Parametrii materialelor piezoelectrice și ecuațiile piezoelectrice (4)

Patru. Clasificarea materialelor piezoelectrice
1. Primul tip de material piezoelectric monocristal piezoelectric .Acesta este un material feroelectric monocristal natural sau artificial cu anizotropie. Efectul său piezoelectric se bazează pe compoziția structurii cristaline Cauzat de modificările poziției relative a ionilor pozitivi și negativi pe rețea. Monocristalele piezoelectrice utilizate în mod obișnuit .Cuarț (SiO2): Acesta este un cristal format natural sau cultivat artificial (cristal artificial) cu uniformitate bună și punct de curie ridicat; impedanță mare și Q mecanic ridicat (Qm); duritate ridicată și rezistență bună la uzură; Performanța este extrem de stabilă, îmbătrânirea este extrem de lentă și minimă, iar performanța sa se modifică odată cu temperatura este foarte mică, iar coeficientul de temperatură de frecvență liniară care nu se modifică în timp poate fi obținut; pierderea este mică, care poate fi folosită pentru frecvențe extrem de înalte; performanța de izolație este bună, poate fi utilizată sub tensiune; care poate fi utilizat în medii cu temperaturi mai ridicate și extrem de scăzute. Datorită numeroaselor sale proprietăți superioare, cuarțul este încă utilizat pe scară largă astăzi, în special ca traductor standard și ca oscilator de timp în echipamentele informatice. Dezavantajul său este că eficiența conversiei electromecanice este scăzută, ceea ce face ca câștigul buclei sistemului să fie mai mic.

Niobat de litiu (LiNbO3): Acesta este un monocristal feroelectric cultivat artificial, cu un diametru de până la 120 mm. Niobatul de litiu poate fi folosit pentru a excita direct unda transversală ultrasonică cu un coeficient de cuplare electromecanic ridicat și o performanță piezoelectrică excelentă. Are o valoare Qm mare și un punct de curie mare. Poate fi folosit la temperaturi ridicate, cu polarizare stabilă și propagare ultrasonică. Pierderea este mică, nu este deliquescentă, iar constanta de frecvență este foarte mare. Poate fi folosit pentru a face traductoare de ultra-înaltă frecvență. Prin urmare, a fost folosit ca material de bază comun pentru traductoarele de unde acustice de suprafață. Când este utilizat ca traductor de undă de volum, poate obține o sensibilitate mai bună decât traductoarele ceramice piezoelectrice obișnuite. Este, de asemenea, utilizat pentru măsurarea grosimii cu ultrasunete, măsurarea îngustă și traductorul de puls. Acesta este, de asemenea, un singur cristal artificial. Are proprietăți mecanice bune, este ușor de prelucrat, poate fi dizolvat în apă, dar nu este ușor de delquescevat, care are proprietăți fizice și chimice relativ stabile și are proprietăți piezoelectrice excelente de material PZT bandă piezoelectrică
. Coeficientul de cuplare electromecanic și constanta dielectrică scăzută și valoarea Qm sunt destul de scăzute, sunt potrivite pentru realizarea de traductoare de bandă largă de înaltă sensibilitate, de înaltă rezoluție și linii de întârziere, cum ar fi măsurarea grosimii ultrasonice și traductoarele de impuls îngust. În plus, există sulfat de litiu (Li2SO4) cu performanțe bune de recepție.

