Параметри п'єзоелектричних матеріалів і п'єзоелектричні рівняння (4)

чотири. Класифікація п’єзоелектричних матеріалів
1. Перший тип п’єзоелектричного матеріалу – п’єзоелектричний монокристал. Це природний або штучний монокристалічний сегнетоелектричний матеріал з анізотропією. Його п'єзоелектричний ефект заснований на складі кристалічної структури, викликаної змінами відносного розташування позитивних і негативних іонів на решітці. Зазвичай використовувані п’єзоелектричні монокристали. Кварц (SiO2): це природний або штучно вирощений (штучний кристал) кристал з хорошою однорідністю та високою точкою Кюрі; високий імпеданс і висока механічна добротність (Qm); висока твердість і хороша зносостійкість; Продуктивність надзвичайно стабільна, старіння надзвичайно повільне та мінімальне, а його продуктивність змінюється з температурою дуже мало, і можна отримати температурний коефіцієнт лінійної частоти, який не змінюється з часом; втрати невеликі, що можна використовувати для надзвичайно високих частот; характеристики ізоляції хороші, його можна використовувати під високою напругою; його можна використовувати в середовищах з високою та надзвичайно низькою температурою. Завдяки багатьом чудовим властивостям кварц все ще широко використовується сьогодні, особливо як стандартний перетворювач і як осцилятор часу в комп’ютерному обладнанні. Його недоліком є ​​те, що ефективність електромеханічного перетворення низька, що робить коефіцієнт підсилення петлі системи нижчим.

Ніобат літію (LiNbO3): це штучно вирощений сегнетоелектричний монокристал діаметром до 120 мм. Ніобат літію можна використовувати для прямого збудження ультразвукової поперечної хвилі з високим електромеханічним коефіцієнтом зв’язку та чудовими п’єзоелектричними характеристиками. Він має велике значення Qm і високу точку Кюрі. Його можна використовувати при високих температурах, зі стабільною поляризацією та поширенням ультразвуку. Втрата невелика, вона не розпливається, а постійна частоти дуже велика. Його можна використовувати для виготовлення перетворювачів надвисокої частоти. Тому він використовується як основний матеріал для перетворювачів поверхневих акустичних хвиль. При використанні як перетворювача об’ємної хвилі він може отримати кращу чутливість, ніж звичайні п’єзоелектричні керамічні перетворювачі. Він також використовується для ультразвукового вимірювання товщини, вузького вимірювання та вимірювання імпульсів. Це теж штучний монокристал. Він має добрі механічні властивості, його легко обробляти, його можна розчинити у воді, але його нелегко розтопити, він має відносно стабільні фізичні та хімічні властивості та чудові п’єзоелектричні властивості. П'єзоелектрична стрічка з матеріалу PZT
. Коефіцієнт електромеханічного зв’язку, низька діелектрична проникність і значення Qm є досить низькими, тому вони підходять для виготовлення високочутливих широкосмугових перетворювачів із високою роздільною здатністю та ліній затримки, таких як ультразвукове вимірювання товщини та перетворювачів вузьких імпульсів. Крім того, є сульфат літію (Li2SO4) з хорошими характеристиками отримання.

3. Другий тип п'єзоелектричного матеріалу - п'єзоелектрична кераміка. Це полікристалічний сегнетоелектричний матеріал, виготовлений методом ручного випалу порошкового спікання. П'єзоелектричний ефект заснований на електрострикційному ефекті, і його п'єзоелектричні властивості змінюються при спіканні. Існують відмінності в майстерності виготовлення та інгредієнтах рецептури, тому існує багато типів і різних характеристик. Наприклад: подрібнення матеріалу до 400 меш, додавання сполучного, пресування, випікання при високій температурі, а потім розпилювання, шліфування та полірування в готову п’єзоелектричну керамічну пластину. П’єзоелектричну кераміку легко надати різної форми, її можна вібрувати в різних режимах вібрації, щоб адаптувати її до різних цілей. Він має високий електромеханічний коефіцієнт зв'язку, високий коефіцієнт підсилення та чутливість, що є його важливими перевагами. П’єзоелектрична кераміка, яка зазвичай використовується: титанат барію (BaTiO3): це суміш діоксиду титану (TiO2) і карбонату барію (BaCO3), спечених при високій температурі. Це більш рання п’єзоелектрична кераміка, її температура Кюрі низька, температурна залежність велика, а стабільність у часі та термічна стабільність погані. Зараз він все ще використовується для випромінювачів сонара та ультразвукових перетворювачів. Титанат цирконат свинцю, код PZT, має різноманітні формули та характеристики, і в даний час є найбільш часто використовуваною п’єзоелектричною керамікою.

Головна особливість серії PZT П'єзоелектричний пластинчастий кристал має високий електромеханічний коефіцієнт зв'язку, з якого PZT-4 є трансмісійним типом, і його високі характеристики збудження хороші (високе значення Qm, малі внутрішні втрати тощо), що підходить для радіаторів гідролокатора та ультразвукових перетворювачів. , Генератор високої напруги та перетворювач високої потужності. ПЗТ-5 — ствольна коробка. Він має високу діелектричну проникність, низьке старіння та низьке значення Qm. Він підходить для гідрофонів, ультразвукових перетворювачів, програвачів, мікрофонів і компонентів гучномовців. Він також підходить для виявлення широкосмугового імпульсу тощо. Крім того: PZT-2, PZT-5A, PZT-5H, PZT-6A, PZT-7A, PZT-8 ... і так далі.

