Materiały piezoelektryczne to materiały funkcjonalne, które realizują konwersję energii mechanicznej na energię elektryczną(1)

Materiały piezoelektryczne to materiały funkcjonalne, które realizują konwersję energii mechanicznej na energię elektryczną. Jej rozwój ma długą historię. Od czasu odkrycia efektu piezoelektrycznego na kryształach kwarcu przez braci CURIE w latach osiemdziesiątych XIX wieku materiały piezoelektryczne zaczęły przyciągać powszechną uwagę. Wraz z pogłębianiem badań stale pojawia się duża liczba materiałów piezoelektrycznych, takich jak piezoelektryczne funkcjonalne materiały ceramiczne, folia piezoelektryczna, piezoelektryczne materiały kompozytowe itp. Materiały te Dyski piezoceramiczne mają bardzo szeroki zakres zastosowań i odgrywają ważną rolę w funkcjonalnych urządzeniach przetwarzających, takich jak elektryczność, magnetyzm, dźwięk, światło, ciepło, wilgotność, gaz i siłę.

Folia piezoelektryczna PVDF

Folia piezoelektryczna PVDF to folia piezoelektryczna z polifluorku winylidenu. W 1969 roku Japończycy odkryli materiał polimerowy, polifluorek winylidenu (polimer polifluorku winylidenu), określany jako PVDF, który ma bardzo silne działanie piezoelektryczne. Folia PVDF ma głównie dwa typy kryształów, mianowicie typ α i typ β. Kryształ typu α nie ma właściwości piezoelektrycznych, ale po zwinięciu i rozciągnięciu folii PVDF pierwotny kryształ typu α w folii staje się strukturą krystaliczną typu β. Kiedy rozciągnięta i spolaryzowana folia PVDF zostanie poddana działaniu siły zewnętrznej lub odkształceniu w określonym kierunku, spolaryzowana powierzchnia materiału wygeneruje określony ładunek elektryczny, a mianowicie efekt piezoelektryczny Piezoceramiczny dysk kryształowy.

W porównaniu z ceramiką piezoelektryczną i kryształami piezoelektrycznymi folie piezoelektryczne mają następujące zalety:

(1) Lekki, jego gęstość wynosi tylko jedną czwartą powszechnie stosowanej ceramiki piezoelektrycznej PZT, naklejony na mierzony przedmiot prawie nie ma wpływu na pierwotną strukturę, wysoka elastyczność elastyczna, można go przetworzyć w określony kształt, może być całkowicie dopasowana dowolna powierzchnia pomiarowa, o wysokiej wytrzymałości mechanicznej i odporności na uderzenia;

(2) Wysokie napięcie wyjściowe, w tych samych warunkach obciążenia, napięcie wyjściowe jest 10 razy wyższe niż w przypadku ceramiki piezoelektrycznej;

(3) Wysoka wytrzymałość dielektryczna wytrzymuje działanie silnego pola elektrycznego (75 V/um), w tym czasie większość ceramiki piezoelektrycznej została zdepolaryzowana;

(4) Impedancja akustyczna jest niska, tylko jedna dziesiąta piezoelektrycznej ceramiki PZT, w pobliżu wody, tkanki ludzkiej i lepkiego ciała;

(5) Pasmo przenoszenia jest szerokie, a efekt elektromechaniczny można przekonwertować z 10-3 Hz na 109, a tryb wibracji jest prosty.

Dlatego naprężenia i odkształcenia można mierzyć w mechanice, akcelerometry i czujniki modalne drgań można wytwarzać w wibracjach, modalne czujniki promieniowania akustycznego i przetworniki ultradźwiękowe mogą być wykonane akustycznie i stosowane w aktywnym sterowaniu oraz mogą być stosowane w badaniach nad robotami. Używany jako czujnik dotykowy, ma również zastosowanie w medycynie i pomiarze masy pojazdów,

Obecnie badania nad materiałami cienkowarstwowymi rozwijają się w różnych kierunkach, wysokiej wydajności, nowych procesach itp., A ich badania podstawowe sięgają również głęboko na poziom molekularny, poziom atomowy, poziom nano, strukturę mezoskopową itp., Dlatego badania funkcjonalnych materiałów cienkowarstwowych mają ogromne znaczenie.

