Compoziția materialului ceramic piezoelectric

Diferite game de aplicații au cerințe de performanță diferite pentru materiale ceramice piezoelectrice . 1 Material ceramic piezoelectric perovskit, formula chimică este ABO3, A este un ion pozitiv cu o rază mare, care poate fi +1, +2, +3; B este un ion pozitiv cu o rază mică, care poate fi +3, +4, +5, +6. Raza ionică a celor trei ioni A, B și O poate satisface următoarea relație pentru a forma structura ABO3: RA+RO=t√2 (RB+RO, t este un factor de toleranță, în general poate forma calciu între 0,86 și 1,03. Structura minereului de titan Formulare tipică: (1) 0,99 [PbTiO3 +] / 0,040 La +] / 0,040. MnO2, temperatura de calcinare este de 850 ° C, conservare a căldurii timp de 2 ore, temperatura de ardere este de 1240 ° C, conservare a căldurii timp de 1 oră ε = 240, Kp = 0,096, Qm = 1050, Nt = 2120 (2) Filtru de porțelan de înaltă frecvență (30M-100MC). PbTiO3+1wt%MnO2+1wt%Pb3O4ε=150, Kp=0.40, Qm=800~1000, temperatură și timp Stabilitate bună 3PbTiO3+3.0wt%CeO2++0.3MnO2+2.53wt%Nb230,εm=230,ε.

(1) Odată cu schimbarea Zr:Ti, punctul Curie se modifică aproape liniar de la 235 °C la 490 °C, iar linia Tc este o fază paraelectrică cubică fără efect piezoelectric.

(2) Zr: Există o limită de fază cvasi-omogenă lângă Ti=53:47, partea bogată în titan este faza feroelectrică tetragonală FT; partea bogată în zirconiu este faza feroelectrică trigonală de înaltă temperatură FR, temperatura de Traductoarele din ceramică piezoelectrică se ridică, iar această limită de fază este bogată în zirconiu Latura este înclinată și intersectează linia Tc la 360 ° C (indicând faptul că temperatura Curie Tc este ridicată în apropierea graniței fazei), iar parametrii celulei unitare sunt modificați brusc lângă limita fazei. Există un efect piezoelectric puternic lângă limita de fază dintre faza feroelectrică tetragonală FT și faza feroelectrică trigonală FR. Kp, ε are o valoare maximă și Qm o valoare foarte mică. Proprietățile piezoelectrice ale porțelanului PZT lângă limita de fază sunt mult mai mari decât cele ale porțelanului BaTiO3. Deoarece Tc al porțelanului PZT la limită este ridicat (360 ° C), KP și ε sunt ambele stabile la 200 ° C, ceea ce este un material piezoelectric ideal. Modificarea antidoping a porțelanului PZT de traductor electronic din ceramică piezo . Pentru a îndeplini diferite scopuri, avem nevoie de ceramică piezoelectrică PZT cu diferite proprietăți. Din acest motiv, putem adăuga diferiți ioni pentru a înlocui ionul Pb2+ la locul A sau ionul Zr4+, Ti4+ la locul B. Îmbunătățind astfel performanța materialului.

Altă substituție modificată hard substituție modificată soft substituție modificată heterovalentă modificată substituție echivalentă dopată modificată PZT (1) substituție echivalentă substituție echivalentă înseamnă că raza lui Ca2+, Sr2+, Mg2+ este mai mică decât cea a ionului Pb2+ Substituția ionică a ionilor Pb2+ are ca rezultat o creștere a constantei dielectrice ε a PZT disc ceramic piezo , o creștere a coeficientului de cuplare electromecanic KP și o creștere a constantei piezoelectrice d, îmbunătățind astfel proprietățile piezoelectrice ale ceramicii PZT. Termenul „modificare de substituție moale” înseamnă că adăugarea acestor aditivi poate reduce intensitatea câmpului coercitiv EC cu ↓, iar polarizarea este ușoară, astfel încât proprietățile materialului devin „moale” sub acțiunea câmpului electric sau a tensiunii.

