Sammansättning av piezoelektriskt keramiskt material

Olika applikationsområden har olika prestandakrav för piezoelektriska keramiska material . 1 Perovskite piezoelektriskt keramiskt material, den kemiska formeln är ABO3, A är en positiv jon med en stor radie, som kan vara +1, +2, +3; B är en positiv jon med en liten radie, som kan vara +3, +4, +5, +6. Jonradien för de tre jonerna A, B och O kan uppfylla följande förhållande för att bilda ABO3-strukturen: RA+RO=t√2 (RB+RO, t är en toleransfaktor, kan i allmänhet bilda kalcium mellan 0,86 och 1,03. Titanmalmsstruktur Typisk formulering: (1) 0,99 [PbTiO401 + .TiO301 + .TiO30 +. MnO2, kalcineringstemperatur är 850 ° C, värmekonservering i 2 timmar, bränningstemperatur är 1240 ° C, värmekonservering i 1 timme ε = 240, Kp=0,096, Qm=1050, Nt=2120 (2) Högfrekvent (30M-10) porcelain. PbTiO3+1wt%MnO2+1wt%Pb3O4ε=150, Kp=0,40, Qm=800~1000, temperatur och tid Bra stabilitet 3PbTiO3+3,0wt%CeO2++0,3MnO2+2,53wt%Nb.

(1) Med förändringen av Zr:Ti ändras Curie-punkten nästan linjärt från 235 °C till 490 °C, och Tc-linjen är en kubisk paraelektrisk fas utan piezoelektrisk effekt.

(2) Zr: Det finns en kvasihomogen fasgräns nära Ti=53:47, den titanrika sidan är den tetragonala ferroelektriska fasen FT; den zirkoniumrika sidan är den högtemperaturtrigonala ferroelektriska fasen FR, temperaturen på piezoelektriska keramiska givare stiger, och denna fasgräns är zirkoniumrik. Sidan lutar och skär Tc-linjen vid 360 ° C (vilket indikerar att Curie-temperaturen Tc är hög nära fasgränsen), och enhetscellens parametrar ändras abrupt nära fasgränsen. Det finns en stark piezoelektrisk effekt nära fasgränsen mellan den tetragonala ferroelektriska fasen FT och den trigonala ferroelektriska fasen FR. Kp, ε har ett maximalt värde och Qm har ett mycket litet värde. De piezoelektriska egenskaperna hos PZT-porslin nära fasgränsen är mycket högre än för BaTiO3-porslin. Eftersom Tc för PZT-porslinet vid gränsen är hög (360 ° C), är KP och ε båda stabila inom 200 ° C, vilket är ett idealiskt piezoelektriskt material. Doping Modifiering av PZT Porslin av elektronisk piezokeramisk givare . För att uppfylla olika ändamål behöver vi PZT piezoelektrisk keramik med olika egenskaper. Av denna anledning kan vi lägga till olika joner för att ersätta Pb2+-jonen vid A-stället eller Zr4+, Ti4+-jonen på B-stället. Därigenom förbättras materialets prestanda.

Annan substitution modifierad hård substitution modifierad mjuk substitution modifierad heterovalent substitution ekvivalent substitution dopad modifierad PZT (1) ekvivalent substitution ekvivalent substitution betyder att radien för Ca2+, Sr2+, Mg2+ är mindre än den för Pb2+ joner Jonsubstitutionen av Pb2+ joner resulterar i en ökning av dielektricitetskonstanten ε av PZT ε piezokeramisk skiva , en ökning av den elektromekaniska kopplingskoefficienten KP, och en ökning av den piezoelektriska konstanten d, varigenom de piezoelektriska egenskaperna hos PZT-keramen förbättras. Termen 'mjuk substitutionsmodifiering' betyder att tillsatsen av dessa tillsatser kan minska koercitivfältstyrkan EC med ↓, och polariseringen är lätt, så att materialegenskaperna blir 'mjuka' under inverkan av elektriskt fält eller spänning.

