Tipuri de materiale piezoelectrice - proprietăți și caracteristici

Cu caracteristica lor uimitoare de produce electricitate de la vibrațiile neutilizate ale dispozitivelor, materiale piezoelectrice apar ca secerători revoluționari de putere. Datorită cercetărilor efectuate pe aceste materiale, astăzi există o gamă largă de materiale piezoelectrice din care să alegeți. Specificații diferite caracterizează aceste materiale. Dar, cum să alegem un material pentru cerința noastră? Ce anume sa cauti? Care sunt tipuri de piezoelectric materiale? În acest articol, analizăm diferite tipuri de materiale piezoelectrice, împreună cu proprietățile lor. Articolul descrie cele cinci merite de bază pe care trebuie să le căutați în timp ce alegeți un material piezoelectric pentru produs.

Tipuri de materiale piezoelectrice

Diferitele tipuri de materiale piezoelectrice includ următoarele.

Tipuri de materiale piezoelectrice

1) .Naturale existente

Aceste cristale sunt dielectrice anizotrope cu rețea cristalină non-centrosimmetrică. Materiale cristaline precum Cuarț, sare Rochelle, Topaz, minerale din grupul Turmalină și unele substanțe organice precum mătase, lemn, smalț, os, păr, cauciuc, dentină intră în această categorie.

2). Materiale sintetice create de om

Materiale cu proprietăți feroelectrice sunt folosite la prepararea materialelor piezoelectrice. Materialele realizate de om sunt grupate în cinci categorii principale - Analogi de cuarț, ceramică, polimeri, compozite și filme subțiri .

• Polimeri : Difluorură de poliviniliden, PVDF sau PVF2.
• Compozite : Piezocompozite sunt actualizarea de piezopolimeri . Pot fi de două tipuri:
  Polimer piezo în care materialul piezoelectric este scufundat într-un matrice pasiv electric .
  Piezo compozite care sunt realizate folosind două exemple diferite de ceramică Fibrele BaTiO3 întărind o Matrice PZT .
• Piezoelectric creat de om cu structură cristalină ca perovskit : Titanat de bariu, titanat de plumb, titanat de zirconat de plumb (PZT), niobat de potasiu, niobat de litiu, tantalat de litiu și altele fără plumb ceramică piezoelectrică.

Proprietățile diferitelor materiale piezoelectrice

Proprietățile diferitelor materiale piezoelectrice includ următoarele.

Cuarţ

• Cuarțul este cel mai popular material piezoelectric monocristal. Materialele monocristale prezintă proprietăți materiale diferite, în funcție de tăiere și direcția propagării valurilor în vrac. Cuarţ oscilator acționate în modul de forfecare grosime a tăierii AT sunt utilizate în computere, televizoare și aparate video.
• În S.A.W. se utilizează dispozitive cuarț tăiat ST cu propagare X. Cuarțul are un factor de calitate mecanic extrem de ridicat Mp> 105.

Niobatul de litiu și tantalatul de litiu

• Aceste materiale sunt compuse din octaedru de oxigen.
• Temperatura curie a acestor materiale este 1210 și 6600c respectiv.
• Aceste materiale au un coeficient de cuplare electromecanic ridicat pentru unda acustică de suprafață.

Titanatul de bariu

• Aceste materiale cu dopanți cum ar fi ionii Pb sau Ca pot stabiliza faza tetragonală pe o gamă mai largă de temperatură.
• Acestea sunt utilizate inițial pentru Langevin -vibratoare piezoelectrice de tip.

Luni

• Doparea PZT cu ioni donatori precum Nb5 + sau Tr5 + oferă PZT moi precum PZT-5.
• Doparea PZT cu ioni acceptori precum Fe3 + sau Sc3 + oferă PZT-uri dure precum PZT-8.

Ceramică cu titanat de plumb

• Acestea pot produce imagini ultrasonice clare datorită cuplajului planar extrem de redus.
• Recent, pentru ultrasunete traductoare și se dezvoltă acționări electromecanice cu releu monocristal feroelectric cu limită de fază morfotropă (MPB).

