Pjezo elektrisko materiālu veidi - īpašības un raksturojums

Ar viņu apbrīnojamo īpašību ražot elektrību no neizmantotām ierīču vibrācijām, pjezoelektriskie materiāli parādās kā revolucionāri spēka kombaini. Pateicoties šo materiālu izpētei, šodien ir pieejams plašs pjezoelektrisko materiālu klāsts. Šos materiālus raksturo dažādas specifikācijas. Bet kā izvēlēties materiālu mūsu prasībām? Ko meklēt? Kas ir veidi pjezoelektriskais materiālus? Šajā rakstā mēs aplūkojam dažādus pjezoelektrisko materiālu veidus kopā ar to īpašībām. Rakstā aprakstīti pieci galvenie nopelni, kas jāmeklē, izvēloties izstrādājumam pjezoelektrisko materiālu.

Pjezoelektrisko materiālu veidi

Dažādie pjezoelektrisko materiālu veidi ietver sekojošo.

Pjezoelektrisko materiālu veidi

1). Dabiski pastāvoši

Šie kristāli ir anizotropie dielektriķi ar necentrosimetrisku kristāla režģi. Šajā kategorijā ietilpst kristāla materiāli, piemēram, kvarcs, Ročelas sāls, topāzs, turmalīna grupas minerāli un dažas organiskas vielas kā zīds, koks, emalja, kauls, mati, gumija, dentīns.

2). Cilvēka izgatavoti sintētiskie materiāli

Materiāli ar feroelektriskās īpašības tiek izmantoti pjezoelektrisko materiālu sagatavošanai. Izgatavotie materiāli ir grupēti piecās galvenajās kategorijās - Kvarca analogi, keramika, polimēri, kompozīti un plānas plēves .

• Polimēri : Polivinilidēndifluorīds, PVDF vai PVF2.
• Kompozīti : Pjezokompozīti ir jauninājums pjezopolimēri . Tie var būt divu veidu:
  Pjezo polimērs, kurā pjezoelektriskais materiāls ir iegremdēts elektriski pasīvā matrica .
  Pjezo kompozīti, kas izgatavoti, izmantojot divus dažādus keramikas piemērus BaTiO3 šķiedras pastiprinot a PZT matrica .
• Cilvēka izgatavots pjezoelektrisks ar kristāla struktūru kā perovskīts : Bārija titanāts, svina titanāts, svina cirkonāta titanāts (PZT), kālija niobāts, litija niobāts, litija tantalāts un citi bez svina pjezoelektriskā keramika.

Dažādu pjezoelektrisko materiālu īpašības

Dažādu pjezoelektrisko materiālu īpašības ietver šādas.

Kvarcs

• Kvarcs ir vispopulārākais viena kristāla pjezoelektriskais materiāls. Viena kristāla materiāliem ir dažādas materiāla īpašības atkarībā no viļņu izplatīšanās griezuma un virziena. Kvarcs oscilators darbināmi ar AT griezuma biezuma bīdes režīmu, tiek izmantoti datoros, televizoros un videomagnetofonos.
• S.A.W. tiek izmantotas ierīces ST-cut kvarcs ar X-pavairošanu. Kvarcam ir ārkārtīgi augsts mehāniskās kvalitātes faktors SQM> 105.

Litija niobāts un litija tantalāts

• Šie materiāli sastāv no skābekļa oktaedra.
• Šo materiālu cures temperatūra ir 1210. gads un 6600c attiecīgi.
• Šiem materiāliem ir augsts elektromehāniskais sakabes koeficients virsmas akustiskajam vilnim.

Bārija titanāts

• Šie materiāli ar dopanti piemēram, Pb vai Ca joni var stabilizēt tetragonāla fāze plašākā temperatūras diapazonā.
• Tos sākotnēji izmanto Langevins tipa pjezoelektriskie vibratori.

Pirmd

• PZT dopings ar donoru joniem, piemēram, Nb5 + vai Tr5 +, nodrošina mīkstus PZT, piemēram, PZT-5.
• Doping PZT ar akceptora joniem, piemēram, Fe3 + vai Sc3 +, nodrošina cietus PZT, piemēram, PZT-8.

Svina titanāta keramika

• Tie var radīt skaidru ultraskaņas attēlveidošanu, jo ir ļoti zems plakanais savienojums.
• Nesen ultraskaņas devēji un tiek izstrādāti elektromehāniskie izpildmehānismi vienkristāla relaksora feroelektriskie elementi ar morfotropās fāzes robežu (MPB).

