Parámetros de materiales piezoeléctricos y ecuaciones piezoeléctricas (4)

Cuatro. Clasificación de materiales piezoeléctricos.
1. El primer tipo de material piezoeléctrico Piezoeléctrico solo cristal. Este es un material ferroeléctrico de un solo cristal natural o artificial con anisotropía. Su efecto piezoeléctrico se basa en la composición de la estructura de cristal causada por cambios en la posición relativa de los iones positivos y negativos en la red. Cristales Piezoeléctricos Piezoeléctricos Comúnmente usados ​​.Quartz (SiO2): Este es un cristal formado o cultivado artificialmente cultivado (cristal hecho por el hombre) con buena uniformidad y alto punto Curie; alta impedancia y alta calidad mecánica (QM); alta dureza y buena resistencia al desgaste; El rendimiento es extremadamente estable, el envejecimiento es extremadamente lento y mínimo, y su rendimiento cambia con la temperatura es muy pequeño, y se puede obtener el coeficiente de temperatura de frecuencia lineal que no cambia con el tiempo; La pérdida es pequeña, que se puede utilizar para frecuencias extremadamente altas; El rendimiento de aislamiento es bueno, puede ser un alto uso bajo voltaje; que se puede usar en entornos de temperatura superior y extremadamente baja. Debido a sus muchas propiedades superiores, Cuarzo todavía se usa ampliamente, especialmente como un transductor estándar y como un oscilador de tiempo en equipo informático. Su desventaja es que la eficiencia de conversión electromecánica es baja, lo que hace que la ganancia del sistema se vuelva más baja.

Niobate de litio (Linbo3): este es un cristal ferroeléctrico ferroeléctrico artificialmente con un diámetro de hasta 120 mm. El niobato de litio se puede usar para excitar directamente la onda transversal ultrasónica con un alto coeficiente de acoplamiento electromecánico y un excelente rendimiento piezoeléctrico. Tiene un gran valor QM y un alto punto de curie. Se puede utilizar a altas temperaturas, con polarización estable y propagación ultrasónica. La pérdida es pequeña, no es deliachescente, y la constante de frecuencia es muy grande. Se puede usar para fabricar transductores de frecuencia ultra-alta. Por lo tanto, se ha utilizado como un material básico común para los transductores de ondas acústicas de superficie. Cuando se usa como transductor de onda de volumen, puede obtener una mejor sensibilidad que los transductores de cerámica piezoeléctricos comunes. También se utiliza para medición de espesor ultrasónico, medición estrecha y transductor de pulso. Este es también un solo cristal artificial. Tiene buenas propiedades mecánicas, es fácil de procesar, puede disolverse en agua, pero no es fácil de deularse, lo que tiene propiedades físicas y químicas relativamente estables, y tiene excelentes propiedades piezoeléctricas deTira piezoeléctrica de material PZT
. El coeficiente de acoplamiento electromecánico y la constante dieléctrica baja, y el valor QM son bastante bajos, son adecuados para fabricar de alta sensibilidad, transductores de banda ancha de alta resolución y líneas de retardo, tales como hacer medición de espesor ultrasónica y transductores de pulso estrechos. Además, hay sulfato de litio (LI2SO4) con un buen desempeño receptor.

3. El segundo tipo de material piezoeléctrico de cerámica piezoeléctrica. Este es un material ferroeléctrico policristalino hecho por la cocción manual del método de sinterización de polvo. El efecto piezoeléctrico se basa en el efecto electrocrictivo, y sus propiedades piezoeléctricas cambian con la sinterización. Hay diferencias en los ingredientes de artesanía y formulación, por lo que hay muchos tipos y diferentes actuaciones. Por ejemplo: moler el material a 400 malla, agregando un aglutinante, presionando, horneando a alta temperatura, y luego aserrando, moliendo y pulido en una oblea cerámica piezoeléctrica terminada. Las cerámicas piezoeléctricas son fáciles de realizar en varias formas, y se pueden vibrar en una variedad de modos de vibración para adaptarse a varios usos. Cuenta con un alto coeficiente de acoplamiento electromecánico, ganancia de bucle alto y sensibilidad, que son sus importantes ventajas. Las cerámicas piezoeléctricas de uso común son: Titanato de bario (Batio3): esta es una mezcla de dióxido de titanio (TIO2) y carbonato de bario (Baco3) sinterizado a alta temperatura. Esta es una cerámica piezoeléctrica anterior, su temperatura de curia es baja, la dependencia de la temperatura es grande, y la estabilidad del tiempo y la estabilidad térmica son pobres. Ahora todavía se usa para radiadores de sonar y transductores ultrasónicos. El titanato de zirconato de plomo, el código PZT, tiene una variedad de fórmulas y características, y actualmente es la cerámica piezoeléctrica más utilizada.

La característica principal de la serie PZT.Cristal de placa piezoeléctricaes el alto coeficiente de acoplamiento electromecánico, de los cuales el PZT-4 es un tipo de transmisión, y sus características de alta excitación son buenas (valor QM alto, pérdida interna pequeña, etc.), que es adecuada para radiadores sonar y transductores ultrasónicos. , Generador de alto voltaje y transductor de alta potencia. PZT-5 es un tipo de receptor. Tiene una alta constante dieléctrica, envejecimiento bajo y bajo valor QM. Es adecuado para hidrófonos, transductores ultrasónicos, reproductores de registros, micrófonos y componentes del altavoz. También es adecuado para la detección de tipo de pulso de banda ancha, etc. Además: PZT-2, PZT-5A, PZT-5H, PZT-6A, PZT-7A, PZT-8 ... y así sucesivamente.