3. Al doilea tip de material piezoelectric ceramică piezoelectrică. Acesta este un material feroelectric policristalin realizat prin arderea manuală a metodei de sinterizare a pulberii. Efectul piezoelectric se bazează pe efectul electrostrictiv, iar proprietățile piezoelectrice ale acestuia se modifică odată cu sinterizarea. Există diferențe în materie de măiestrie și ingrediente de formulare, deci există multe tipuri și performanțe diferite. De exemplu: măcinarea materialului la 400 de ochiuri, adăugarea unui liant, presarea, coacerea la temperatură ridicată și apoi tăierea, șlefuirea și lustruirea într-o napolitană ceramică piezoelectrică finită. Ceramica piezoelectrică este ușor de realizat în diferite forme și poate fi vibrată într-o varietate de moduri de vibrație pentru a se adapta la diverse utilizări. Are un coeficient de cuplare electromecanic ridicat, un câștig ridicat al buclei și sensibilitate, care sunt avantajele sale importante. Ceramica piezoelectrică folosită în mod obișnuit este: Titanatul de bariu (BaTiO3): Acesta este un amestec de dioxid de titan (TiO2) și carbonat de bariu (BaCO3) sinterizat la temperatură ridicată. Aceasta este o ceramică piezoelectrică anterioară, temperatura sa curie este scăzută, dependența de temperatură este mare, iar stabilitatea în timp și stabilitatea termică sunt slabe. Acum este încă folosit pentru radiatoare sonar și traductoare cu ultrasunete. Titanatul de zirconat de plumb, cod PZT, are o varietate de formule și caracteristici și este în prezent cea mai frecvent utilizată ceramică piezoelectrică.

Caracteristica principală a seriei PZT Cristalul plăcii piezoelectrice este coeficientul de cuplare electromecanic ridicat, din care PZT-4 este un tip de transmisie, iar caracteristicile sale ridicate de excitare sunt bune (valoare mare Qm, pierderi interne mici etc.), care este potrivit pentru radiatoare sonar și traductoare ultrasonice. , Generator de înaltă tensiune și traductor de mare putere. PZT-5 este un tip de receptor. Are constantă dielectrică ridicată, îmbătrânire scăzută și valoare Qm scăzută. Este potrivit pentru hidrofoane, traductoare cu ultrasunete, aparate de discuri, microfoane și componente pentru difuzoare. Este, de asemenea, potrivit pentru detectarea tipului de puls în bandă largă, etc. În plus: PZT-2, PZT-5A, PZT-5H, PZT-6A, PZT-7A, PZT-8 ... și așa mai departe.

Zinatul de niobiu de plumb are un coeficient de cuplare electromecanic ridicat de vibrație radială și o valoare Qm scăzută (adăugarea de MnO2 sau NiO2 poate crește Qm la 200), există o stabilitate la temperatură mai mare, potrivită pentru materialele de filtrare. Seria cobaltat de niobiu de plumb: coeficienții de cuplare electromecanic de vibrație radială Kp și Qm sunt relativ mari, care pot fi utilizați ca vibratoare și transformatoare cu ultrasunete, filtre, pickup-uri etc. Manganat de niobiu de plumb: valoare Qm ridicată, stabilitate bună în timp, constantă dielectrică scăzută, coeficient mediu de cuplare electromecanică Kp, întârziere de linie de vibrație radială adecvată pentru vibratorul radial. Antimonat de niobiu de plumb: valoare Kp ridicată, stabilitate bună, valoare Qm mare și coeficient de temperatură de frecvență mică. Sistem plumb-antimoniu mangan: Kp are o gamă mare de reglare, o valoare Qm ridicată, pierderi dielectrice mici și stabilitate bună. Plumb Tungsten Mangan: Tensiune de rupere extrem de mare, valoare Qm mare, valoare Kp mare și stabilitate bună la temperatură la frecvența de rezonanță.

Sistem de niobat de plumb: constanta dielectrică este mare, Kp este mediu, iar caracteristicile frecvenței sunetului sunt bune. Sistemul de plumb tungsten cadmiu este o temperatură bună și o stabilitate în timp a frecvenței. Telurat de plumb și magneziu. Poate rezista la presiuni repetate și are proprietăți electrice și mecanice reduse la îmbătrânire. În plus, există antimonatul de litiu de plumb și tantalat de litiu de plumb, care au stabilitate bună și valori Qm scăzute și sunt potrivite pentru traductoarele acustice subacvatice. În plus față de piezoceramica ternară, au fost dezvoltate piezoceramica cuaternară din niobiu nichel-niobiu zinc-titan-plumb zirconat.