(a) La3+, Bi3+, Sb3+, etc. ersätter A-ställets Pb+2-jon (donatordopning); Nb5+, Ta5+, Sb5+, W6+, etc. Ersätter B-position Zr4+, Ti4+ joner (donatordopning). Egenskaperna hos PZT-porslin modifierat genom mjuk substitution har följande förändringar: koercitivfältstyrkan EC minskar ↓, den mekaniska kvalitetsfaktorn Qm minskar ↓; den dielektriska konstanten ε ökar ↑, den dielektriska förlusten tan δ ökar ↑, den elektromekaniska kopplingskoefficienten KP När ↑ ökas, ökas åldringsmotståndet och isolationsresistiviteten ρ ökas ↑. Anledningen till detta är att deras tillägg leder till bildandet av en Pb2+-brist. Till exempel, om varannan La3+ ersätter 3 Pb2+, för att upprätthålla balansen i elpriset, minskas antalet katjoner vid A-positionen i perovskitstrukturen och en A-vakans genereras. På grund av frånvaron av Pb2+ görs domänrörelsen lätt, och även liten elektrisk fältstyrka eller mekanisk påfrestning kan få domänväggarna att röra sig. 

Som ett resultat, en ökning av dielektricitetskonstanten och den elastiska eftergivlighetskoefficienten för Pzt piezokeramiska keramiska givare uppstår, och samtidigt ökar dielektriska förluster och mekaniska förluster, och Qm minskar. Dessutom, eftersom styrningen av domänerna är lätt, ökas antalet domäner orienterade i det elektriska fältets riktning, vilket ökar polarisationen, så att den piezoelektriska effekten ökas kraftigt, vilket representeras av en ökning av Kp-värdet. Eftersom domänens styrmotstånd blir litet är koercitivfältet för att vända polarisationen för att övervinna motståndet litet, och returlinjen är nästan rektangulär. Dessutom, på grund av frånvaron av Pb2+, buffras den interna spänningen som orsakas av 90-domänstyrningen, så att den kvarvarande töjningen blir liten. Med andra ord, eftersom domänväggarna är lätta att flytta, släpps domänernas inre stress lätt, så åldringsprestandan är bra. 'Mjuka' tillsatser är vanliga modifierande tillsatser.

(b) Till exempel dopas den accepterande typen av akustisk omvandlarmaterial under vatten ofta med La2O3 och Nb2O5 för att öka Kp-värdet och dielektricitetskonstanten. Pb0.95Sr0.05(Zr0.52Ti0.48)O3+0.9%La2O3+0.9%Nb2O5, Kp=0.60, ε=2100, Qm=80, bra stabilitet, volymresistivitet 1012 ohm 'mjuk' tillsats Mängden överstiger i allmänhet inte 5%. b Hård substitutionsmodifiering, den så kallade 'hårda substitutionsmodifieringen' innebär att tillsatsen av dessa tillsatser kan öka koercitivfältstyrkan EC, och polariseringen blir svår, så materialegenskaperna blir 'hårda' under inverkan av elektriskt fält eller spänning.

(a) K+, Na+, etc. som ersätter A-ställe Pb2+-joner (acceptordopning);

(b) Zr4+- och Ti4+-joner (acceptordopade) substituerade med B vid Fe2+, Co2+, Mn2+ (eller Fe3+, Co3+, Mn3+), Ni2+, Mg2+, Al3+, Cr3+ och liknande.

Egenskaperna hos PZT-porslin modifierat genom hård substitution har följande förändringar: Koercitivfältstyrka EC ökar ↑, mekanisk kvalitetsfaktor Qm ökar ↑; dielektrisk konstant ε minskar, dielektrisk förlust tan δ minskar ↓, elektromekanisk kopplingskoefficient KP minskar Liten ↓, åldringsresistansen minskas och isolationsresistiviteten ρ minskas.

Ternär perovskit piezoelektrisk keramik

Genom att ändra Zr/Ti-förhållandet och införliva en liten mängd tillsatser, även om vissa egenskaper kan förbättras, på grund av det bredare och bredare utbudet av piezoelektriska material, blir kraven på material högre och högre, och endast binära system kan inte uppfylla kraven för användning. Så det finns ett ternärt system. Det så kallade ternära perovskit piezoelektriska keramiska materialet hänvisar till en fast lösning bildad av en sammansatt perovskitförening och blyzirkonattitanat.