Właściwości folii piezoelektrycznej

1. Stała dielektryczna

Chociaż folia piezoelektryczna jest folią pojedynczego kryształu lub folią polikrystaliczną o preferowanej orientacji, upakowanie atomowe w niej nie jest tak ścisłe i uporządkowane jak w krysztale, więc wartość stałej dielektrycznej folii piezoelektrycznej różni się od wartości kryształu. Oprócz tego w cienkich warstwach często występują duże wewnętrzne naprężenia szczątkowe i przyczyny pomiaru, które również powodują, że wartość stałej dielektrycznej cienkiej warstwy różni się od odpowiedniej wartości kryształu.

Istniejące badania wykazały, że stała dielektryczna folii piezoelektrycznej jest związana nie tylko z orientacją kryształu, ale także zależy od warunków badania. Stała dielektryczna folii piezoelektrycznej ma znaczną dyspersję. Oprócz różnicy w naprężeniu wewnętrznym i warunkach testowych, ogólnie uważa się, że różnica między stosunkiem składu chemicznego a grubością kompozycji folii zmniejsza się wraz z grubością folii. Ponadto stała dielektryczna folii piezoelektrycznej również zmieni się znacząco wraz ze zmianą temperatury i częstotliwości.

2. Rezystywność objętościowa

Z punktu widzenia zmniejszenia strat dielektrycznych i częstotliwości relaksacji folii piezoelektrycznej oczekuje się, że będzie ona miała wysoką rezystywność, co najmniej ρv≥108Ω·cm. Rezystywność folii AlN wynosi 2×1014~1×1015Ω·cm, czyli znacznie więcej niż 108Ω·cm, więc pod tym względem AlN jest bardzo doskonałą folią. Ponadto zmiana przewodności elektrycznej folii piezoelektrycznej AlN pod wpływem temperatury również podlega prawu 1nσ∝1/T. Żaden z kryształów o działaniu piezoelektrycznym nie ma środka symetrii, więc ich ruchliwość elektronów jest również anizotropowa i inna jest ich przewodność elektryczna. Przewodność elektryczna folii piezoelektrycznej AlN wzdłuż kierunku osi C różni się od kierunku prostopadłego do osi C. Ten pierwszy jest o około 1 do 2 rzędów wielkości mniejszy.

3. Styczna kąta straty

Tangens strat dielektrycznych folii piezoelektrycznej AlN wynosi tanδ=0,003 ~ 0,005, a tanδ folii ZnO jest większy i wynosi 0,005 ~ 0,01. Powodem, dla którego tanδ tych filmów jest tak duży, jest to, że oprócz procesu przewodnictwa, w filmach tych występują również znaczące zjawiska relaksacji. Podobnie jak w przypadku cienkiej warstwy dielektrycznej, tg δ grubej warstwy piezoelektrycznej wzrasta stopniowo wraz ze wzrostem temperatury i częstotliwości oraz wzrostem wilgotności. Ponadto, w miarę zmniejszania się grubości warstwy, tg δ ma tendencję do zwiększania się. Oczywiście wzrost tgδ wraz z temperaturą wynika ze wzrostu przewodności i wzrostu środków zwiotczających. Zwiększa się wraz z częstotliwością, ponieważ zwiększa się liczba czasów relaksacji w czasie.

4. Siła rozkładu

Ponieważ siła pola przebicia dielektryka jest parametrem wytrzymałościowym i różnymi defektami w folii nie da się uniknąć przetwornika półkuli piezoelektrycznej , siła pola przebicia folii piezoelektrycznej jest dość rozproszona; teoria przebicia dielektryków dla kompletnej i nienaruszonej folii. Natężenie pola przebicia powinno stopniowo rosnąć wraz ze spadkiem grubości folii. Ale w rzeczywistości, ponieważ folia zawiera wiele defektów, wpływ defektu jest tym bardziej znaczący, im grubość jest mniejsza, zatem gdy grubość zostanie zmniejszona do pewnej wartości, natężenie pola przebicia folii staje się znacznie mniejsze. Oprócz samej przyczyny folii, na natężenie pola przebicia folii wpływa również krawędź elektrody podczas testu. Ponieważ im grubsza folia, tym bardziej nierównomierne jest pole elektryczne na krawędzi elektrody, więc wraz ze wzrostem grubości warstwy jej natężenie pola przebicia stopniowo maleje.

