Parametrar för piezoelektriska material och piezoelektriska ekvationer (4)

Fyra. Klassificering av piezoelektriska material
1. Den första typen av piezoelektriskt material piezoelektriskt enkristall. Detta är ett naturligt förekommande eller artificiellt ferroelektriskt enkristallmaterial med anisotropi. Dess piezoelektriska effekt är baserad på sammansättningen av kristallstrukturen Orsakad av förändringar i den relativa positionen för de positiva och negativa jonerna på gittret. Vanligt använda piezoelektriska enkristaller .Quartz (SiO2): Detta är en naturligt bildad eller artificiellt odlad (konstgjorda kristall) kristall med god enhetlighet och hög curiepunkt; hög impedans och hög mekanisk Q (Qm); hög hårdhet och bra slitstyrka; Prestanda är extremt stabil, åldrandet är extremt långsamt och minimalt, och dess prestanda förändras med temperaturen är mycket liten, och den linjära frekvenstemperaturkoefficienten som inte ändras med tiden kan erhållas; förlusten är liten, vilket kan användas för extremt höga frekvenser; isoleringsprestandan är bra, det kan vara hög användning under spänning; som kan användas i miljöer med högre och extremt låga temperaturer. På grund av dess många överlägsna egenskaper används kvarts fortfarande i stor utsträckning idag, särskilt som standardgivare och som tidsoscillator i datorutrustning. Dess nackdel är att den elektromekaniska omvandlingseffektiviteten är låg, vilket gör förstärkningen av systemslingan lägre.

Litiumniobat (LiNbO3): Detta är en artificiellt odlad ferroelektrisk enkristall med en diameter på upp till 120 mm. Litiumniobat kan användas för att direkt excitera den transversella ultraljudsvågen med hög elektromekanisk kopplingskoefficient och utmärkt piezoelektrisk prestanda. Den har ett stort Qm-värde och en hög curie-punkt. Den kan användas vid höga temperaturer, med stabil polarisation och ultraljudspridning. Förlusten är liten, den är inte flytande och frekvenskonstanten är mycket stor. Den kan användas för att tillverka ultrahögfrekventa givare. Därför har den använts som ett vanligt grundmaterial för givare för akustiska ytvågor. När den används som volymvågsgivare kan den få bättre känslighet än vanliga piezoelektriska keramiska givare. Den används också för ultraljudstjockleksmätning, smal mätning och pulsgivare. Detta är också en konstgjord enkristall. Det har goda mekaniska egenskaper, är lätt att bearbeta, kan lösas i vatten men är inte lätt att delikatisera, som har relativt stabila fysikaliska och kemiska egenskaper och har utmärkta piezoelektriska egenskaper av PZT material piezoelektrisk remsa
. Den elektromekaniska kopplingskoefficienten och den låga dielektricitetskonstanten, och Qm-värdet är ganska lågt, de är lämpliga för att göra högkänsliga, högupplösta bredbandsgivare och fördröjningslinjer, som att göra ultraljudstjockleksmätning och smala pulsgivare. Dessutom finns litiumsulfat (Li2SO4) med bra mottagningsförmåga.

3. Den andra typen av piezoelektriskt material piezoelektrisk keramik. Detta är ett polykristallint ferroelektriskt material tillverkat genom manuell bränning av pulversintringsmetod. Den piezoelektriska effekten är baserad på den elektrostriktiva effekten, och dess piezoelektriska egenskaper förändras med sintring. Det finns skillnader i hantverk och formuleringsingredienser, så det finns många typer och olika prestanda. Till exempel: slipa materialet till 400 mesh, lägga till ett bindemedel, pressa, grädda vid hög temperatur och sedan såga, slipa och polera till en färdig piezoelektrisk keramisk wafer. Piezoelektrisk keramik är lätt att göra i olika former och kan vibreras i en mängd olika vibrationslägen för att anpassas till olika användningsområden. Den har hög elektromekanisk kopplingskoefficient, hög slingförstärkning och känslighet, vilket är dess viktiga fördelar. Vanligt använda piezoelektriska keramer är: Bariumtitanat (BaTiO3): Detta är en blandning av titandioxid (TiO2) och bariumkarbonat (BaCO3) sintrade vid hög temperatur. Detta är en tidigare piezoelektrisk keramik, dess curietemperatur är låg, temperaturberoendet är stort och tidsstabiliteten och termisk stabilitet är dålig. Nu används den fortfarande för ekolodsstrålare och ultraljudsgivare. Blyzirkonattitanat, kod PZT, har en mängd olika formler och egenskaper, och är för närvarande den mest använda piezoelektriska keramen.

Huvudfunktionen i PZT-serien piezoelektrisk plåtkristall är den höga elektromekaniska kopplingskoefficienten, av vilken PZT-4 är en transmissionstyp, och dess höga excitationsegenskaper är bra (högt Qm-värde, liten intern förlust, etc.), vilket är lämpligt för ekolodsstrålare och ultraljudsgivare. , Högspänningsgenerator och högeffektsgivare. PZT-5 är en mottagartyp. Den har hög dielektricitetskonstant, låg åldring och lågt Qm-värde. Den är lämplig för hydrofoner, ultraljudsgivare, skivspelare, mikrofoner och högtalarkomponenter. Den är också lämplig för detektering av bredbandspulstyp etc. Dessutom: PZT-2, PZT-5A, PZT-5H, PZT-6A, PZT-7A, PZT-8 ... och så vidare.

