Rodzaje materiałów piezoelektrycznych - właściwości i charakterystyka

Dzięki ich niesamowitej charakterystyce produkować energię elektryczną przed niewykorzystanymi wibracjami urządzeń, materiały piezoelektryczne stają się rewolucyjnymi kombajnami. Dzięki badaniom nad tymi materiałami istnieje obecnie szeroki wybór materiałów piezoelektrycznych. Te materiały charakteryzują się różnymi specyfikacjami. Ale jak dobrać materiał do naszych wymagań? Czego szukać? Jakie są rodzaje piezoelektryczny materiały? W tym artykule przyjrzymy się różnym rodzajom materiałów piezoelektrycznych wraz z ich właściwościami. W artykule opisano pięć podstawowych zalet, na które należy zwrócić uwagę przy wyborze materiału piezoelektrycznego na produkt.

Rodzaje materiałów piezoelektrycznych

Poniżej wymieniono różne rodzaje materiałów piezoelektrycznych.

Rodzaje materiałów piezoelektrycznych

1). Naturalny istniejący

Kryształy te są anizotropowymi dielektrykami z niecentrosymetryczną siecią krystaliczną. Do tej kategorii należą materiały krystaliczne, takie jak kwarc, sól Rochelle, topaz, minerały z grupy turmalinów oraz niektóre substancje organiczne, takie jak jedwab, drewno, emalia, kości, włosy, guma, zębina.

2). Sztuczne materiały syntetyczne

Materiały z właściwości ferroelektryczne służą do przygotowania materiałów piezoelektrycznych. Materiały stworzone przez człowieka są podzielone na pięć głównych kategorii - Analogi kwarcowe, ceramika, polimery, kompozyty i cienkie warstwy .

• Polimery : Difluorek poliwinylidenu, PVDF lub PVF2.
• Kompozyty : Piezokompozyty są aktualizacją piezopolimery . Mogą być dwojakiego rodzaju:
  Polimer piezoelektryczny, w którym materiał piezoelektryczny jest zanurzony w matryca pasywna elektrycznie .
  Kompozyty piezoelektryczne wykonane przy użyciu dwóch różnych przykładów ceramiki Włókna BaTiO3 wzmocnienie a Macierz PZT .
• Sztuczny piezoelektryczny o strukturze krystalicznej perowskitu : Tytanian baru, tytanian ołowiu, tytanian cyrkonianu ołowiu (PZT), niobian potasu, niobian litu, tantalan litu i inne bezołowiowe ceramika piezoelektryczna.

Właściwości różnych materiałów piezoelektrycznych

Poniżej przedstawiono właściwości różnych materiałów piezoelektrycznych.

Kwarc

• Kwarc to najpopularniejszy monokrystaliczny materiał piezoelektryczny. Materiały monokrystaliczne wykazują różne właściwości materiałowe w zależności od cięcia i kierunku rozchodzenia się fali objętościowej. Kwarc oscylator pracujące w trybie ścinania na grubość cięcia AT są używane w komputerach, telewizorach i magnetowidach.
• W S.A.W. stosowane są urządzenia kwarcowe cięte w kształcie ST z propagacją X. Kwarc ma niezwykle wysoki współczynnik jakości mechanicznej SQM> 105.

Niobian litu i Tantalan litu

• Materiały te składają się z oktaedru tlenu.
• Temperatura Curie tych materiałów wynosi 1210 i 6600c odpowiednio.
• Materiały te mają wysoki elektromechaniczny współczynnik sprzężenia dla powierzchniowej fali akustycznej.

Tytanian baru

• Te materiały z domieszki takie jak jony Pb lub Ca mogą stabilizować faza tetragonalna w szerszym zakresie temperatur.
• Są one początkowo używane do Langevin wibratory piezoelektryczne typu.

Pon

• Domieszkowanie PZT jonami dawcy, takimi jak Nb5 + lub Tr5 +, zapewnia miękkie PZT, takie jak PZT-5.
• Domieszkowanie PZT jonami akceptorowymi, takimi jak Fe3 + lub Sc3 +, zapewnia twarde PZT, takie jak PZT-8.

Ceramika tytanowa ołowiu

• Mogą one dawać wyraźne obrazowanie ultradźwiękowe ze względu na wyjątkowo niskie sprzężenie płaskie.
• Ostatnio do ultradźwięków przetworniki oraz elektromechaniczne siłowniki relaksacyjne monokrystaliczne ferroelektryki z morfotropową granicą fazową (MPB).

