Parametry materiałów piezoelektrycznych i równania piezoelektryczne (4)

Cztery. Klasyfikacja materiałów piezoelektrycznych
1. Pierwszy typ materiału piezoelektrycznego, monokryształ piezoelektryczny. Jest to naturalnie występujący lub sztuczny monokrystaliczny materiał ferroelektryczny o anizotropii. Jego efekt piezoelektryczny opiera się na składzie struktury krystalicznej. Jest to spowodowane zmianami względnego położenia jonów dodatnich i ujemnych w siatce. Powszechnie stosowane monokryształy piezoelektryczne. Kwarc (SiO2): Jest to kryształ powstały w sposób naturalny lub sztucznie hodowany (kryształ sztuczny) o dobrej jednorodności i wysokiej temperaturze Curie; wysoka impedancja i wysokie Q mechaniczne (Qm); wysoka twardość i dobra odporność na zużycie; Wydajność jest wyjątkowo stabilna, starzenie się jest wyjątkowo powolne i minimalne, a zmiany wydajności wraz z temperaturą są bardzo małe i można uzyskać liniowy współczynnik temperaturowy częstotliwości, który nie zmienia się w czasie; strata jest niewielka, co można wykorzystać w przypadku wyjątkowo wysokich częstotliwości; wydajność izolacji jest dobra, może być używana pod napięciem, co może być stosowane w środowiskach o wyższych i bardzo niskich temperaturach. Ze względu na wiele doskonałych właściwości kwarc jest nadal szeroko stosowany, zwłaszcza jako standardowy przetwornik i oscylator czasu w sprzęcie komputerowym. Jego wadą jest niska sprawność konwersji elektromechanicznej, co powoduje mniejsze wzmocnienie pętli systemowej.

Niobian litu (LiNbO3): Jest to sztucznie wyhodowany monokryształ ferroelektryczny o średnicy do 120 mm. Niobianu litu można używać do bezpośredniego wzbudzania ultradźwiękowej fali poprzecznej o wysokim współczynniku sprzężenia elektromechanicznego i doskonałej wydajności piezoelektrycznej. Ma dużą wartość Qm i wysoką temperaturę Curie. Można go stosować w wysokich temperaturach, przy stabilnej polaryzacji i propagacji ultradźwięków. Strata jest niewielka, nie rozpływa się, a stała częstotliwości jest bardzo duża. Może być stosowany do wytwarzania przetworników o ultrawysokiej częstotliwości. Dlatego jest stosowany jako powszechny podstawowy materiał do powierzchniowych przetworników fal akustycznych. Stosowany jako przetwornik fali objętościowej może uzyskać lepszą czułość niż zwykłe piezoelektryczne przetworniki ceramiczne. Służy również do ultradźwiękowego pomiaru grubości, pomiaru wąskiego i przetwornika impulsów. Jest to również sztuczny monokryształ. Ma dobre właściwości mechaniczne, jest łatwy w obróbce, można go rozpuścić w wodzie, ale nie jest łatwy do rozpuszczenia, co ma stosunkowo stabilne właściwości fizyczne i chemiczne oraz ma doskonałe właściwości piezoelektryczne Listwa piezoelektryczna z materiału PZT
. Współczynnik sprzężenia elektromechanicznego i niska stała dielektryczna oraz wartość Qm są dość niskie, nadają się do wytwarzania przetworników szerokopasmowych o wysokiej czułości i wysokiej rozdzielczości oraz linii opóźniających, takich jak ultradźwiękowy pomiar grubości i przetworniki o wąskim impulsie. Ponadto występuje siarczan litu (Li2SO4) o dobrych właściwościach odbioru.