Oprócz powyższych czynników natężenie pola przebicia folii dielektrycznej zależy również od struktury folii. W przypadku folii piezoelektrycznej jej natężenie pola przebicia zależy również od kierunku pola elektrycznego, to znaczy jest również anizotropowe pod względem natężenia pola przebicia. Ze względu na istnienie granic ziaren w folii polikrystalicznej, jej natężenie pola przebicia jest mniejsze niż w folii amorficznej; z podobnych powodów natężenie pola przebicia preferencyjnie zorientowanej folii piezoelektrycznej w kierunku orientacji jest wyższe niż w kierunku prostopadłym. Natężenie pola przebicia jest mniejsze.

Podobnie jak w przypadku innych folii dielektrycznych, siła pola przebicia folii piezoelektrycznej zależy również od pewnych czynników zewnętrznych, takich jak kształt fali napięcia, częstotliwość, temperatura i elektrody. Ponieważ natężenie pola przebicia folii piezoelektrycznej jest powiązane z wieloma czynnikami, w przypadku tej samej folii wartości natężenia pola przebicia podawane w odpowiedniej literaturze są często niespójne, a nawet znacznie się różnią. Na przykład natężenie pola przebicia folii ZnO wynosi 0,01 ~ 0,4 MV/cm, folii AlN wynosi 0,5 ~ 6,0 MV/cm.

5. Wydajność masowej fali akustycznej

Najważniejszymi parametrami charakterystycznymi przetworników piezoelektrycznych masowej fali akustycznej są częstotliwość rezonansowa f0, impedancja akustyczna Za i współczynnik sprzężenia elektromechanicznego K, dlatego prędkość dźwięku υ i współczynnik temperaturowy folii piezoelektrycznej, impedancja akustyczna i współczynnik sprzężenia elektromechanicznego są szczególnie rygorystyczne. Te właściwości folii zależą nie tylko od elastyczności, właściwości dielektrycznych, piezoelektrycznych i termicznych ziaren kryształu w folii, ale są również ściśle związane ze strukturą folii piezoelektrycznej, taką jak stopień zwartości ziaren i stopień preferowanej orientacji. W folii piezoelektrycznej, ze względu na defekty i odkształcenia ziarna kryształu, nie jest to dobry pojedynczy kryształ piezoelektryczny, więc stała fizyczna folii nieznacznie różni się od wartości kryształu.

Ponieważ struktura folii piezoelektrycznej jest ściśle powiązana z procesem przygotowania, nawet w przypadku tej samej folii piezoelektrycznej, wartości wydajności podawane w różnych publikacjach są często niespójne. Spośród wszystkich nieorganicznych i nieżelaznych folii piezoelektrycznych folia AlN ma dużą stałą sprężystości, ale niską gęstość i najwyższą prędkość dźwięku. Dlatego folia najlepiej nadaje się do urządzeń UHF i mikrofalowych.

6. Działanie powierzchniowej fali akustycznej

Gdy powierzchniowa fala akustyczna rozchodzi się w ośrodku piezoelektrycznym, jej amplituda przemieszczania się cząstek gwałtownie maleje wraz ze wzrostem odległości od powierzchni ośrodka, w związku z czym energia powierzchniowej fali akustycznej koncentruje się głównie na dwóch kolejnych długościach fali na powierzchni.

Wydajność powierzchniowej fali akustycznej materiałów cienkowarstwowych można wyrazić następującym wzorem funkcjonalnym: wydajność powierzchniowej fali akustycznej = F (surowiec, podłoże, struktura folii, tryb falowy, kierunek propagacji, postać elektrody międzypalcowej, iloczyn liczby falowej grubości)

Dlatego żaden parametr wydajności powierzchniowej fali akustycznej folii piezoelektrycznej nie może być reprezentowany przez pojedynczą wartość. Inną właściwością fal akustycznych folii piezoelektrycznych jest utrata transmisji. Ponieważ folie piezoelektryczne są często stosowane jako akustyczne media transmisyjne w urządzeniach wykorzystujących fale powierzchniowe, źródłem strat w transmisji jest głównie rozpraszanie fal akustycznych w folii piezoelektrycznej i podłożu.