Цинкат ніобію свинцю має високий електромеханічний коефіцієнт зв'язку радіальної вібрації та низьке значення Qm (додавання трохи MnO2 або NiO2 може збільшити Qm до 200), є більш висока температурна стабільність, підходить для фільтруючих матеріалів. Серія кобальтату ніобію свинцю: коефіцієнт електромеханічного зв’язку радіальної вібрації Kp і Qm відносно високі, що можна використовувати як ультразвукові вібратори та трансформатори, фільтри, датчики тощо. Манганат ніобію свинцю: високе значення Qm, хороша стабільність у часі, низька діелектрична проникність, середній коефіцієнт електромеханічного зв’язку Kp радіальної вібрації, підходить для фільтра та лінії затримки. осцилятор. Антимонат ніобію свинцю: високе значення Kp, хороша стабільність, велике значення Qm і низький частотний температурний коефіцієнт. Свинцево-сурмано-марганцева система: Kp має великий діапазон регулювання, високе значення Qm, невеликі діелектричні втрати та хорошу стабільність. Свинець, вольфрам, марганець: надзвичайно висока напруга пробою, велике значення Qm, велике значення Kp і хороша температурна стабільність на резонансній частоті.

Система ніобату свинцю: діелектрична проникність висока, Kp середня, звукові частотні характеристики хороші. Свинцево-вольфрамово-кадмієва система має хорошу стабільність температури та часу частоти. Телурат магнію свинцю. Він може витримувати багаторазовий тиск і має низький рівень старіння електричних і механічних властивостей. Крім того, існують антимонат літію свинцю та танталат літію свинцю, які мають хорошу стабільність і низькі значення Qm і підходять для підводного акустичного перетворювача. Крім потрійної п'єзокераміки, була розроблена четвертинна п'єзокераміка ніобій-нікель-ніобій-цинк-титан-свинцевий цирконат.

Третій тип п'єзоелектричного матеріалу - полярний полімерний п'єзоелектричний матеріал. Це новий штучно синтезований напівкристалічний полімер з п'єзоелектричним ефектом, який називається полярним полімером, і його п'єзоелектричний ефект заснований на полярному полімері. Молекулярне обертання наразі найкраще з полівініліденфторидом (PVDF). PVDF (-CH2-CF2-) є одним із найбільш полярних полімерів. Плівка PVDF розтягується в декілька разів від початкової довжини при температурі нижче 100 °C, щоб отримати плівку β-типу (кристалічна форма PVDF), яка наноситься електродом (зазвичай алюмінієвим) і поляризується в сильному електричному полі постійного струму (температура становить 80-150 ℃), отримає п'єзоелектричні характеристики, її можна ефективно використовувати як акустичний приймач, має хорошу термостабільність, у Крім того, матеріал можна згинати, акустичний опір невеликий, і він добре поєднується з водою, особливо підходить для гідрофонів і перетворювачів для медичних ультразвукових діагностичних тестів звукового поля. Недоліки п'єзоелектричних плівкових матеріалів полягають у тому, що співвідношення сигнал/шум не є ідеальним, коефіцієнт електромеханічного зв'язку недостатньо великий, а механічні та діелектричні втрати відносно великі. Крім того, оскільки коефіцієнт якості (Qm, Qe) невеликий, він не підходить для місць, де потрібен різкий резонанс, а також для великого входу та тривалої роботи, оскільки його п’єзоелектричний ефект при тривалому використанні при температурі вище 80 ° C зменшується. Крім того, полярні полімерні п'єзоелектричні матеріали включають поліфторетилен (PVF2) тощо.

Четвертий тип п'єзоелектричного матеріалу - композитний п'єзоелектричний матеріал і п'єзоелектрична плівка з оксиду цинку. Композитний п'єзоелектричний матеріал пластина збору енергії складається з сегнетоелектричних керамічних частинок, диспергованих і змішаних у полімерних матеріалах. Подібно до електричних матеріалів, їхні п’єзоелектричні властивості залежать не лише від керамічних частинок, а й від типу полімерних матеріалів, які використовуються як матриця, особливо композитних систем із полімерами з високою діелектричною проникністю, такими як ПВДФ і вініліденфторид. , Можна використовувати як міцні п'єзоелектричні матеріали. Цей п’єзоелектричний матеріал не потребує розтягування, як інші полімерні п’єзоелектричні тіла, і внутрішньо ізотропний. Зі зміною типу матричного полімеру можна отримати великий діапазон модуля пружності. Зокрема, вона може бути гарячого пресування і практична. дуже зручно. Наприклад, композитні матеріали серій PVDF і PZT мають дуже стабільні п'єзоелектричні та діелектричні властивості. Ці матеріали досягли практичної стадії і за застосуванням схожі на п'єзоелектричні полімерні матеріали.

П’єзоелектрична плівка з оксиду цинку (ZnO) (виготовлена ​​за допомогою процесу вакуумного напилення) використовується для ультрависокочастотних перетворювачів генерації та прийому ультразвуку. Він може використовуватися в діапазоні частот 30-3000 МГц і має хороший ефект. Його можна використовувати для дослідження властивостей матеріалів, ультразвукової лінії затримки, акустооптичних пристроїв, засобів зв’язку та обробки інформації, ультразвукового мікроскопа тощо, із смугою пропускання частот, хорошою ефективністю електроакустичного перетворення та легким узгодженням із схемою збудження. Крім того, сульфід кадмію (CdS), нітрид алюмінію (AlN) тощо також є хорошими п’єзоелектричними тонкоплівковими матеріалами.