3. Drugi rodzaj materiału piezoelektrycznego, ceramika piezoelektryczna. Jest to polikrystaliczny materiał ferroelektryczny wytwarzany metodą ręcznego wypalania metodą spiekania proszków. Efekt piezoelektryczny opiera się na efekcie elektrostrykcyjnym, a jego właściwości piezoelektryczne zmieniają się wraz ze spiekaniem. Istnieją różnice w wykonaniu i składnikach receptury, dlatego istnieje wiele typów i różnych wydajności. Przykładowo: rozdrobnienie materiału do oczka 400, dodanie spoiwa, prasowanie, wypalanie w wysokiej temperaturze, a następnie piłowanie, szlifowanie i polerowanie w gotowy piezoelektryczny wafel ceramiczny. Ceramikę piezoelektryczną można łatwo formować w różne kształty i można ją wibrować w różnych trybach wibracji, aby dostosować się do różnych zastosowań. Ma wysoki współczynnik sprzężenia elektromechanicznego, duże wzmocnienie pętli i czułość, co jest jego ważnymi zaletami. Powszechnie stosowaną ceramiką piezoelektryczną są: Tytanian baru (BaTiO3): Jest to mieszanina dwutlenku tytanu (TiO2) i węglanu baru (BaCO3) spiekana w wysokiej temperaturze. Jest to wcześniejsza ceramika piezoelektryczna, jej temperatura Curie jest niska, zależność od temperatury jest duża, a stabilność czasowa i stabilność termiczna są słabe. Obecnie jest nadal używany w grzejnikach sonarów i przetwornikach ultradźwiękowych. Tytanian cyrkonianu ołowiu, kod PZT, ma różnorodne formuły i właściwości i jest obecnie najczęściej stosowaną ceramiką piezoelektryczną.

Główną cechą serii PZT Piezoelektryczny kryształ płytowy charakteryzuje się wysokim współczynnikiem sprzężenia elektromechanicznego, którego typem przekładni jest PZT-4, a jego charakterystyka wysokiego wzbudzenia jest dobra (wysoka wartość Qm, małe straty wewnętrzne itp.), co nadaje się do promienników sonarowych i przetworników ultradźwiękowych. , Generator wysokiego napięcia i przetwornik dużej mocy. PZT-5 to typ odbiornika. Ma wysoką stałą dielektryczną, niskie starzenie i niską wartość Qm. Nadaje się do hydrofonów, przetworników ultradźwiękowych, gramofonów, mikrofonów i komponentów głośników. Nadaje się również do szerokopasmowej detekcji typu impulsowego itp. Dodatkowo: PZT-2, PZT-5A, PZT-5H, PZT-6A, PZT-7A, PZT-8...i tak dalej.

Cynk niobowo-ołowiowy charakteryzuje się wysokim współczynnikiem elektromechanicznego sprzężenia drgań promieniowych i niską wartością Qm (dodanie odrobiny MnO2 lub NiO2 może zwiększyć Qm do 200), charakteryzuje się wyższą stabilnością temperaturową, odpowiednią dla materiałów filtracyjnych. Seria niobowo-kobaltanowo-ołowiowa: jej współczynniki elektromechanicznego sprzężenia drgań promieniowych Kp i Qm są stosunkowo wysokie, mogą być stosowane jako wibratory ultradźwiękowe i transformatory, filtry, przetworniki itp. Manganian niobu ołowiowego: wysoka wartość Qm, dobra stabilność czasowa, niska stała dielektryczna, średni współczynnik sprzężenia elektromechanicznego Kp drgań promieniowych, odpowiedni do filtrów i oscylatorów linii opóźniającej. Antymonian niobu ołowiu: wysoka wartość Kp, dobra stabilność, duża wartość Qm i współczynnik temperaturowy o małej częstotliwości. Układ ołowiowo-antymonowo-manganowy: Kp ma duży zakres regulacji, wysoką wartość Qm, małe straty dielektryczne i dobrą stabilność. Ołów, wolfram-mangan: wyjątkowo wysokie napięcie przebicia, duża wartość Qm, duża wartość Kp i dobra stabilność temperaturowa przy częstotliwości rezonansowej.

System niobianu ołowiu: stała dielektryczna jest duża, Kp jest średnia, a charakterystyka częstotliwości dźwięku jest dobra. System ołowiowo-wolframowo-kadmowy zapewnia dobrą stabilność temperatury i czasu częstotliwości. Telluran magnezu ołowiu. Może wytrzymać wielokrotne ciśnienie i ma niskie starzenie się właściwości elektrycznych i mechanicznych. Ponadto istnieją antymonian litowo-ołowiowy i tantalan litowo-ołowiowy, które mają dobrą stabilność i niskie wartości Qm i nadają się do podwodnych przetworników akustycznych. Oprócz trójskładnikowej ceramiki piezoelektrycznej opracowano czwartorzędową ceramikę piezoelektryczną z niobu, niklu, niobu, cynku, tytanu i cyrkonianu ołowiu.