Al treilea tip de material piezoelectric - material piezoelectric polimer polar. Acesta este un nou polimer semicristalin sintetizat artificial cu efect piezoelectric, numit polimer polar, iar efectul său piezoelectric se bazează pe un polimer polar. Rotația moleculară este în prezent cea mai bună cu fluorură de poliviniliden (PVDF). PVDF (-CH2-CF2-) este unul dintre cei mai polari polimeri. Filmul PVDF este întins la de câteva ori lungimea sa inițială la o temperatură sub 100 ° C pentru a obține o peliculă de tip β (o formă cristalină de PVDF), care este aplicată cu un electrod (de obicei aluminiu) și polarizat într-un câmp electric DC mare (Temperatura este de 80-150 ℃), va obține performanță piezoelectrică, poate fi utilizată într-un mod eficient, o bună stabilitate acustică. În plus, materialul poate fi îndoit, impedanța acustică este mică și se potrivește bine cu apă, potrivite în special pentru hidrofoane și traductoare pentru testarea câmpului sonor de diagnosticare cu ultrasunete medicale. Dezavantajele materialelor de film piezoelectrice sunt că raportul semnal-zgomot nu este ideal, coeficientul de cuplare electromecanic nu este suficient de mare, iar pierderile mecanice și dielectrice sunt relativ mari. În plus, deoarece factorul de calitate (Qm, Qe) este mic, nu este potrivit pentru locurile în care este necesară rezonanță ascuțită, nici pentru intrare mare și lucru continuu, deoarece efectul său piezoelectric atunci când este utilizat pentru o perioadă lungă de timp la o temperatură de peste 80 ° C scade. În plus, materialele piezoelectrice polimerice polari includ polifluoretilenă (PVF2) și altele asemenea.

Al patrulea tip de material piezoelectric - material piezoelectric compozit și film piezoelectric de oxid de zinc. Material piezoelectric compozit Placa de recoltare a energiei este compusă din particule ceramice feroelectrice dispersate și amestecate în materiale polimerice. La fel ca materialele electrice, proprietățile lor piezoelectrice depind nu numai de particulele ceramice, ci și de tipul de materiale polimerice utilizate ca matrice, în special de sistemele compozite cu polimeri de înaltă permisivitate, cum ar fi PVDF și fluorura de viniliden. , Poate fi folosit ca materiale piezoelectrice puternice. Acest material piezoelectric nu trebuie să fie întins ca alte corpuri piezoelectrice polimerice și este izotrop intern. Odată cu schimbarea tipului de polimer matrice, se poate obține o gamă largă de module elastice. În special, poate fi presat la cald și practic. foarte convenabil. De exemplu, materialele compozite din seriile PVDF și PZT au proprietăți piezoelectrice și proprietăți dielectrice foarte stabile. Aceste materiale au ajuns în stadiul practic și sunt similare cu materialele polimerice piezoelectrice în aplicare.

Filmul piezoelectric de oxid de zinc (ZnO) (fabricat prin procesul de pulverizare în vid) este utilizat pentru generarea și recepția cu ultrasunete de ultra-înaltă frecvență. Poate fi folosit în banda de frecvență 30-3000 MHz și are un efect bun. Poate fi utilizat pentru studiul proprietăților materialelor, liniei de întârziere cu ultrasunete, dispozitivului acusto-optic, procesării de comunicare și informații și microscop ultrasonic etc., cu lățime de bandă de frecvență, eficiență bună de conversie electro-acustică și potrivire ușoară cu circuitul de excitație. În plus, sulfura de cadmiu (CdS), nitrura de aluminiu (AlN) etc. sunt, de asemenea, materiale piezoelectrice bune în film subțire.