S jejich úžasnou charakteristikou vyrábět elektřinu z nevyužitých vibrací zařízení, piezoelektrické materiály se objevují jako revoluční sklízeče energie. Díky výzkumu provedenému na těchto materiálech si dnes můžete vybrat ze široké škály piezoelektrických materiálů. Tyto materiály charakterizují různé specifikace. Jak ale vybrat materiál pro náš požadavek? Co hledat? Jaké jsou typy piezoelektrický materiály? V tomto článku se podíváme na různé typy piezoelektrických materiálů spolu s jejich vlastnostmi. Článek popisuje pět základních předností, které je třeba hledat při výběru piezoelektrického materiálu pro produkt.

Druhy piezoelektrických materiálů

Mezi různé typy piezoelektrických materiálů patří následující.

Druhy piezoelektrických materiálů

1). Přirozeně existující

Tyto krystaly jsou anizotropní dielektrika s necentrosymetrickou krystalovou mřížkou. Do této kategorie spadají křišťálové materiály, jako je křemen, sůl Rochelle, topaz, minerály skupiny turmalínů a některé organické látky jako hedvábí, dřevo, smalt, kosti, vlasy, guma, dentin.

2). Umělé syntetické materiály

Materiály s feroelektrické vlastnosti se používají k přípravě piezoelektrických materiálů. Uměle vyrobené materiály jsou rozděleny do pěti hlavních kategorií - Křemenné analogy, keramika, polymery, kompozity a tenké filmy .

Polymery : Polyvinyliden difluorid, PVDF nebo PVF2.
Kompozity : Piezokompozity jsou aktualizace piezopolymery . Mohou být dvou typů:
Piezo polymer, ve kterém je piezoelektrický materiál ponořen do elektricky pasivní matice .
Piezo kompozity, které jsou vyrobeny pomocí dvou různých příkladů keramiky Vlákna BaTiO3 výztuž a PZT matice .
Umělá piezoelektrika s krystalovou strukturou jako perovskit : Titaničnan barnatý, titaničitan olovnatý, titaničitan olovnatý zirkoničitý (PZT), niobát draselný, niobát lithný, tantalát lithný a další bezolovnaté piezoelektrická keramika.

Vlastnosti různých piezoelektrických materiálů

Vlastnosti různých piezoelektrických materiálů zahrnují následující.

Křemen

Křemen je nejoblíbenější piezoelektrický materiál z monokrystalů. Monokrystalické materiály vykazují různé vlastnosti materiálu v závislosti na řezu a směru šíření objemových vln. Křemen oscilátor provozované v režimu smykové tloušťky řezu AT se používají v počítačích, televizorech a videorekordérech.
V S.A.W. zařízení Používá se křemen ST-cut s množením X. Křemen má extrémně vysoký faktor mechanické kvality Sqm> 105.

Lithium niobát a lithium tantalát

Tyto materiály jsou složeny z kyslíkového oktaedronu.
Curieova teplota těchto materiálů je 1210 a 6600c resp.
Tyto materiály mají vysoký elektromechanický vazební koeficient pro povrchovou akustickou vlnu.

Titaničnan barnatý

Tyto materiály s dopující látky ionty jako Pb nebo Ca mohou stabilizovat tetragonální fáze v širším teplotním rozsahu.
Ty se zpočátku používají pro Langevin piezoelektrické vibrátory typu.

Pondělí

Doping PZT s donorovými ionty, jako je Nb5 + nebo Tr5 +, poskytuje měkké PZT jako PZT-5.
Doping PZT s akceptorovými ionty, jako je Fe3 + nebo Sc3 +, poskytuje tvrdé PZT jako PZT-8.

Olovnatý titaničitan

Mohou vytvářet jasné ultrazvukové zobrazování kvůli extrémně nízké rovinné vazbě.
Nedávno pro ultrazvuk měniče a vyvíjejí se elektromechanické akční členy monokrystalické relaxorové feroelektriky s morfotropickou fázovou hranicí (MPB).

Piezoelektrické polymery

Piezoelektrické polymery mají určité společné vlastnosti jako

Malá piezoelektrická konstanta d, která z nich činí dobrou volbu pro aktuátor.
Velká konstanta g, což z nich dělá dobrou volbu jako senzory .
Tyto materiály mají dobrou akustickou impedanci odpovídající vodě nebo lidskému tělu díky nízké hmotnosti a měkké pružnosti.
Široká rezonanční šířka pásma kvůli nízkému QM.
Tyto materiály jsou vysoce vybrané směrové mikrofony a ultrazvukové hydrofony.