Trzeci rodzaj materiału piezoelektrycznego – polarny polimerowy materiał piezoelektryczny. Jest to nowy, sztucznie syntetyzowany polimer półkrystaliczny o działaniu piezoelektrycznym, zwany polimerem polarnym, a jego działanie piezoelektryczne opiera się na polimerze polarnym. Rotacja molekularna jest obecnie najlepsza w przypadku polifluorku winylidenu (PVDF). PVDF (-CH2-CF2-) jest jednym z najbardziej polarnych polimerów. Folię PVDF rozciąga się kilkukrotnie w stosunku do swojej pierwotnej długości w temperaturze poniżej 100°C, uzyskując folię typu β (krystaliczna postać PVDF), która nałożona za pomocą elektrody (najczęściej aluminiowej) i polaryzowana w polu elektrycznym o wysokim napięciu stałym (temperatura 80-150℃) uzyska właściwości piezoelektryczne, może być skutecznie wykorzystywana jako odbiornik akustyczny, posiada dobrą stabilność termiczną, dodatkowo materiał można zginać, impedancja akustyczna wynosi mały i dobrze komponuje się z wodą, szczególnie nadaje się do hydrofonów i przetworników do ultrasonograficznych badań pola dźwiękowego w medycynie. Wady materiałów z folii piezoelektrycznej polegają na tym, że stosunek sygnału do szumu nie jest idealny, współczynnik sprzężenia elektromechanicznego nie jest wystarczająco duży, a straty mechaniczne i dielektryczne są stosunkowo duże. Ponadto, ponieważ współczynnik jakości (Qm, Qe) jest mały, nie nadaje się do miejsc, w których wymagany jest ostry rezonans, ani do dużych nakładów i pracy ciągłej, ponieważ jego efekt piezoelektryczny przy długotrwałym użytkowaniu w temperaturze powyżej 80°C maleje. Ponadto polarne polimerowe materiały piezoelektryczne obejmują polifluoroetylen (PVF2) i tym podobne.

Czwarty rodzaj materiału piezoelektrycznego - kompozytowy materiał piezoelektryczny i folia piezoelektryczna z tlenku cynku. Kompozytowy materiał piezoelektryczny Płyta do zbierania energii składa się z ferroelektrycznych cząstek ceramicznych rozproszonych i zmieszanych w materiałach polimerowych. Podobnie jak materiały elektryczne, ich właściwości piezoelektryczne zależą nie tylko od cząstek ceramicznych, ale także od rodzaju materiałów polimerowych zastosowanych jako osnowa, zwłaszcza układów kompozytowych z polimerami o wysokiej przenikalności, takimi jak PVDF i fluorek winylidenu. , Mogą być stosowane jako mocne materiały piezoelektryczne. Ten materiał piezoelektryczny nie wymaga rozciągania jak inne polimerowe elementy piezoelektryczne i jest wewnętrznie izotropowy. Wraz ze zmianą rodzaju matrycy polimerowej można uzyskać duży zakres modułu sprężystości. W szczególności może być tłoczony na gorąco i praktyczny. bardzo wygodne. Na przykład materiały kompozytowe serii PVDF i PZT mają bardzo stabilne właściwości piezoelektryczne i właściwości dielektryczne. Materiały te osiągnęły etap praktyczny i w zastosowaniu przypominają piezoelektryczne materiały polimerowe.

Folia piezoelektryczna z tlenku cynku (ZnO) (wytworzona w procesie natryskiwania próżniowego) służy do wytwarzania i odbierania ultradźwiękowych przetworników o ultrawysokiej częstotliwości. Może być stosowany w paśmie częstotliwości 30-3000 MHz i ma dobry efekt. Może być stosowany do badania właściwości materiałów, ultradźwiękowej linii opóźniającej, urządzenia akustooptycznego, komunikacji i przetwarzania informacji oraz mikroskopu ultradźwiękowego itp., Z szerokością pasma częstotliwości, dobrą wydajnością konwersji elektroakustycznej i łatwym dopasowaniem do obwodu wzbudzenia. Ponadto siarczek kadmu (CdS), azotek glinu (AlN) itp. są również dobrymi materiałami cienkowarstwowymi piezoelektrycznymi.