Arten von piezoelektrischen Materialien - Eigenschaften und Eigenschaften

Mit ihrer erstaunlichen Eigenschaft zu Strom produzieren von unbenutzten Vibrationen der Geräte, piezoelektrische Materialien tauchen als revolutionäre Power Harvester auf. Aufgrund der Forschung an diesen Materialien steht heute eine große Auswahl an piezoelektrischen Materialien zur Auswahl. Unterschiedliche Spezifikationen kennzeichnen diese Materialien. Aber wie wählt man ein Material für unsere Anforderung aus? Wonach schauen? Was sind die Arten von piezoelektrisch Materialien? In diesem Artikel untersuchen wir verschiedene Arten von piezoelektrischen Materialien mit ihren Eigenschaften. Der Artikel beschreibt die fünf grundlegenden Vorteile, die bei der Auswahl eines piezoelektrischen Materials für das Produkt zu beachten sind.

Arten von piezoelektrischen Materialien

Die verschiedenen Arten von piezoelektrischen Materialien umfassen die folgenden.

Arten von piezoelektrischen Materialien

1) .Natürlich vorhanden

Diese Kristalle sind anisotrope Dielektrika mit nicht zentrosymmetrischem Kristallgitter. Kristallmaterialien wie Quarz, Rochellesalz, Topas, Mineralien der Turmalingruppe und einige organische Substanzen wie Seide, Holz, Zahnschmelz, Knochen, Haare, Gummi und Dentin fallen unter diese Kategorie.

2). Künstliche synthetische Materialien

Materialien mit ferroelektrische Eigenschaften werden zur Herstellung von piezoelektrischen Materialien verwendet. Künstliche Materialien werden in fünf Hauptkategorien eingeteilt: Quarzanaloga, Keramiken, Polymere, Verbundwerkstoffe und Dünnschichten .

• Polymere : Polyvinylidendifluorid, PVDF oder PVF2.
• Verbundwerkstoffe :: Piezokomposite sind das Upgrade von Piezopolymere . Es gibt zwei Arten:
  Piezo-Polymer, in das piezoelektrisches Material eingetaucht ist elektrisch passive Matrix .
  Piezo-Verbundwerkstoffe, die anhand von zwei verschiedenen Keramikbeispielen hergestellt werden BaTiO3-Fasern Verstärkung a PZT-Matrix .
• Künstliches Piezoelektrikum mit Kristallstruktur als Perowskit : Bariumtitanat, Bleititanat, Bleizirkonattitanat (PZT), Kaliumniobat, Lithiumniobat, Lithiumtantalat und andere bleifreie piezoelektrische Keramik.

Eigenschaften verschiedener piezoelektrischer Materialien

Die Eigenschaften verschiedener piezoelektrischer Materialien umfassen Folgendes.

Quarz

• Quarz ist das beliebteste piezoelektrische Einkristallmaterial. Einkristallmaterialien weisen je nach Schnitt und Richtung der Massenwellenausbreitung unterschiedliche Materialeigenschaften auf. Quarz Oszillator im Dickenschermodus des AT-Schnitts betrieben werden, werden in Computern, Fernsehgeräten und Videorecordern verwendet.
• In S.A.W. Geräte ST-geschnittener Quarz mit X-Ausbreitung wird verwendet. Quarz hat einen extrem hohen mechanischen Qualitätsfaktor QM > 105.

Lithium-Niobat und Lithium-Tantalat

• Diese Materialien bestehen aus Sauerstoffoktaedern.
• Curies Temperatur dieser Materialien ist 1210 und 6600c beziehungsweise.
• Diese Materialien haben einen hohen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten für akustische Oberflächenwellen.

Bariumtitanat

• Diese Materialien mit Dotierstoffe wie Pb- oder Ca-Ionen können die stabilisieren tetragonale Phase über einen größeren Temperaturbereich.
• Diese werden zunächst für verwendet Langevin piezoelektrische Vibratoren.

Mo.

• Das Dotieren von PZT mit Donorionen wie Nb5 + oder Tr5 + liefert weiche PZTs wie PZT-5.
• Das Dotieren von PZT mit Akzeptorionen wie Fe3 + oder Sc3 + liefert harte PZTs wie PZT-8.

Blei-Titanat-Keramik

• Diese können aufgrund ihrer extrem geringen planaren Kopplung eine klare Ultraschallbildgebung erzeugen.
• Vor kurzem für Ultraschall Wandler und elektromechanische Aktuatoren Einkristall-Relaxor-Ferroelektrika mit morphotroper Phasengrenze (MPB) werden entwickelt.