El plomo Niobium Zincate tiene un alto coeficiente de acoplamiento electromecánico de vibración radial y un bajo valor QM (agregar algunos MNO2 o NIO2 puede aumentar QM a 200), hay una estabilidad de temperatura más alta, adecuada para materiales de filtro. Serie de cobaltate de niobio principal: su vibración radial Los coeficientes de acoplamiento electromecánicos KP y QM son relativamente altos, que pueden usarse como vibradores y transformadores, filtros, pastillas, etc., etc. Lleve Niobium manganate: alto valor QM, buena estabilidad del tiempo, constante dieléctrica baja, Coeficiente de acoplamiento electromecánico medio KP de vibración radial, adecuada para el filtro y el oscilador de línea de retardo. Antimonato de niobio plomo: alto valor KP, buena estabilidad, valor QM grande y coeficiente de temperatura de frecuencia pequeña. Sistema de manganeso de antimonio plomo: KP tiene un gran rango de ajuste, un alto valor QM, una pequeña pérdida dieléctrica y buena estabilidad. El manganeso de tungsteno de plomo: voltaje de ruptura extremadamente alto, valor de QM grande, valor de KP grande y buena estabilidad de la temperatura en la frecuencia de resonancia.

Sistema Niobate de plomo: la constante dieléctrica es grande, el KP es medio, y las características de frecuencia de sonido son buenas. El sistema de cadmio de tungsteno principal es una buena temperatura y la estabilidad del tiempo de la frecuencia. Pollo de magnesio plomo. Puede soportar la presión repetida y tiene un bajo envejecimiento de propiedades eléctricas y mecánicas. Además, hay un antimonato de litio de plomo y tantalato de litio de plomo, que tienen una buena estabilidad y valores bajos de QM, y son adecuados para el transductor de acústica subacuática. Además de la cerámica piezo de Ternary, se han desarrollado cerámica PIEZO DE CUATERNARIA de Niobium Nickel-Niobio Zinc-Titanium-Leader Zirconate.

El tercer tipo de material piezoeléctrico de material polar-polar polar. Este es un nuevo polímero semicristalino sintetizado artificialmente con un efecto piezoeléctrico, llamado polímero polar, y su efecto piezoeléctrico se basa en un polímero polar. La rotación molecular es actualmente mejor con el fluoruro de polivinilideno (PVDF). PVDF (-CH2-CF2-) es uno de los polímeros más polares. La película PVDF se está estirada a varias veces su longitud original a una temperatura inferior a 100 ° C para obtener una película de tipo β (una forma cristalina de PVDF), que se aplica con un electrodo (generalmente aluminio) y polarizado en un alto DC eléctrico. El campo (la temperatura es de 80-150 ℃), obtendrá un rendimiento piezoeléctrico, se puede usar efectivamente como un receptor acústico, tiene una buena estabilidad térmica, además, el material se puede doblar, la impedancia acústica es pequeña, y está bien combinada. con agua, especialmente adecuado para hidrófonos y transductores para pruebas de campo de diagnóstico de ultrasonido médico. Las desventajas de los materiales de película piezoeléctrica son que la relación señal-to-ruido no es ideal, el coeficiente de acoplamiento electromecánico no es lo suficientemente grande, y las pérdidas mecánicas y dieléctricas son relativamente grandes. Además, debido a que el factor de calidad (QM, QE) es pequeño, no es adecuado para lugares donde se requiere resonancia afilada, ni para una entrada grande y un trabajo continuo, debido a su efecto piezoeléctrico cuando se usa durante mucho tiempo a una temperatura superior a 80 ° C disminución. Además, los materiales piezoeléctricos polares polares incluyen polifluoroetileno (PVF2) y similares.

El cuarto tipo de material piezoeléctrico - material piezoeléctrico compuesto y película piezoeléctrica de óxido de zinc. Material piezoeléctrico compuestoPlaca de cosecha de energíaSe compone de partículas cerámicas ferroeléctricas dispersas y mezcladas en materiales de polímero. Al igual que los materiales eléctricos, sus propiedades piezoeléctricas dependen no solo en las partículas cerámicas, sino también en el tipo de materiales de polímero utilizados como la matriz, especialmente los sistemas compuestos con polímeros de alta permitividad, como PVDF y fluoruro de vinilideno. , Se puede utilizar como materiales piezoeléctricos fuertes. Este material piezoeléctrico no necesita estar estirado como otros cuerpos piezoeléctricos de polímero, y es isotrópico internamente. Con el cambio del tipo de polímero de matriz, se puede obtener una gran gama de módulos elásticos. En particular, puede ser prensado en caliente y práctico. muy conveniente. Por ejemplo, los materiales compuestos de la serie PVDF y PZT tienen propiedades piezoeléctricas muy estables y propiedades dieléctricas. Estos materiales han alcanzado la etapa práctica y son similares a los materiales de polímeros piezoeléctricos en la aplicación.

La película piezoeléctrica de óxido de zinc (ZNO) (hecho por proceso de pulverización al vacío) se utiliza para la generación ultrasónica de frecuencia ultra alta y recepción de transductores. Se puede utilizar en la banda de frecuencia de 30-3000 MHz y tiene un buen efecto. Se puede utilizar para el estudio de las propiedades de materiales, la línea de retardo ultrasónica, el dispositivo acústico-óptico, el procesamiento de la comunicación y la información, y el microscopio ultrasónico, etc., con un ancho de banda de frecuencia, una buena eficiencia de conversión electroacústica y fácil coincidencia con el circuito de excitación. . Además, el sulfuro de cadmio (CD), el nitruro de aluminio (ALN), etc. también son buenos materiales de película delgada piezoeléctricos.