(a) La3+, Bi3+, Sb3+ etc. înlocuiesc ionul A-site Pb+2 (doping donator); Nb5+, Ta5+, Sb5+, W6+ etc. Înlocuirea poziției B cu ionii Zr4+, Ti4+ (doping donator). Proprietățile porțelanului PZT modificate prin substituție moale au următoarele modificări: intensitatea câmpului coercitiv EC scade ↓, factorul de calitate mecanică Qm scade ↓; constanta dielectrică ε crește ↑, pierderea dielectrică tan δ crește ↑, coeficientul de cuplare electromecanic KP La creșterea ↑, crește rezistența la îmbătrânire și rezistivitatea izolației ρ crește ↑. Motivul pentru aceasta este că adăugarea lor duce la formarea unui deficit de Pb2+. De exemplu, dacă la fiecare două La3+-uri înlocuiesc 3 Pb2+, pentru a menține echilibrul prețului energiei electrice, se reduce numărul de cationi la poziția A din structura perovskită și se generează un loc vacant A. Datorită absenței Pb2+, mișcarea domeniului este ușoară și chiar și intensitatea mică a câmpului electric sau stresul mecanic poate determina mișcarea pereților domeniului. 

Ca urmare, o creștere a constantei dielectrice și a coeficientului de conformitate elastică de Apare traductoare ceramice piezoceramice Pzt și, în același timp, crește pierderile dielectrice și pierderile mecanice, iar Qm scade. Mai mult, deoarece direcționarea domeniilor este ușoară, numărul de domenii orientate în direcția câmpului electric este crescut, crescând astfel polarizarea, astfel încât efectul piezoelectric este mult crescut, ceea ce este reprezentat de o creștere a valorii Kp. Deoarece rezistența de direcție a domeniului devine mică, câmpul coercitiv pentru inversarea polarizării pentru a depăși rezistența este mic, iar linia de întoarcere este aproape dreptunghiulară. Mai mult, din cauza absenței Pb2+, stresul intern cauzat de direcția cu 90 de domenii este tamponat, astfel încât deformarea reziduală devine mică. Cu alte cuvinte, deoarece pereții domeniului sunt ușor de mutat, stresul intern al domeniilor este ușor eliberat, astfel încât performanța de îmbătrânire este bună. Aditivii „moale” sunt utilizați în mod obișnuit pentru modificarea aditivilor.

(b) De exemplu, materialul traductorului acustic subacvatic de tip acceptabil este adesea dopat cu La2O3 și Nb2O5 pentru a crește valoarea Kp și constanta dielectrică. Pb0.95Sr0.05(Zr0.52Ti0.48)O3+0.9%La2O3+0.9%Nb2O5, Kp=0.60, ε=2100, Qm=80, stabilitate bună, rezistivitate de volum 1012 ohm aditiv 'moale' Cantitatea nu depășește în general 5%. b Modificarea de substituție dură, așa-numita „modificare de substituție dură” înseamnă că adăugarea acestor aditivi poate crește intensitatea câmpului coercitiv EC, iar polarizarea devine dificilă, astfel încât proprietățile materialului devin „dure” sub acțiunea câmpului electric sau a tensiunii.

(a) K+, Na+, etc. substituind ionii Pb2+ din situs A (dopajul acceptor);

(b) Ioni Zr4+ și Ti4+ (dopați cu acceptor) substituiți cu B la Fe2+, Co2+, Mn2+ (sau Fe3+, Co3+, Mn3+), Ni2+, Mg2+, Al3+, Cr3+ și altele asemenea.

Proprietățile porțelanului PZT modificat prin substituție tare au următoarele modificări: intensitatea câmpului coercitiv EC crește ↑, factorul de calitate mecanică Qm crește ↑; constanta dielectrică ε scade , pierderea dielectrică tan δ scade ↓, coeficientul de cuplare electromecanic KP scade Mic ↓, rezistența la îmbătrânire este redusă, iar rezistivitatea izolației ρ este redusă.

Ceramica piezoelectrică perovskită ternară

Prin modificarea raportului Zr/Ti și încorporarea unei cantități mici de aditivi, deși unele proprietăți pot fi îmbunătățite, datorită gamei din ce în ce mai largi de materiale piezoelectrice, cerințele pentru materiale sunt din ce în ce mai mari și numai sistemele binare nu pot îndeplini cerințele de utilizare. Deci, există un sistem ternar. Așa-numitul material ceramic piezoelectric perovskit ternar se referă la o soluție solidă formată dintr-un compus compozit perovskit și titanat de zirconat de plumb.