Blyniobzinkat har hög elektromekanisk kopplingskoefficient för radiell vibration och lågt Qm-värde (att lägga till lite MnO2 eller NiO2 kan öka Qm till 200), det finns en högre temperaturstabilitet, lämplig för filtermaterial. Blyniobkoboltatserien: dess elektromekaniska kopplingskoefficienter för radiella vibrationer Kp och Qm är relativt höga, vilka kan användas som ultraljudsvibratorer och transformatorer, filter, pickuper, etc. Blyniobmanganat: högt Qm-värde, bra tidsstabilitet, låg dielektricitetskonstant, medelhög elektromekanisk kopplingskoefficient Kp för oscill-filter, lämplig filtervibrationskoefficient Kp. Blyniobantimonat: högt Kp-värde, bra stabilitet, stort Qm-värde och låg frekvenstemperaturkoefficient. Blyantimonmangansystem: Kp har ett stort justeringsintervall, ett högt Qm-värde, liten dielektrisk förlust och god stabilitet. Bly Tungsten Mangan: Extremt hög genombrottsspänning, stort Qm-värde, stort Kp-värde och bra temperaturstabilitet vid resonansfrekvens.

Blyniobatsystem: Dielektricitetskonstanten är stor, Kp är medium och ljudfrekvensegenskaperna är bra. Bly volfram kadmium system är bra temperatur och tidsstabilitet frekvens. Bly magnesiumtellurat. Den tål upprepade tryck och har låg åldring av elektriska och mekaniska egenskaper. Dessutom finns blylitiumantimonat och blylitiumtantalat, som har god stabilitet och låga Qm-värden, och är lämpliga för akustikgivare under vatten. Förutom ternär piezokeramik har kvartär piezokeramik av niobnickel-niobiumzink-titan-blyzirkonat utvecklats.

Den tredje typen av piezoelektriskt material-polärt polymert piezoelektriskt material. Detta är en ny artificiellt syntetiserad semikristallin polymer med en piezoelektrisk effekt, kallad en polär polymer, och dess piezoelektriska effekt är baserad på en polär polymer. Den molekylära rotationen är för närvarande bäst med polyvinylidenfluorid (PVDF). PVDF (-CH2-CF2-) är en av de mest polära polymererna. PVDF-filmen sträcks till flera gånger sin ursprungliga längd vid en temperatur under 100°C för att erhålla en film av β-typ (en kristallin form av PVDF), som appliceras med en elektrod (vanligtvis aluminium) och polariseras i ett elektriskt fält med hög likström (temperaturen är 80-150 ℃), kommer att erhålla piezoelektrisk prestanda eftersom den har en effektiv mottagningsprestanda. stabilitet, dessutom kan materialet böjas, den akustiska impedansen är liten och den är väl matchad med vatten, speciellt lämplig för hydrofoner och givare för medicinsk ultraljudsdiagnostisk ljudfältstestning. Nackdelarna med piezoelektriska filmmaterial är att signal-brusförhållandet inte är idealiskt, den elektromekaniska kopplingskoefficienten är inte tillräckligt stor och de mekaniska och dielektriska förlusterna är relativt stora. Dessutom, eftersom kvalitetsfaktorn (Qm, Qe) är liten, är den inte lämplig för platser där skarp resonans krävs, inte heller för stor ingång och kontinuerligt arbete, eftersom dess piezoelektriska effekt när den används under lång tid vid en temperatur över 80 ° C Minska. Dessutom inkluderar polära polymera piezoelektriska material polyfluoreten (PVF2) och liknande.

Den fjärde typen av piezoelektriskt material - komposit piezoelektriskt material och piezoelektrisk zinkoxidfilm. Komposit piezoelektriskt material energiuppsamlingsplattan består av ferroelektriska keramiska partiklar dispergerade och blandade i polymermaterial. Liksom elektriska material beror deras piezoelektriska egenskaper inte bara på de keramiska partiklarna utan också på typen av polymermaterial som används som matris, speciellt kompositsystemen med högpermittiva polymerer som PVDF och vinylidenfluorid. , Kan användas som starka piezoelektriska material. Detta piezoelektriska material behöver inte sträckas som andra piezoelektriska polymerkroppar och är isotropiskt invändigt. Med förändringen av matrispolymertypen kan ett stort intervall av elasticitetsmodul erhållas. I synnerhet kan den vara varmpressad och praktisk. mycket bekvämt. Till exempel har kompositmaterialen i PVDF- och PZT-serierna mycket stabila piezoelektriska egenskaper och dielektriska egenskaper. Dessa material har nått det praktiska stadiet och liknar piezoelektriska polymermaterial i tillämpningen.

Zinkoxid (ZnO) piezoelektrisk film (gjord med vakuumsprutningsprocess) används för ultrahögfrekvent ultraljudsgenerering och mottagning av givare. Den kan användas i frekvensbandet 30-3000 MHz och har bra effekt. Den kan användas för att studera materialegenskaper, ultraljudsfördröjningslinje, akustooptisk enhet, kommunikations- och informationsbehandling och ultraljudsmikroskop, etc., med frekvensbandbredd, god elektroakustisk omvandlingseffektivitet och enkel matchning med excitationskretsen. Dessutom är kadmiumsulfid (CdS), aluminiumnitrid (AlN) etc också bra piezoelektriska tunnfilmsmaterial.