Piezoelektrické kompozity

“jaký je rozdíl mezi západkou a žabkou ”

Piezoelektrické kompozity vyrobené z piezoelektrické keramické a polymerní fáze tvoří vynikající piezoelektrické materiály
Vysoký vazební faktor, nízká akustická impedance , tyto materiály charakterizuje mechanická flexibilita.
Tyto materiály se používají zejména pro podvodní sonary a lékařské diagnostické ultrazvukové sondy.

Tenké filmy

Pro sypké akustické a povrchové akustické vlnové zařízení tenké vrstvy ZnO jsou široce používány kvůli velké piezoelektrické vazbě.

Který je nejlepší piezoelektrický materiál?

Piezoelektrické materiály jsou vybírány na základě požadavků našich aplikací. Materiál, který by mohl snadno splnit náš požadavek, lze považovat za nejlepší. Při výběru piezoelektrických materiálů je třeba vzít v úvahu několik faktorů.

Pět důležitých předností piezoelektriky je

1. Elektromechanický vazebný faktor k

k2 = (Uložená mechanická energie / Vstupní elektrická energie) nebo
k2 = (Uložená elektrická energie / Vstupní mechanická energie)

2. Piezoelektrická konstanta přetvoření d

Popisuje vztah velikosti indukovaného přetvoření x k elektrickému poli JE tak jako x = d.E.

3. Piezoelektrická napěťová konstanta g

G definuje vztah mezi vnějším napětím X a indukovaným elektrickým polem E jako E = g.X.
Použití relace P = d.X. můžeme říci g = d / ε0 .ε. kde ε = permitivita.

4. Mechanický faktor kvality QM

Tento parametr charakterizuje ostrost elektromechanický rezonanční systém.

QM = ω0 / 2 ω.

5. Akustická impedance Z

Tento parametr hodnotí přenos akustické energie mezi dvěma materiály. To je definováno jako

Z2 = (rychlost tlaku / objemu).

V pevných materiálech Z = √ρ.√ϲ kde ρ je hustota a ϲ je pružná tuhost materiálu.

Tabulka piezoelektrických charakteristik

Vlastnosti	Symbol	JEDNOTKA	BaTiO₃	Pondělí	PVDF
Hustota	-	“usměrňovač plné vlny vs poloviční vlny ” 10³kg / m³	5.7	7.5	1,78
Relativní permitivita	EU₀	-	1700	1200	12
Piezoelektrický	d31	10^-12C / N	78	110	2. 3
Konstantní	g31	10^-3Vm / N	5	10	216
Napěťová konstanta	k₃₁	při 1kHz	dvacet jedna	30	12

Polymery mají ve srovnání s keramikou nízkou piezoelektrickou konstantu.
Změna tvaru keramických materiálů je větší než změna materiálů na bázi polymerů, když je aplikováno stejné množství napětí.
Piezoelektrický napěťový koeficient PVDF značky je lepší materiál pro aplikace senzorů .
Díky většímu elektromechanickému koeficientu vazby Pondělí se používá v aplikacích, kde musí být mechanické napětí přeměněno na elektrickou energii.
Při výběru je třeba vzít v úvahu tři parametry piezoelektrické materiály pro aplikace pracující pod mechanickou rezonancí jsou faktor mechanické kvality , elektromechanický vazební faktor , a dielektrická konstanta . Vyšší velikost těchto parametrů je nejlepší materiál pro aplikaci.
Materiály s velkými piezoelektrický součinitel přetvoření , velký nehysteretické úrovně napětí jsou nejlepší pro ovladač .
Materiály s vysokou elektromechanický vazební faktor a vysoká dielektrická permitivita jsou nejlepší jako měniče .
Nízká dielektrická ztráta je důležité pro materiály používané v rezonanční frekvence aplikace zohledňující nízkou produkci tepla.

Na základě těchto fyzických, materiálních, elektromechanické vlastnosti můžeme snadno rozlišit piezoelektrické materiály. Tyto vlastnosti nám pomáhají vybrat nejlepší piezoelektrický materiál pro naši aplikaci. Jaký materiál jste použili pro svou aplikaci? Jaké úpravy jsou nutné, aby stávající materiály překonaly svá omezení?