn dat de signaal-ruisverhouding niet ideaal is, de elektromechanische koppelingscoëfficiënt niet groot genoeg is en de mechanische en diëlektrische verliezen relatief groot zijn. Omdat de kwaliteitsfactor (Qm, Qe) klein is, is hij bovendien niet geschikt voor plaatsen waar scherpe resonantie vereist is, noch voor grote input en continu werk, omdat zijn piëzo-elektrische effect bij langdurig gebruik bij een temperatuur boven 80 ° C afneemt. Bovendien omvatten piëzo-elektrische materialen van polair polymeer polyfluorethyleen (PVF2) en dergelijke.

Het vierde type piëzo-elektrisch materiaal: samengesteld piëzo-elektrisch materiaal en piëzo-elektrische zinkoxidefilm. Composiet piëzo-elektrisch materiaal de energieoogstplaat bestaat uit ferro-elektrische keramische deeltjes verspreid en gemengd in polymeermaterialen. Net als elektrische materialen zijn hun piëzo-elektrische eigenschappen niet alleen afhankelijk van de keramische deeltjes, maar ook van het type polymeermateriaal dat als matrix wordt gebruikt, vooral de composietsystemen met polymeren met hoge permittiviteit zoals PVDF en vinylideenfluoride. , Kan worden gebruikt als sterke piëzo-elektrische materialen. Dit piëzo-elektrische materiaal hoeft niet te worden uitgerekt zoals andere piëzo-elektrische polymeerlichamen, en is intern isotroop. Met de verandering van het matrixpolymeertype kan een groot bereik aan elastische modulus worden verkregen. In het bijzonder kan het warmgeperst en praktisch zijn. erg handig. De composietmaterialen van de PVDF- en PZT-serie hebben bijvoorbeeld zeer stabiele piëzo-elektrische eigenschappen en diëlektrische eigenschappen. Deze materialen hebben het praktische stadium bereikt en zijn qua toepassing vergelijkbaar met piëzo-elektrische polymeermaterialen.

Zinkoxide (ZnO) piëzo-elektrische film (gemaakt door middel van een vacuümspuitproces) wordt gebruikt voor ultrahoge frequentie ultrasone generatie en ontvangsttransducers. Het kan worden gebruikt in de frequentieband 30-3000 MHz en heeft een goed effect. Het kan worden gebruikt voor de studie van materiaaleigenschappen, ultrasone vertragingslijn, akoestisch-optisch apparaat, communicatie en informatieverwerking, en ultrasone microscoop, enz., met frequentiebandbreedte, goede elektro-akoestische conversie-efficiëntie en gemakkelijke afstemming met het excitatiecircuit. Bovendien zijn cadmiumsulfide (CdS), aluminiumnitride (AlN), enz. ook goede piëzo-elektrische dunne-filmmaterialen.