Typen piëzo-elektrische materialen - Eigenschappen en kenmerken

Met hun geweldige karakteristiek elektriciteit produceren door ongebruikte trillingen van de apparaten, piëzo-elektrische materialen komen naar voren als revolutionaire oogstmachines. Dankzij het onderzoek dat aan deze materialen is gedaan, is er tegenwoordig een breed scala aan piëzo-elektrische materialen om uit te kiezen. Verschillende specificaties kenmerken deze materialen. Maar hoe kies je een materiaal voor onze behoefte? Waarnaar te zoeken? Wat zijn de types van piëzo-elektrisch materialen? In dit artikel kijken we naar verschillende soorten piëzo-elektrische materialen en hun eigenschappen. Het artikel beschrijft de vijf basisvoordelen waarnaar moet worden gezocht bij het kiezen van een piëzo-elektrisch materiaal voor het product.

Soorten piëzo-elektrische materialen

De verschillende soorten piëzo-elektrische materialen omvatten de volgende.

Soorten piëzo-elektrische materialen

1) .Natuurlijk bestaand

Deze kristallen zijn anisotrope diëlektrica met niet-centrosymmetrisch kristalrooster. Kristalmaterialen zoals kwarts, rochellezout, topaas, mineralen uit de toermalijngroep en sommige organische stoffen zoals zijde, hout, glazuur, botten, haar, rubber, dentine vallen onder deze categorie.

2). Door de mens gemaakte synthetische materialen

Materialen met ferro-elektrische eigenschappen worden gebruikt om piëzo-elektrische materialen te bereiden. Door de mens gemaakte materialen zijn gegroepeerd in vijf hoofdcategorieën - Kwartsanalogen, keramiek, polymeren, composieten en dunne films ​

• Polymeren : Polyvinylideendifluoride, PVDF of PVF2.
• Composieten ​ Piëzocomposieten zijn de upgrade van piëzopolymeren ​Ze kunnen van twee soorten zijn:
  Piëzo-polymeer waarin piëzo-elektrisch materiaal is ondergedompeld in een elektrisch passieve matrix ​
  Piëzo-composieten die zijn gemaakt met behulp van twee verschillende keramiekvoorbeelden BaTiO3-vezels versterking van een PZT-matrix ​
• Door de mens gemaakt piëzo-elektrisch met kristalstructuur als perovskiet : Bariumtitanaat, loodtitanaat, loodzirkonaattitanaat (PZT), kaliumniobaat, lithiumniobaat, lithiumtantalaat en andere loodvrije piëzo-elektrische keramiek.

Eigenschappen van verschillende piëzo-elektrische materialen

De eigenschappen van verschillende piëzo-elektrische materialen omvatten de volgende.

Kwarts

• Kwarts is het meest populaire piëzo-elektrische monokristallijne materiaal. Monokristallijne materialen vertonen verschillende materiaaleigenschappen afhankelijk van de snede en richting van de bulkgolfvoortplanting. Kwarts oscillator bediend in dikte afschuifmodus van de AT-cut worden gebruikt in computers, tv's en videorecorders.
• In S.A.W. apparaten ST-cut quartz met X-propagatie wordt gebruikt. Kwarts heeft een extreem hoge mechanische kwaliteitsfactor M2> 105.

Lithiumniobaat en lithiumtantalaat

• Deze materialen zijn samengesteld uit zuurstofoctaëder.
• Curies temperatuur van deze materialen is 1210 en 6600c respectievelijk.
• Deze materialen hebben een hoge elektromechanische koppelingscoëfficiënt voor akoestische oppervlaktegolven.

Bariumtitanaat

• Deze materialen met doteermiddelen zoals Pb- of Ca-ionen kunnen de tetragonale fase over een groter temperatuurbereik.
• Deze worden in eerste instantie gebruikt voor Langevin -type piëzo-elektrische vibrators.

Ma

• Doping van PZT met donorionen zoals Nb5 + of Tr5 + levert zachte PZT's op zoals PZT-5.
• Doping van PZT met acceptorionen zoals Fe3 + of Sc3 + levert harde PZT's op zoals PZT-8.

Loodtitanaat keramiek

• Deze kunnen door hun extreem lage vlakke koppeling duidelijke ultrasone beelden produceren.
• Onlangs, voor ultrasoon transducers en elektromechanische actuatoren enkelkristal relaxor ferro-elektrische componenten met morfotrope fasegrens (MPB) worden ontwikkeld.

