Склад п'єзоелектричного керамічного матеріалу

Різні діапазони застосування мають різні вимоги до продуктивності п'єзоелектричні керамічні матеріали . 1 Перовскітний п'єзоелектричний керамічний матеріал, хімічна формула ABO3, A - позитивний іон з великим радіусом, який може бути +1, +2, +3; B — позитивний іон з малим радіусом, який може бути +3, +4, +5, +6. Іонний радіус трьох іонів A, B і O може задовольняти такому співвідношенню для формування структури ABO3: RA+RO=t√2 (RB+RO, t є коефіцієнтом толерантності, зазвичай може утворювати кальцій між 0,86 і 1,03. Структура титанової руди Типова формула: (1) 0,99 [PbTiO3 + 0,04 La2 / 3TiO3] + 0,01 MnO2, температура прожарювання 850 ° C, збереження тепла 2 години, температура випалу 1240 ° C, збереження тепла 1 година. PbTiO3+1%MnO2+1%Pb3O4ε=150, Kp=0,40, Qm=800~1000, температура і час Хороша стабільність 3PbTiO3+3,0%CeO2++0,3MnO2+2,53%Nb2O5,ε=230,Qm=1000.

(1) Зі зміною Zr:Ti точка Кюрі змінюється майже лінійно від 235 °C до 490 °C, а лінія Tc є кубічною параелектричною фазою без п’єзоелектричного ефекту.

(2) Zr: існує квазіоднорідна межа фаз поблизу Ti=53:47, багата титаном сторона є тетрагональною сегнетоелектричною фазою FT; сторона, багата цирконієм, - це високотемпературна тригональна сегнетоелектрична фаза FR, температура П'єзоелектричні керамічні перетворювачі піднімаються, і ця межа фази багата цирконієм. Сторона нахилена та перетинає лінію Tc при 360 °C (що вказує на те, що температура Кюрі Tc є високою біля межі фаз), і параметри елементарної комірки різко змінюються поблизу межі фази. Існує сильний п’єзоелектричний ефект поблизу межі розділу фаз між тетрагональною сегнетоелектричною фазою FT і тригональною сегнетоелектричною фазою FR. Kp, ε має максимальне значення, а Qm має дуже мале значення. П'єзоелектричні властивості порцеляни PZT поблизу межі розділу фаз значно вищі, ніж у порцеляни BaTiO3. Оскільки Tc порцеляни PZT на межі висока (360 °C), KP і ε стабільні в межах 200 °C, що є ідеальним п'єзоелектричним матеріалом. Допінг Модифікація порцеляни PZT електронний п'єзокерамічний перетворювач . Для різних цілей нам потрібна п’єзоелектрична кераміка PZT з різними властивостями. З цієї причини ми можемо додати різні іони, щоб замінити іон Pb2+ у місці A або іон Zr4+, Ti4+ у місці B. Тим самим покращуючи експлуатаційні характеристики матеріалу.

Інше заміщення модифіковане жорстке заміщення модифіковане м’яке заміщення модифіковане гетеровалентне заміщення еквівалентне заміщення допований модифікований PZT (1) еквівалентне заміщення еквівалентне заміщення означає, що радіус Ca2+, Sr2+, Mg2+ менший, ніж радіус іонів Pb2+. Іонне заміщення іонів Pb2+ призводить до збільшення діелектричної проникності ε PZT п’єзокерамічного диска , збільшення коефіцієнта електромеханічного зв’язку KP та збільшення п’єзоелектричної константи d, тим самим покращуючи п’єзоелектричні властивості кераміки PZT. Термін «модифікація м’якого заміщення» означає, що додавання цих добавок може зменшити напруженість коерцитивного поля EC на ↓, а поляризація є легкою, так що властивості матеріалу стають «м’якими» під дією електричного поля або напруги.

