Typer af Piezo elektriske materialer - egenskaber og egenskaber

Med deres fantastiske egenskab til producere elektricitet fra ubrugte vibrationer på enhederne, piezoelektriske materialer dukker op som revolutionerende magtoptagere. På grund af forskningen på disse materialer er der i dag en bred vifte af piezoelektriske materialer at vælge imellem. Forskellige specifikationer karakteriserer disse materialer. Men hvordan vælger vi et materiale til vores krav? Hvad skal man kigge efter? Hvad er typer af piezoelektrisk materialer? I denne artikel ser vi på forskellige typer piezoelektriske materialer sammen med deres egenskaber. Artiklen beskriver de fem grundlæggende fordele, du skal kigge efter, mens du vælger et piezoelektrisk materiale til produktet.

Typer af piezoelektriske materialer

De forskellige typer piezoelektriske materialer inkluderer følgende.

Typer af piezoelektriske materialer

1) .Naturligt eksisterende

Disse krystaller er anisotrope dielektrikum med ikke-centrosymmetrisk krystalgitter. Krystalmaterialer som kvarts, Rochelle-salt, Topaz, mineraler fra turmalingruppen og nogle organiske stoffer som silke, træ, emalje, knogle, hår, gummi, dentin falder ind under denne kategori.

2). Menneskeskabte syntetiske materialer

Materialer med ferroelektriske egenskaber bruges til at fremstille piezoelektriske materialer. Menneskeskabte materialer er opdelt i fem hovedkategorier - Kvartsanaloger, keramik, polymerer, kompositter og tynde film .

• Polymerer : Polyvinyliden-difluorid, PVDF eller PVF2.
• Kompositter : Piezocomposites er opgraderingen af piezopolymere . De kan være af to typer:
  Piezo-polymer, hvor piezoelektrisk materiale nedsænkes i en elektrisk passiv matrix .
  Piezo-kompositter, der er fremstillet ved hjælp af to forskellige keramiske eksempler BaTiO3-fibre forstærkning a PZT-matrix .
• Menneskeskabte piezoelektriske med krystalstruktur som perovskite : Bariumtitanat, Blytitanat, Blyzirconat-titanat (PZT), Kaliumniobat, Lithiumniobat, Lithiumtantalat og andet blyfrit piezoelektrisk keramik.

Egenskaber ved forskellige piezoelektriske materialer

Egenskaberne ved forskellige piezoelektriske materialer inkluderer følgende.

Kvarts

• Kvarts er det mest populære piezoelektriske enkeltkrystalmateriale. Enkeltkrystalmaterialer udviser forskellige materialegenskaber afhængigt af skæringen og retningen af ​​udbredelsen af ​​bulkbølgen. Kvarts oscillator betjent i tykkelsesforskydningstilstand for AT-cut bruges i computere, tv'er og videobåndoptagere.
• I S.A.W. enheder ST-skåret kvarts med X-udbredelse anvendes. Kvarts har ekstremt høj mekanisk kvalitetsfaktor SQM> 105.

Lithiumniobat og lithiumtantal

• Disse materialer er sammensat af iltoktaeder.
• Curies temperatur på disse materialer er 1210 og 6600c henholdsvis.
• Disse materialer har en høj elektromekanisk koblingskoefficient for akustisk overfladebølge.

Barium Titanate

• Disse materialer med dopemidler såsom Pb- eller Ca-ioner kan stabilisere tetragonal fase over et bredere temperaturinterval.
• Disse bruges oprindeligt til Langevin -type piezoelektriske vibratorer.

Man

• Doping af PZT med donorioner som Nb5 + eller Tr5 + giver bløde PZT'er som PZT-5.
• Doping af PZT med acceptorioner såsom Fe3 + eller Sc3 + giver hårde PZT'er som PZT-8.

Bly Titanate Keramik

• Disse kan producere klar ultralydsbilleddannelse på grund af en ekstrem lav plan kobling.
• For nylig til ultralyd transducere og elektromekaniske aktuatorer, der udvikles enkeltkrystalafslappende ferroelektriker med morfotropisk fasegrænse (MPB).

