Skład piezoelektrycznego materiału ceramicznego

Różne zakresy zastosowań mają różne wymagania dotyczące wydajności piezoelektryczne materiały ceramiczne . 1 Perowskitowy piezoelektryczny materiał ceramiczny, wzór chemiczny to ABO3, A jest jonem dodatnim o dużym promieniu, który może wynosić +1, +2, +3; B jest jonem dodatnim o małym promieniu, który może wynosić +3, +4, +5, +6. Promień jonowy trzech jonów A, B i O może spełniać następującą zależność, tworząc strukturę ABO3: RA+RO=t√2 (RB+RO, t jest współczynnikiem tolerancji, ogólnie może tworzyć wapń pomiędzy 0,86 a 1,03. Struktura rudy tytanu Typowy preparat: (1) 0,99 [PbTiO3 + 0,04 La2 / 3TiO3] + 0,01 MnO2, temperatura kalcynacji 850°C, utrwalanie cieplne przez 2 godziny, temperatura wypalania 1240°C, utrwalanie cieplne przez 1 godzinę, ε = 240, Kp=0,096, Qm=1050, Nt=2120 (2) Porcelana filtracyjna wysokiej częstotliwości (30M-100MC). PbTiO3+1% wag.MnO2+1% wag.Pb3O4ε=150, Kp=0,40, Qm=800~1000, temperatura i czas Dobra stabilność. 3PbTiO3+3,0% wag.CeO2++0,3MnO2+2,53% wag.Nb2O5,ε=230,Qm=1000.

(1) Wraz ze zmianą Zr:Ti punkt Curie zmienia się prawie liniowo od 235 °C do 490 °C, a linia Tc jest sześcienną fazą paraelektryczną bez efektu piezoelektrycznego.

(2) Zr: W pobliżu Ti=53:47 występuje quasi-jednorodna granica faz, strona bogata w tytan to tetragonalna faza ferroelektryczna FT; strona bogata w cyrkon to wysokotemperaturowa trygonalna faza ferroelektryczna FR, temperatura przetworniki z ceramiki piezoelektrycznej rosną, a ta granica faz jest bogata w cyrkon. Strona jest nachylona i przecina linię Tc w temperaturze 360 ​​° C (co wskazuje, że temperatura Curie Tc jest wysoka w pobliżu granicy faz), a parametry ogniwa elementarnego ulegają gwałtownej zmianie w pobliżu granicy faz. W pobliżu granicy faz pomiędzy tetragonalną fazą ferroelektryczną FT i trygonalną fazą ferroelektryczną FR występuje silny efekt piezoelektryczny. Kp, ε ma wartość maksymalną, a Qm ma bardzo małą wartość. Właściwości piezoelektryczne porcelany PZT w pobliżu granicy faz są znacznie wyższe niż porcelany BaTiO3. Ponieważ Tc porcelany PZT na granicy jest wysoka (360°C), zarówno KP, jak i ε są stabilne w temperaturze 200°C, co jest idealnym materiałem piezoelektrycznym. Dopingowa modyfikacja porcelany PZT elektroniczny przetwornik piezoelektryczny . Aby spełnić różne cele, potrzebujemy ceramiki piezoelektrycznej PZT o różnych właściwościach. Z tego powodu możemy dodać różne jony, aby zastąpić jon Pb2+ w miejscu A lub jon Zr4+, Ti4+ w miejscu B. Poprawia to wydajność materiału.

Inne podstawienie zmodyfikowane podstawienie twarde zmodyfikowane podstawienie miękkie zmodyfikowane podstawienie heterowalentne równoważne podstawienie domieszkowane zmodyfikowane PZT (1) równoważne podstawienie równoważne podstawienie oznacza, że ​​promień Ca2+, Sr2+, Mg2+ jest mniejszy niż promień jonu Pb2+ Podstawienie jonów jonów Pb2+ powoduje wzrost stałej dielektrycznej ε PZT dysku piezoceramicznego , zwiększenie współczynnika sprzężenia elektromechanicznego KP oraz zwiększenie stałej piezoelektrycznej d, poprawiając w ten sposób właściwości piezoelektryczne ceramiki PZT. Termin „miękka modyfikacja substytucyjna” oznacza, że ​​dodatek tych dodatków może zmniejszyć natężenie pola koercyjnego EC o ↓, a polaryzacja jest łatwa, dzięki czemu właściwości materiału stają się „miękkie” pod wpływem pola elektrycznego lub naprężenia.