Piëzo-elektrische polymeren

Piëzo-elektrische polymeren hebben bepaalde gemeenschappelijke kenmerken zoals

• Kleine piëzo-elektrische d-constante waardoor ze een goede keuze zijn voor de actuator.
• Grote g-constante waardoor ze een goede keuze zijn als sensoren ​
• Deze materialen hebben een goede akoestische impedantie die overeenkomt met water of het menselijk lichaam vanwege hun lichte gewicht en zachte elasticiteit.
• Brede resonantiebandbreedte vanwege lage QM.
• Deze materialen zijn zeer gekozen directionele microfoons en ultrasone hydrofoons.

Piëzo-elektrische composieten

• Piëzo-elektrische composieten bestaande uit piëzo-elektrische keramische en polymeerfasen vormen uitstekende piëzo-elektrische materialen
• Hoge koppelingsfactor, lage akoestische impedantie , mechanische flexibiliteit kenmerkt deze materialen.
• Deze materialen worden met name gebruikt voor onderwater sonar en medische diagnostische ultrasone transducertoepassingen.

Dunne films

Voor bulk akoestische en akoestische oppervlaktegolven dunne films van ZnO worden veel gebruikt vanwege hun grote piëzo-elektrische koppeling.

Wat is het beste piëzo-elektrische materiaal?

Piëzo-elektrische materialen worden gekozen op basis van de vereisten van onze toepassingen. Het materiaal dat gemakkelijk aan onze eisen zou kunnen voldoen, kan als het beste worden beschouwd. Er zijn een paar factoren waarmee u rekening moet houden bij het kiezen van piëzo-elektrische materialen.

De vijf belangrijkste verdiensten van piëzo-elektrisch zijn

1. De elektromechanische koppelingsfactor k

k2 = (opgeslagen mechanische energie / ingevoerde elektrische energie) of
k2 = (opgeslagen elektrische energie / input mechanische energie)

2. Piëzo-elektrische rekconstante d

Beschrijft de relatie tussen de grootte van de geïnduceerde rek x en het elektrische veld IS zoals x = d.E.

3. Piëzo-elektrische spanningsconstante g

g definieert de relatie tussen de externe spanning X en het geïnduceerde elektrische veld E als E = g.X.
De relatie gebruiken P = d.X. kunnen we stellen g = d / ε0 .ε. waar ε = permittiviteit.

4. Mechanische kwaliteitsfactor QM

Deze parameter kenmerkt de scherpte van de elektromechanisch resonantiesysteem.

QM = ω0 / 2 ω.

5. Akoestische impedantie Z

Deze parameter evalueert de akoestische energieoverdracht tussen twee materialen. Dit wordt gedefinieerd als

Z2 = (druk / volumesnelheid).

In stevige materialen Z = √ρ.√ϲ waarbij ρ de dichtheid is en ϲ de elastische stijfheid van het materiaal.

Tabel met piëzo-elektrische kenmerken

• Polymeren hebben een lage piëzo-elektrische constante in vergelijking met keramiek.
• Vormverandering van op keramiek gebaseerde materialen is meer dan die van op polymeer gebaseerde materialen wanneer dezelfde hoeveelheid spanning wordt toegepast.
• Piëzo-elektrische spanningscoëfficiënt van PVDF maakt is een beter materiaal voor sensor toepassingen ​
• Door de grotere elektromechanische koppelingscoëfficiënt, Ma wordt gebruikt in een toepassing waar mechanische spanning moet worden omgezet in elektrische energie.
• Drie parameters waarmee rekening moet worden gehouden bij het selecteren piëzo-elektrische materialen voor toepassingen die werken onder mechanische resonantie zijn de mechanische kwaliteitsfactor ​ elektromechanische koppelingsfactor , en diëlektrische constante ​Hoe groter de grootte van deze parameters, het beste is het materiaal voor de toepassing.
• Materialen met groot piëzo-elektrische spanningscoëfficiënt , groot niet-hysteretische stamniveaus zijn het beste voor een actuator ​
• Materialen met hoog elektromechanische koppelingsfactor en hoge diëlektrische permittiviteit zijn het beste als transducers ​
• Laag diëlektrisch verlies is belangrijk voor materialen die worden gebruikt in off-resonantie frequentie toepassingen die zorgen voor een lage warmteontwikkeling.

Gebaseerd op deze fysieke, materiële, elektromechanische eigenschappen we kunnen gemakkelijk onderscheid maken tussen piëzo-elektrische materialen. Deze eigenschappen helpen ons om het beste piëzo-elektrische materiaal voor onze toepassing te kiezen. Welk materiaal heeft u gebruikt voor uw toepassing? Welke aanpassingen zijn nodig voor de bestaande materialen om hun beperkingen te overwinnen?