(а) La3+, Bi3+, Sb3+ тощо замінюють іон Pb+2 на А-сайті (донорне легування); Nb5+, Ta5+, Sb5+, W6+ та ін. Заміщення іонів Zr4+, Ti4+ в B-положенні (донорне легування). Властивості фарфору PZT, модифікованого м’яким заміщенням, мають такі зміни: напруженість коерцитивного поля EC зменшується ↓, механічна добротність Qm зменшується ↓; діелектрична проникність ε збільшується ↑, діелектричні втрати tan δ зростають ↑, коефіцієнт електромеханічного зв’язку KP Коли ↑ збільшується, стійкість до старіння збільшується, а питомий опір ізоляції ρ збільшується ↑. Причиною цього є те, що їх додавання призводить до утворення дефіциту Pb2+. Наприклад, якщо кожні два La3+ замінюють 3 Pb2+, щоб підтримувати баланс ціни на електроенергію, кількість катіонів у позиції А в структурі перовскіту зменшується, і утворюється вакансія A. Завдяки відсутності Pb2+ рух домену полегшується, і навіть невелика напруженість електричного поля або механічна напруга можуть спричинити рух доменних стінок. 

Внаслідок цього відбувається збільшення діелектричної проникності та коефіцієнта пружної податливості Відбувається п’єзокерамічні керамічні перетворювачі Pzt , і в той же час діелектричні втрати та механічні втрати збільшуються, а Qm зменшується. Крім того, оскільки керувати доменами легко, кількість доменів, орієнтованих у напрямку електричного поля, збільшується, тим самим збільшуючи поляризацію, так що п’єзоелектричний ефект значно посилюється, що відображається збільшенням значення Kp. Оскільки опір керуванню домену стає малим, коерцитивне поле для реверсування поляризації для подолання опору є малим, а зворотна лінія майже прямокутна. Крім того, через відсутність Pb2+ внутрішня напруга, викликана 90-доменним керуванням, буферизується, так що залишкова деформація стає невеликою. Іншими словами, оскільки доменні стінки легко переміщуються, внутрішня напруга доменів легко знімається, тому ефективність старіння є хорошою. 'М'які' добавки - це загальновживані модифікуючі добавки.

(b) Наприклад, матеріал підводного акустичного перетворювача акцептного типу часто додається La2O3 і Nb2O5, щоб збільшити значення Kp і діелектричну проникність. Pb0,95Sr0,05(Zr0,52Ti0,48)O3+0,9%La2O3+0,9%Nb2O5, Kp=0,60, ε=2100, Qm=80, хороша стабільність, питомий об'ємний опір 1012 Ом 'м'яка' добавка Кількість зазвичай не перевищує 5%. b Модифікація жорсткого заміщення, так звана «модифікація жорсткого заміщення» означає, що додавання цих добавок може збільшити напруженість коерцитивного поля EC, і поляризація стає складною, тому властивості матеріалу стають «жорсткими» під дією електричного поля або напруги.

(a) K+, Na+ тощо, що заміщують іони Pb2+ в А-центрі (акцепторне легування);

(b) іони Zr4+ і Ti4+ (леговані акцепторами), заміщені на B у Fe2+, Co2+, Mn2+ (або Fe3+, Co3+, Mn3+), Ni2+, Mg2+, Al3+, Cr3+ тощо.

Властивості фарфору PZT, модифікованого жорстким заміщенням, мають такі зміни: напруженість коерцитивного поля EC збільшується ↑, механічна добротність Qm збільшується ↑; діелектрична проникність ε зменшується, діелектричні втрати tan δ зменшуються ↓, коефіцієнт електромеханічного зв’язку KP зменшується Small ↓, стійкість до старіння знижується, а питомий опір ізоляції ρ зменшується.

Потрійна перовскітова п'єзокераміка

Змінюючи співвідношення Zr/Ti і вводячи невелику кількість добавок, хоча деякі властивості можна покращити, завдяки дедалі ширшому асортименту п’єзоелектричних матеріалів вимоги до матеріалів стають все вищими й вищими, і лише двійкові системи не можуть відповідати вимогам для використання. Отже, існує потрійна система. Так званий потрійний перовскітний п’єзоелектричний керамічний матеріал відноситься до твердого розчину, утвореного з композитної сполуки перовскіту та титанату цирконата свинцю.