(a) La3+, Bi3+, Sb3+ itp. zastępują jon Pb+2 w miejscu A (domieszkowanie dawcy); Nb5+, Ta5+, Sb5+, W6+ itp. Podstawienie jonów Zr4+, Ti4+ w pozycji B (domieszkowanie donorem). Właściwości porcelany PZT modyfikowanej substytucją miękką ulegają następującym zmianom: natężenie pola koercyjnego EC maleje ↓, współczynnik jakości mechanicznej Qm maleje ↓; stała dielektryczna ε wzrasta ↑, strata dielektryczna tan δ wzrasta ↑, współczynnik sprzężenia elektromechanicznego KP. Zwiększenie ↑ zwiększa odporność na starzenie i zwiększa rezystywność izolacji ρ ↑. Dzieje się tak dlatego, że ich dodatek prowadzi do powstania niedoboru Pb2+. Przykładowo, jeśli co dwa La3+s zastąpią 3 Pb2+, to w celu utrzymania równowagi ceny energii elektrycznej, liczba kationów w pozycji A w strukturze perowskitu ulegnie zmniejszeniu i powstanie wakat A. Ze względu na brak Pb2+ ruch domeny jest łatwy i nawet niewielkie natężenie pola elektrycznego lub naprężenia mechaniczne mogą powodować przesuwanie się ścian domeny. 

W rezultacie wzrasta stała dielektryczna i współczynnik podatności sprężystej W przetwornikach ceramicznych piezoceramicznych Pzt następuje wzrost strat dielektrycznych i mechanicznych, a Qm maleje. Co więcej, ponieważ sterowanie domenami jest łatwe, zwiększa się liczba domen zorientowanych w kierunku pola elektrycznego, zwiększając w ten sposób polaryzację, tak że efekt piezoelektryczny jest znacznie zwiększony, co jest reprezentowane przez wzrost wartości Kp. Ponieważ opór sterujący domeny staje się mały, pole przymusu do odwrócenia polaryzacji w celu pokonania oporu jest małe, a linia powrotna jest prawie prostokątna. Co więcej, ze względu na brak Pb2+, naprężenia wewnętrzne spowodowane sterowaniem 90 domenami są buforowane, dzięki czemu odkształcenie resztkowe staje się małe. Innymi słowy, ponieważ ściany domen można łatwo przesuwać, wewnętrzne naprężenia domen są łatwo uwalniane, więc odporność na starzenie jest dobra. Dodatki „miękkie” są powszechnie stosowanymi dodatkami modyfikującymi.

(b) Na przykład materiał akceptujący podwodny przetwornik akustyczny jest często domieszkowany La2O3 i Nb2O5 w celu zwiększenia wartości Kp i stałej dielektrycznej. Pb0,95Sr0,05(Zr0,52Ti0,48)O3+0,9%La2O3+0,9%Nb2O5, Kp=0,60, ε=2100, Qm=80, dobra stabilność, rezystywność skrośna 1012 omów „miękki” dodatek. Ilość na ogół nie przekracza 5%. b Twarda modyfikacja substytucyjna, tak zwana „twarda modyfikacja substytucyjna” oznacza, że ​​dodatek tych dodatków może zwiększyć natężenie pola koercyjnego EC, a polaryzacja staje się trudna, więc właściwości materiału stają się „twarde” pod wpływem pola elektrycznego lub naprężenia.

(a) K+, Na+ itp. podstawiające jony Pb2+ w miejscu A (domieszkowanie akceptorem);

(b) Jony Zr4+ i Ti4+ (domieszkowane akceptorem) podstawione za B w Fe2+, Co2+, Mn2+ (lub Fe3+, Co3+, Mn3+), Ni2+, Mg2+, Al3+, Cr3+ i tym podobne.

Właściwości porcelany PZT modyfikowanej metodą substytucji twardej ulegają następującym zmianom: Natężenie pola koercyjnego EC wzrasta ↑, wzrasta współczynnik jakości mechanicznej Qm ↑; stała dielektryczna ε maleje , strata dielektryczna tan δ maleje ↓, współczynnik sprzężenia elektromechanicznego KP maleje Small ↓, zmniejsza się odporność na starzenie i zmniejsza się rezystywność izolacji ρ.

Trójskładnikowa ceramika piezoelektryczna perowskitowa

Zmieniając stosunek Zr/Ti i wprowadzając niewielką ilość dodatków, choć niektóre właściwości można poprawić, ze względu na coraz szerszą gamę materiałów piezoelektrycznych, wymagania stawiane materiałom są coraz wyższe i tylko układy binarne nie są w stanie spełnić wymagań użytkowych. Istnieje zatem system trójskładnikowy. Tak zwany trójskładnikowy piezoelektryczny materiał ceramiczny perowskitowy odnosi się do stałego roztworu utworzonego z kompozytowego związku perowskitowego i tytanianu cyrkonianu ołowiu.