Piezoelektrische Polymere

Piezoelektrische Polymere haben bestimmte gemeinsame Eigenschaften wie

• Kleine piezoelektrische d-Konstante, was sie zu einer guten Wahl für den Aktuator macht.
• Große g-Konstante, was sie zu einer guten Wahl macht als Sensoren .
• Diese Materialien haben aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer weichen Elastizität eine gute Anpassung der akustischen Impedanz an Wasser oder den menschlichen Körper.
• Breite Resonanzbandbreite durch niedrige QM.
• Diese Materialien sind sehr beliebt Richtmikrofone und Ultraschallhydrophone.

Piezoelektrische Verbundwerkstoffe

• Piezoelektrische Verbundwerkstoffe aus piezoelektrischen Keramik- und Polymerphasen bilden hervorragende piezoelektrische Materialien
• Hoher Kopplungsfaktor, niedrige akustische Impedanz Die mechanische Flexibilität kennzeichnet diese Materialien.
• Diese Materialien werden insbesondere für Unterwassersonar- und medizinisch-diagnostische Ultraschallwandleranwendungen verwendet.

Dünne Filme

Für Bulk-Schall- und Oberflächenwellengeräte sind Dünnfilme aus ZnO sind wegen ihrer großen piezoelektrischen Kopplung weit verbreitet.

Welches ist das beste piezoelektrische Material?

Piezoelektrische Materialien werden basierend auf den Anforderungen unserer Anwendungen ausgewählt. Das Material, das unsere Anforderungen leicht erfüllen könnte, kann als das beste angesehen werden. Bei der Auswahl von piezoelektrischen Materialien sind einige Faktoren zu berücksichtigen.

Die fünf wichtigsten Vorteile von Piezoelektrik sind

1. Der elektromechanische Kopplungsfaktor k

k2 = (gespeicherte mechanische Energie / eingegebene elektrische Energie) oder
k2 = (gespeicherte elektrische Energie / mechanische Eingangsenergie)

2. Piezoelektrische Dehnungskonstante d

Beschreibt das Verhältnis der Größe der induzierten Dehnung x zum elektrischen Feld IS wie x = d.E.

3. Piezoelektrische Spannungskonstante g

G definiert die Beziehung zwischen der äußeren Spannung X und dem induzierten elektrischen Feld E als E = g.X.
Verwendung der Beziehung P = d.X. wir können sagen g = d / & epsi; 0 & epsi;. wo ε = Permittivität.

4. Mechanischer Qualitätsfaktor QM

Dieser Parameter kennzeichnet die Schärfe des elektromechanisches Resonanzsystem.

QM = ω0 / 2 ω.

5. Akustische Impedanz Z.

Dieser Parameter bewertet die akustische Energieübertragung zwischen zwei Materialien. Dies ist definiert als

Z2 = (Druck / Volumengeschwindigkeit).

In festen Materialien Z = √ρ.√ϲ wobei ρ die Dichte und ϲ die ist elastische Steifheit des Materials.

Tabelle der piezoelektrischen Eigenschaften

• Polymere haben im Vergleich zu Keramik eine niedrige piezoelektrische Konstante.
• Die Formänderung von Materialien auf Keramikbasis ist größer als die von Materialien auf Polymerbasis, wenn die gleiche Spannung angelegt wird.
• Piezoelektrischer Spannungskoeffizient von PVDF macht ist ein besseres Material für Sensoranwendungen .
• Aufgrund des größeren elektromechanischen Kopplungskoeffizienten Mo. wird in einer Anwendung verwendet, in der mechanische Beanspruchung in elektrische Energie umgewandelt werden muss.
• Drei Parameter, die bei der Auswahl berücksichtigt werden müssen piezoelektrische Materialien für Anwendungen, die unter mechanischer Resonanz arbeiten, sind der mechanische Qualitätsfaktor , elektromechanischer Kopplungsfaktor , und Dielektrizitätskonstante . Je höher die Größe dieser Parameter ist, desto besser ist das Material für die Anwendung.
• Materialien mit großen piezoelektrischer Dehnungskoeffizient groß nicht hysteretische Belastungsniveaus sind am besten für ein Aktuator .
• Materialien mit hohem elektromechanischer Kopplungsfaktor und hohe dielektrische Permittivität sind am besten als Wandler .
• Geringer dielektrischer Verlust ist wichtig für Materialien in Off-Resonance-Frequenz Anwendungen, die eine geringe Wärmeerzeugung berücksichtigen.

Basierend auf diesen physischen, materiellen, elektromechanische Eigenschaften Wir können leicht zwischen piezoelektrischen Materialien unterscheiden. Diese Eigenschaften helfen uns bei der Auswahl des besten piezoelektrischen Materials für unsere Anwendung. Welches Material haben Sie für Ihre Bewerbung verwendet? Welche Modifikationen sind erforderlich, damit die vorhandenen Materialien ihre Einschränkungen überwinden können?