Piezoelektriske polymerer

Piezoelektriske polymerer har visse fælles egenskaber som

• Lille piezoelektrisk d-konstant, hvilket gør dem til et godt valg for aktuatoren.
• Stor g konstant, hvilket gør dem til et godt valg som sensorer .
• Disse materialer har god akustisk impedans, der matcher vand eller menneskekroppe på grund af deres lette vægt og bløde elasticitet.
• Bred resonansbåndbredde på grund af lav QM.
• Disse materialer er meget valgt retningsmikrofoner og ultralydshydrofoner.

Piezoelektriske kompositter

• Piezoelektriske kompositter, der består af piezoelektriske keramiske faser og polymerfaser, danner fremragende piezoelektriske materialer
• Høj koblingsfaktor, lav akustisk impedans , mekanisk fleksibilitet karakteriserer disse materialer.
• Disse materialer bruges især til sonvand til undervandsbrug og til medicinsk diagnostisk ultralydstransducer.

Tynde film

Til akustiske bulk- og overfladeakustiske bølgeenheder tynde film af ZnO anvendes i vid udstrækning på grund af den store piezoelektriske kobling.

Hvilket er det bedste piezoelektriske materiale?

Piezoelektriske materialer vælges ud fra kravene i vores applikationer. Det materiale, der let kan opfylde vores krav, kan betragtes som det bedste. Der er et par faktorer, der skal overvejes, når du vælger piezoelektriske materialer.

De fem vigtige fordele ved piezoelektrisk er

1. Den elektromekaniske koblingsfaktor k

k2 = (Lagret mekanisk energi / Input elektrisk energi) eller
k2 = (Lagret elektrisk energi / Input mekanisk energi)

2. Piezoelektrisk stamme konstant d

Beskriver størrelsesforholdet mellem induceret stamme x og det elektriske felt ER som x = d.E.

3. Piezoelektrisk spænding konstant g

g definerer forholdet mellem den eksterne spænding X og det inducerede elektriske felt E som E = g.X.
Brug af forholdet P = d.X. vi kan sige g = d / ε0 .ε. hvor ε = permittivitet.

4. Mekanisk kvalitetsfaktor QM

Denne parameter karakteriserer skarpheden af elektromekanisk resonanssystem.

QM = ω0 / 2 ω.

5. Akustisk impedans Z

Denne parameter evaluerer den akustiske energioverførsel mellem to materialer. Dette defineres som

Z2 = (tryk / volumenhastighed).

I faste materialer Z = √ρ.√ϲ hvor ρ er densiteten og ϲ er elastisk stivhed af materialet.

Tabel med piezoelektriske egenskaber

• Polymerer har lav piezoelektrisk konstant sammenlignet med keramik.
• Formændring af keramiske baserede materialer er mere end for polymerbaserede materialer, når den samme mængde spænding påføres.
• Piezoelektrisk spændingskoefficient på PVDF gør er et bedre materiale til sensor applikationer .
• På grund af den større elektromekaniske koblingskoefficient, Man bruges i en applikation, hvor mekanisk spænding skal konverteres til elektrisk energi.
• Tre parametre, der skal overvejes ved valg piezoelektriske materialer til applikationer, der arbejder under mekanisk resonans, er den mekaniske kvalitetsfaktor , elektromekanisk koblingsfaktor og Dielektrisk konstant . Højere størrelsen af ​​disse parametre er bedst materialet til applikationen.
• Materialer med store piezoelektrisk belastningskoefficient , stor ikke-hysteretiske stammeniveauer er bedst til en aktuator .
• Materialer med høj elektromekanisk koblingsfaktor og høj dielektrisk permittivitet er bedst som transducere .
• Lavt dielektrisk tab er vigtigt for materialer, der anvendes i off-resonansfrekvens applikationer, der tegner sig for produktion af lav varme.

Baseret på disse fysiske, materielle, elektromekaniske egenskaber vi kan let skelne mellem piezoelektriske materialer. Disse egenskaber hjælper os med at vælge det bedste piezoelektriske materiale til vores anvendelse. Hvilket materiale har du brugt til din ansøgning? Hvilke ændringer kræves for at de eksisterende materialer kan overvinde deres begrænsninger?