Parametre for piezoelektriske materialer og piezoelektriske ligninger (4)

Fire. Klassifisering av piezoelektriske materialer
1. Den første typen piezoelektrisk materiale piezoelektrisk enkeltkrystall. Dette er et naturlig forekommende eller kunstig enkrystall ferroelektrisk materiale med anisotropi. Dens piezoelektriske effekt er basert på sammensetningen av krystallstrukturen forårsaket av endringer i den relative posisjonen til de positive og negative ionene på gitteret. Vanlig brukte piezoelektriske enkeltkrystaller .Kvarts (SiO2): Dette er en naturlig dannet eller kunstig dyrket (menneskeskapt krystall) krystall med god ensartethet og høyt curiepunkt; høy impedans og høy mekanisk Q (Qm); høy hardhet og god slitestyrke; Ytelsen er ekstremt stabil, aldringen er ekstremt langsom og minimal, og ytelsen endres med temperaturen er svært liten, og den lineære frekvenstemperaturkoeffisienten som ikke endres med tiden kan oppnås; tapet er lite, som kan brukes til ekstremt høye frekvenser; isolasjonsytelsen er god, det kan være høy bruk under spenning; som kan brukes i miljøer med høyere og ekstremt lave temperaturer. På grunn av sine mange overlegne egenskaper er kvarts fortsatt mye brukt i dag, spesielt som en standard svinger og som tidsoscillator i datautstyr. Ulempen er at den elektromekaniske konverteringseffektiviteten er lav, noe som gjør forsterkningen av systemsløyfen lavere.

Lithium Niobate (LiNbO3): Dette er en kunstig dyrket ferroelektrisk enkeltkrystall med en diameter på opptil 120 mm. Litiumniobat kan brukes til å eksitere den ultrasoniske tverrbølgen direkte med høy elektromekanisk koblingskoeffisient og utmerket piezoelektrisk ytelse. Den har en stor Qm-verdi og et høyt curie-punkt. Den kan brukes ved høye temperaturer, med stabil polarisering og ultralydspredning. Tapet er lite, det er ikke utflytende, og frekvenskonstanten er veldig stor. Den kan brukes til å lage ultrahøyfrekvente transdusere. Derfor har den blitt brukt som et vanlig basismateriale for akustiske overflatebølgetransdusere. Når den brukes som en volumbølgetransduser, kan den oppnå bedre følsomhet enn vanlige piezoelektriske keramiske transdusere. Den brukes også til ultralydtykkelsesmåling, smal måling og pulsomformer. Dette er også en kunstig enkeltkrystall. Den har gode mekaniske egenskaper, er lett å behandle, kan oppløses i vann, men er ikke lett å fjerne, som har relativt stabile fysiske og kjemiske egenskaper, og har utmerkede piezoelektriske egenskaper. PZT-materiale piezoelektrisk stripe
. Den elektromekaniske koblingskoeffisienten og lav dielektrisk konstant, og Qm-verdien er ganske lav, de er egnet for å lage høyfølsomme, høyoppløselige bredbåndstransdusere og forsinkelseslinjer, for eksempel å gjøre ultralydtykkelsesmåling og smale pulsomformere. I tillegg kommer litiumsulfat (Li2SO4) med god mottaksytelse.

3. Den andre typen piezoelektrisk materiale piezoelektrisk keramikk. Dette er et polykrystallinsk ferroelektrisk materiale laget ved manuell avfyring av pulversintringsmetoden. Den piezoelektriske effekten er basert på den elektrostriktive effekten, og dens piezoelektriske egenskaper endres med sintring. Det er forskjeller i håndverk og formuleringsingredienser, så det er mange typer og forskjellige ytelser. For eksempel: sliping av materialet til 400 mesh, tilsett et bindemiddel, pressing, steking ved høy temperatur, og deretter saging, sliping og polering til en ferdig piezoelektrisk keramisk wafer. Piezoelektrisk keramikk er lett å lage i ulike former, og kan vibreres i en rekke vibrasjonsmoduser for å tilpasse seg ulike bruksområder. Den har høy elektromekanisk koblingskoeffisient, høy sløyfeforsterkning og følsomhet, som er dens viktige fordeler. Vanlige brukte piezoelektriske keramer er: Bariumtitanat (BaTiO3): Dette er en blanding av titandioksid (TiO2) og bariumkarbonat (BaCO3) sintret ved høy temperatur. Dette er en tidligere piezoelektrisk keramikk, dens curie-temperatur er lav, temperaturavhengigheten er stor, og tidsstabiliteten og termisk stabilitet er dårlig. Nå brukes den fortsatt til sonarradiatorer og ultralydsvingere. Blyzirkonattitanat, kode PZT, har en rekke formler og egenskaper, og er for tiden den mest brukte piezoelektriske keramikken.

Hovedtrekket i PZT-serien piezoelektrisk platekrystall er den høye elektromekaniske koblingskoeffisienten, hvorav PZT-4 er en transmisjonstype, og dens høye eksitasjonsegenskaper er gode (høy Qm-verdi, lite internt tap, etc.), som er egnet for sonarradiatorer og ultralydsvingere. , Høyspentgenerator og høyeffektsvinger. PZT-5 er en mottakertype. Den har høy dielektrisk konstant, lav aldring og lav Qm-verdi. Den er egnet for hydrofoner, ultralydsvingere, platespillere, mikrofoner og høyttalerkomponenter. Den er også egnet for bredbåndspulstypedeteksjon, etc. I tillegg: PZT-2, PZT-5A, PZT-5H, PZT-6A, PZT-7A, PZT-8 ... og så videre.