Polimery piezoelektryczne

Polimery piezoelektryczne mają pewne wspólne cechy, takie jak

• Mała stała piezoelektryczna d, co czyni je dobrym wyborem dla siłownika.
• Duża stała g, co czyni je dobrym wyborem jako czujniki .
• Materiały te mają dobrą impedancję akustyczną dopasowaną do wody lub ciała ludzkiego dzięki niewielkiej wadze i miękkiej elastyczności.
• Szerokie pasmo rezonansowe dzięki niskiej jakości QM.
• Te materiały są wysoce zalecane mikrofony kierunkowe i hydrofony ultradźwiękowe.

Kompozyty piezoelektryczne

• Kompozyty piezoelektryczne składające się z ceramiki piezoelektrycznej i faz polimerowych tworzą doskonałe materiały piezoelektryczne
• Wysoki współczynnik sprzężenia, niska impedancja akustyczna , elastyczność mechaniczna charakteryzuje te materiały.
• Materiały te są szczególnie wykorzystywane w sonarach podwodnych i przetwornikach ultradźwiękowej diagnostyki medycznej.

Cienkie filmy

Do urządzeń wykorzystujących masowe fale akustyczne i powierzchniowe fale akustyczne cienkie warstwy ZnO są szeroko stosowane ze względu na duże sprzężenie piezoelektryczne.

Jaki jest najlepszy materiał piezoelektryczny?

Materiały piezoelektryczne dobierane są na podstawie wymagań naszych aplikacji. Materiał, który bez problemu spełni nasze wymagania, można uznać za najlepszy. Przy wyborze materiałów piezoelektrycznych należy wziąć pod uwagę kilka czynników.

Pięć ważnych zalet piezoelektrycznych to

1. Współczynnik sprzężenia elektromechanicznego k

k2 = (zmagazynowana energia mechaniczna / wejściowa energia elektryczna) lub
k2 = (zgromadzona energia elektryczna / wejściowa energia mechaniczna)

2. Stała odkształcenia piezoelektrycznego d

Opisuje zależność wielkości indukowanego odkształcenia x od pola elektrycznego JEST tak jak x = d.E.

3. Stała napięcia piezoelektrycznego g

sol określa zależność między naprężeniem zewnętrznym X a indukowanym polem elektrycznym E jako E = g.X.
Korzystanie z relacji P = d.X. możemy stwierdzić g = d / ε0. ε. gdzie ε = przenikalność.

4. Mechaniczny współczynnik jakości QM

Ten parametr charakteryzuje ostrość obrazu elektromechaniczny układ rezonansowy.

QM = ω0 / 2 ω.

5. Impedancja akustyczna Z

Ten parametr ocenia transfer energii akustycznej między dwoma materiałami. Jest to zdefiniowane jako

Z2 = (ciśnienie / prędkość objętościowa).

W solidnych materiałach Z = √ρ.√ϲ gdzie ρ to gęstość, a ϲ to elastyczna sztywność materiału.

Tabela charakterystyk piezoelektrycznych

• Polimery mają niską stałą piezoelektryczną w porównaniu z ceramiką.
• Zmiana kształtu materiałów na bazie ceramiki jest większa niż w przypadku materiałów na bazie polimerów, gdy przyłożone jest takie samo napięcie.
• Współczynnik napięcia piezoelektrycznego o wartości PVDF sprawia, że ​​jest lepszym materiałem zastosowania czujników .
• Ze względu na większy elektromechaniczny współczynnik sprzężenia, Pon jest stosowany w zastosowaniach, w których naprężenia mechaniczne muszą zostać zamienione na energię elektryczną.
• Trzy parametry, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze materiały piezoelektryczne do zastosowań pracujących w rezonansie mechanicznym mechaniczny współczynnik jakości , elektromechaniczny współczynnik sprzężenia , i stała dielektryczna . Im większa wartość tych parametrów, tym lepiej jest materiał do zastosowania.
• Materiały z dużym współczynnik odkształcenia piezoelektrycznego , duży poziomy odkształcenia niehisteretycznego są najlepsze dla siłownik .
• Materiały o wysokim elektromechaniczny współczynnik sprzężenia i wysoka przenikalność dielektryczna są najlepsze jak przetworniki .
• Niskie straty dielektryczne jest ważne dla materiałów używanych w częstotliwość poza rezonansem aplikacje uwzględniające niskie wytwarzanie ciepła.

W oparciu o te fizyczne, materialne, właściwości elektromechaniczne możemy łatwo rozróżnić materiały piezoelektryczne. Te właściwości pomagają nam wybrać najlepszy materiał piezoelektryczny do naszych zastosowań. Jakiego materiału użyłeś do swojej aplikacji? Jakie modyfikacje są potrzebne, aby istniejące materiały przezwyciężyły swoje ograniczenia?