Pjezoelektriskie polimēri

Pjezoelektriskajiem polimēriem ir noteiktas kopīgas īpašības kā

• Maza pjezoelektriskā d konstante, kas padara tos par labu izpildmehānismam.
• Liela g konstante, kas padara viņus par labu izvēli kā sensori .
• Šiem materiāliem ir laba akustiskā pretestība, kas atbilst ūdenim vai cilvēka ķermenim, pateicoties nelielam svaram un mīkstajai elastībai.
• Plaša rezonanses joslas platums zemas QM dēļ.
• Šie materiāli ir ļoti izvēlēti virziena mikrofoni un ultraskaņas hidrofoni.

Pjezoelektriskie kompozīti

• Pjezoelektriskie kompozīti, kas sastāv no pjezoelektriskām keramikas un polimēra fāzēm, veido izcilus pjezoelektriskos materiālus
• Augsts sakabes koeficients, zema akustiskā pretestība , mehāniskā elastība raksturo šos materiālus.
• Šie materiāli tiek īpaši izmantoti zemūdens hidrolokatoru un medicīniskās diagnostikas ultraskaņas devēju lietošanai.

Plānas filmas

Lielapjoma akustisko un virszemes akustisko viļņu ierīcēm no ZnO tiek plaši izmantoti, jo tur ir liela pjezoelektriskā sakabe.

Kurš ir labākais pjezoelektriskais materiāls?

Pjezoelektriskie materiāli tiek izvēlēti, pamatojoties uz mūsu lietojumu prasībām. Materiālu, kas varētu viegli izpildīt mūsu prasības, var uzskatīt par labāko. Izvēloties pjezoelektriskos materiālus, jāņem vērā daži faktori.

Pieci svarīgi pjezoelektriskā nopelni ir

1. Elektromehāniskais sakabes koeficients k

k2 = (uzglabātā mehāniskā enerģija / ievadītā elektriskā enerģija) vai
k2 = (saglabātā elektriskā enerģija / ievadītā mehāniskā enerģija)

2. Pjezoelektriskā celma konstante d

Apraksta inducētā celma x lieluma attiecību pret elektrisko lauku IS kā x = d.E.

3. Pjezoelektriskā sprieguma konstante g

g nosaka saikni starp ārējo spriegumu X un inducēto elektrisko lauku E kā E = g.X.
Relācijas izmantošana P = d.X. mēs varam paziņot g = d / ε0 .ε. kur ε = caurlaidība.

4. Mehāniskais kvalitātes koeficients QM

Šis parametrs raksturo elektromehāniskās rezonanses sistēma.

QM = ω0 / 2 ω.

5. Akustiskā pretestība Z

Šis parametrs novērtē akustiskās enerģijas pārnesi starp diviem materiāliem. Tas ir definēts kā

Z2 = (spiediena / tilpuma ātrums).

Cietos materiālos Z = √ρ.√ϲ kur ρ ir blīvums un ϲ ir elastīga stingrība materiāla.

Pjezoelektrisko raksturojumu tabula

• Polimēriem ir zema pjezoelektriskā konstante, salīdzinot ar keramiku.
• Keramikas materiālu formas maiņa ir lielāka nekā polimēru materiālu izmaiņām, ja tiek izmantots vienāds sprieguma daudzums.
• Pjezoelektriskā sprieguma koeficients PVDF ir labāks materiāls sensoru pielietojums .
• Lielākā elektromehāniskā sakabes koeficienta dēļ Pirmd tiek izmantots pielietojumā, kur mehāniskais spriegums jāpārveido par elektrisko enerģiju.
• Trīs parametri, kas jāņem vērā, izvēloties pjezoelektriskie materiāli lietojumiem, kas strādā ar mehānisko rezonansi, ir mehāniskās kvalitātes faktors , elektromehāniskais sakabes koeficients , un dielektriskā konstante . Lielāks šo parametru lielums ir pieteikuma materiāls.
• Materiāli ar lieliem pjezoelektriskā deformācijas koeficients , liels nehisterēzes celms ir vispiemērotākie izpildmehānisms .
• Materiāli ar augstu elektromehāniskais sakabes koeficients un augsta dielektriskā caurlaidība ir labākie kā devēji .
• Zems dielektriskais zudums ir svarīgs materiāliem, ko izmanto ārpusrezonanses frekvence lietojumi, kas veido zemu siltuma ražošanu.

Pamatojoties uz šiem fiziskajiem, materiālajiem, elektromehāniskās īpašības mēs varam viegli atšķirt pjezoelektriskos materiālus. Šīs īpašības palīdz mums izvēlēties piemērotāko pjezoelektrisko materiālu. Kuru materiālu esat izmantojis savai lietojumprogrammai? Kādas modifikācijas ir nepieciešamas, lai esošie materiāli pārvarētu to ierobežojumus?