Bly niobium sincate har høy elektromekanisk koblingskoeffisient for radiell vibrasjon og lav Qm-verdi (tilsetning av noe MnO2 eller NiO2 kan øke Qm til 200), det er en høyere temperaturstabilitet, egnet for filtermaterialer. Bly niob koboltat-serien: dens radielle vibrasjon elektromekaniske koblingskoeffisienter Kp og Qm er relativt høye, som kan brukes som ultralydvibratorer og transformatorer, filtre, pickuper, etc. Bly niobium manganat: høy Qm verdi, god tidsstabilitet, lav dielektrisk konstant, middels elektromekanisk koblingskoeffisient Kp, egnet for filter vibrasjonskoeffisient Kp. Blyniobiumantimonat: høy Kp-verdi, god stabilitet, stor Qm-verdi og liten frekvenstemperaturkoeffisient. Bly antimon mangan system: Kp har et stort justeringsområde, høy Qm verdi, lite dielektrisk tap og god stabilitet. Bly Tungsten Mangan: Ekstremt høy gjennombruddsspenning, stor Qm-verdi, stor Kp-verdi, og god temperaturstabilitet ved resonansfrekvens.

Blyniobatsystem: Dielektrisitetskonstanten er stor, Kp er middels, og lydfrekvenskarakteristikkene er gode. Bly wolfram kadmium system er god temperatur og tidsstabilitet av frekvens. Bly Magnesium Tellurat. Den tåler gjentatt trykk, og har lav aldring av elektriske og mekaniske egenskaper. I tillegg er det blylitiumantimonat og blylitiumtantalat, som har god stabilitet og lave Qm-verdier, og er egnet for undervannsakustikktransduser. I tillegg til ternær piezokeramikk er det utviklet kvaternær piezokeramikk av niob-nikkel-niobium sink-titan-bly zirkonat.

Den tredje typen piezoelektrisk materiale-polart polymer piezoelektrisk materiale. Dette er en ny kunstig syntetisert semi-krystallinsk polymer med en piezoelektrisk effekt, kalt en polar polymer, og dens piezoelektriske effekt er basert på en polar polymer. Molekylrotasjonen er for tiden best med polyvinylidenfluorid (PVDF). PVDF (-CH2-CF2-) er en av de mest polare polymerene. PVDF-filmen strekkes til flere ganger sin opprinnelige lengde ved en temperatur under 100 °C for å oppnå en β-type (en krystallinsk form av PVDF) film, som påføres med en elektrode (vanligvis aluminium) og polariseres i et elektrisk felt med høy likestrøm (temperaturen er 80-150 ℃), vil oppnå piezoelektrisk ytelse, da den har en effektiv mottakerytelse, stabilitet, i tillegg kan materialet bøyes, den akustiske impedansen er liten, og den er godt matchet med vann, spesielt egnet for hydrofoner og transdusere for medisinsk ultralyddiagnostisk lydfelttesting. Ulempene med piezoelektriske filmmaterialer er at signal-til-støy-forholdet ikke er ideelt, den elektromekaniske koblingskoeffisienten er ikke stor nok, og de mekaniske og dielektriske tapene er relativt store. I tillegg, fordi kvalitetsfaktoren (Qm, Qe) er liten, er den ikke egnet for steder der skarp resonans er nødvendig, og heller ikke for stor innsats og kontinuerlig arbeid, fordi dens piezoelektriske effekt når den brukes i lang tid ved en temperatur over 80 ° C reduseres. I tillegg inkluderer polare polymer piezoelektriske materialer polyfluoretylen (PVF2) og lignende.

Den fjerde typen piezoelektrisk materiale - kompositt piezoelektrisk materiale og sinkoksyd piezoelektrisk film. Kompositt piezoelektrisk materiale energihøstingsplate er sammensatt av ferroelektriske keramiske partikler dispergert og blandet i polymermaterialer. I likhet med elektriske materialer avhenger deres piezoelektriske egenskaper ikke bare av de keramiske partiklene, men også av typen polymermaterialer som brukes som matriks, spesielt komposittsystemene med polymerer med høy permittivitet som PVDF og vinylidenfluorid. , Kan brukes som sterke piezoelektriske materialer. Dette piezoelektriske materialet trenger ikke å strekkes som andre piezoelektriske polymerlegemer, og er isotropisk internt. Med endring av matrisepolymertypen kan et stort område av elastisitetsmodul oppnås. Spesielt kan den være varmpresset og praktisk. veldig praktisk. For eksempel har komposittmaterialene til PVDF- og PZT-seriene svært stabile piezoelektriske egenskaper og dielektriske egenskaper. Disse materialene har nådd det praktiske stadiet og ligner på piezoelektriske polymermaterialer i bruk.

Sinkoksid (ZnO) piezoelektrisk film (laget ved vakuumsprøyteprosess) brukes til ultrahøyfrekvent ultralydgenerering og mottak av transdusere. Den kan brukes i 30-3000 MHz frekvensbåndet og har god effekt. Den kan brukes til studiet av materialegenskaper, ultralydforsinkelseslinje, akusto-optisk enhet, kommunikasjon og informasjonsbehandling, og ultralydmikroskop, etc., med frekvensbåndbredde, god elektroakustisk konverteringseffektivitet og enkel matching med eksitasjonskretsen. I tillegg er kadmiumsulfid (CdS), aluminiumnitrid (AlN) etc. også gode piezoelektriske tynnfilmmaterialer.