Polimeri piezoelectrici

Polimerii piezoelectrici au anumite caracteristici comune precum

• D constantă piezoelectrică mică, ceea ce le face o alegere bună pentru actuator.
• G constantă mare, ceea ce le face o alegere bună ca senzori .
• Aceste materiale au o potrivire bună a impedanței acustice cu apa sau corpul uman datorită greutății ușoare și elasticității moi.
• Lățime de bandă de rezonanță mare datorită QM scăzut.
• Aceste materiale sunt extrem de optate pentru microfoane direcționale și hidrofoane cu ultrasunete.

Compozite piezoelectrice

• Compozitele piezoelectrice formate din faze ceramice piezoelectrice și faze polimerice formează materiale piezoelectrice excelente
• Factor ridicat de cuplare, impedanță acustică scăzută , flexibilitatea mecanică caracterizează aceste materiale.
• Aceste materiale sunt utilizate în special pentru aplicațiile sonarului subacvatic și a traductoarelor cu ultrasunete de diagnostic medical.

Filme subțiri

Pentru dispozitive cu undă acustică în vrac și de suprafață folii subțiri de ZnO sunt utilizate pe scară largă datorită cuplajului piezoelectric mare.

Care este cel mai bun material piezoelectric?

Materialele piezoelectrice sunt alese pe baza cerințelor aplicațiilor noastre. Materialul care ar putea satisface cu ușurință cerințele noastre poate fi considerat cel mai bun. Există câțiva factori care trebuie luați în considerare la alegerea materialelor piezoelectrice.

Cele cinci merite importante ale piezoelectricului sunt

1. Factorul de cuplare electromecanică k

k2 = (energie mecanică stocată / energie electrică de intrare) sau
k2 = (energie electrică stocată / energie mecanică de intrare)

2. Constanta de deformare piezoelectrică d

Descrie relația de mărime a tensiunii induse x cu câmpul electric ESTE la fel de x = d.E.

3. Constanta de tensiune piezoelectrica g

g definește relația dintre tensiunea externă X și câmpul electric indus E ca E = g.X.
Folosind relația P = d.X. putem afirma g = d / ε0 .ε. Unde ε = permitivitate.

4. Factorul de calitate mecanic QM

Acest parametru caracterizează claritatea fișierului sistem de rezonanță electromecanică.

QM = /0 / 2 ω.

5. Impedanță acustică Z

Acest parametru evaluează transferul de energie acustică între două materiale. Aceasta este definită ca

Z2 = (viteza presiunii / volumului).

În materiale solide Z = √ρ.√ϲ unde ρ este densitatea și ϲ este rigiditate elastică a materialului.

Tabelul cu caracteristici piezoelectrice

• Polimerii au o constantă piezoelectrică scăzută în comparație cu ceramica.
• Schimbarea formei materialelor pe bază de ceramică este mai mare decât cea a materialelor pe bază de polimeri atunci când se aplică aceeași cantitate de tensiune.
• Coeficientul de tensiune piezoelectrică de PVDF face este un material mai bun pentru aplicații senzor .
• Datorită coeficientului de cuplare electromecanic mai mare, Luni este utilizat într-o aplicație în care tensiunea mecanică trebuie transformată în energie electrică.
• Trei parametri care trebuie luați în considerare pentru selectare materiale piezoelectrice pentru aplicațiile care funcționează sub rezonanță mecanică sunt factorul mecanic de calitate , factor de cuplare electromecanică , și constantă dielectrică . Cu cât magnitudinea acestor parametri este mai bună, materialul pentru aplicație este cel mai bun.
• Materiale cu dimensiuni mari coeficient de deformare piezoelectrică , mare niveluri de tulpini neisteretice sunt cele mai bune pentru un actuator .
• Materiale cu înaltă factor de cuplare electromecanică și permitivitate dielectrică ridicată sunt cei mai buni ca traductoare .
• Pierderea dielectrică mică este important pentru materialele utilizate în frecvența în afara rezonanței aplicații care generează o producție redusă de căldură.

Pe baza acestor materiale fizice, proprietăți electromecanice putem distinge cu ușurință între materialele piezoelectrice. Aceste proprietăți ne ajută să alegem cel mai bun material piezoelectric pentru aplicația noastră. Ce material ați folosit pentru aplicația dvs.? Ce modificări sunt necesare pentru ca materialele existente să-și depășească limitele?