Tipus de materials elèctrics piezoelèctrics: propietats i característiques

Amb la seva increïble característica de produir electricitat a partir de vibracions no utilitzades dels dispositius, materials piezoelèctrics sorgeixen com a collidors revolucionaris de poder. Gràcies a la investigació feta sobre aquests materials, avui hi ha una àmplia gamma de materials piezoelèctrics per triar. Diferents especificacions caracteritzen aquests materials. Però, com triar un material per al nostre requisit? Què cal buscar? Què son els Tipus de piezoelèctric materials? En aquest article, examinem diferents tipus de materials piezoelèctrics juntament amb les seves propietats. L'article descriu els cinc mèrits bàsics que cal tenir en compte en triar un material piezoelèctric per al producte.

Tipus de materials piezoelèctrics

Els diferents tipus de materials piezoelèctrics inclouen els següents.

Tipus de materials piezoelèctrics

1). Natural existent

Aquests cristalls són dielèctrics anisotròpics amb una xarxa cristal·lina no centrosimètrica. Els materials cristal·lins com el quars, la sal de Rochelle, el topazi, els minerals del grup turmalina i algunes substàncies orgàniques com la seda, la fusta, l’esmalt, l’os, els cabells, el cautxú i la dentina pertanyen a aquesta categoria.

2). Materials sintètics fets per l'home

Materials amb propietats ferroelèctriques s’utilitzen per preparar materials piezoelèctrics. Els materials fets per l’home s’agrupen en cinc categories principals: Anàlegs de quars, ceràmica, polímers, compostos i pel·lícules fines .

• Polímers : Difluorur de polivinilidè, PVDF o PVF2.
• Composites : Piezocompostos són l'actualització de piezopolímers . Poden ser de dos tipus:
  Polímer piezoelèctric en el qual es troba submergit el material piezoelèctric en un matriu elèctricament passiva .
  Composites piezoelèctrics que es fabriquen amb dos exemples de ceràmica diferents Fibres BaTiO3 reforçant a Matriu PZT .
• Piezoelèctric artificial amb estructura cristal·lina com a perovskita : Titanat de bari, titanat de plom, titanat de zirconat de plom (PZT), niobat de potassi, niobat de liti, tantalat de liti i altres sense plom ceràmica piezoelèctrica.

Propietats de diferents materials piezoelèctrics

Les propietats de diferents materials piezoelèctrics inclouen les següents.

Quars

• El quars és el material piezoelèctric monocristall més popular. Els materials monocristal presenten diferents propietats del material en funció del tall i la direcció de la propagació de les ones massives. Quars oscil·lador que s’utilitzen en mode de tall de gruix del tall AT, s’utilitzen en ordinadors, televisors i VCR.
• A S.A.W. s’utilitzen dispositius tallats de quars ST amb propagació X. El quars té un factor de qualitat mecànic extremadament elevat SQM> 105.

Niobat de liti i tantalat de liti

• Aquests materials estan formats per octaedre d’oxigen.
• La temperatura del curie d’aquests materials és de 1210 i 6600c respectivament.
• Aquests materials tenen un alt coeficient d’acoblament electromecànic per a les ones acústiques superficials.

Titanat de bari

• Aquests materials amb dopants com els ions Pb o Ca poden estabilitzar els fase tetragonal en un rang de temperatura més ampli.
• Aquests s’utilitzen inicialment per Langevin vibradors piezoelèctrics de tipus.

Dilluns

• El dopatge de PZT amb ions donants com Nb5 + o Tr5 + proporciona PZT suaus com PZT-5.
• El dopatge de PZT amb ions acceptors com Fe3 + o Sc3 + proporciona PZT durs com PZT-8.

Ceràmica de titanat de plom

• Aquests poden produir imatges d'ultrasons clars a causa de l'acoblament pla extremadament baix.
• Recentment, per ultrasons transductors i s’estan desenvolupant ferroelèctrics de relaxor monocristal amb actuadors electromecànics amb límit de fase morfotropa (MPB).

Polímers piezoelèctrics

Els polímers piezoelèctrics tenen certes característiques comuns com

• Petita constant d piezoelèctrica que els converteix en una bona opció per a l'actuador.
• Constant de g gran que els converteix en una bona opció com a sensors .
• Aquests materials tenen una bona impedància acústica que coincideix amb l'aigua o el cos humà a causa del seu pes lleuger i l'elasticitat suau.
• Amplada de banda de ressonància a causa de la QM baixa.
• Aquests materials són molt optatius micròfons direccionals i hidròfons per ultrasons.

Composites piezoelèctrics

• Els compostos piezoelèctrics formats per ceràmica piezoelèctrica i fases polimèriques formen excel·lents materials piezoelèctrics
• Alt factor d'acoblament, baixa impedància acústica , la flexibilitat mecànica caracteritza aquests materials.
• Aquests materials s’utilitzen especialment per a aplicacions de sonda ultrasònica de diagnòstic mèdic i sonar subaquàtic.

Pel·lícules primes

Per a dispositius d'ona acústica a granel i superficials de pel·lícules fines ZnO s’utilitzen àmpliament a causa del gran acoblament piezoelèctric.

Quin és el millor material piezoelèctric?

Els materials piezoelèctrics s’escullen en funció del requisit de les nostres aplicacions. El material que podria satisfer fàcilment el nostre requisit es pot considerar el millor. Hi ha alguns factors a tenir en compte a l’hora de triar materials piezoelèctrics.

Els cinc mèrits importants del piezoelèctric són

1. El factor d’acoblament electromecànic k

k2 = (energia mecànica emmagatzemada / energia elèctrica d’entrada) o bé
k2 = (energia elèctrica emmagatzemada / energia mecànica d’entrada)

2. Constant de deformació piezoelèctrica d

Descriu la relació de magnitud de la deformació x induïda amb el camp elèctric ÉS com x = d.E.

3. Constant de tensió piezoelèctrica g

g defineix la relació entre la tensió externa X i el camp elèctric induït E com E = g.X.
Utilitzant la relació P = d.X. podem afirmar g = d / ε0 .ε. on ε = permitivitat.

4. Factor de qualitat mecànic QM

Aquest paràmetre caracteritza la nitidesa del fitxer sistema de ressonància electromecànica.

QM = ω0 / 2 ω.

5. Impedància acústica Z

Aquest paràmetre avalua la transferència d’energia acústica entre dos materials. Això es defineix com

Z2 = (velocitat pressió / volum).

En materials sòlids Z = √ρ.√ϲ on ρ és la densitat i ϲ és la rigidesa elàstica del material.

Taula de Característiques Piezoelèctriques

• Els polímers tenen una constant piezoelèctrica baixa en comparació amb la ceràmica.
• El canvi de forma dels materials a base de ceràmica és més que el dels materials a base de polímers quan s’aplica la mateixa quantitat de voltatge.
• Coeficient de tensió piezoelèctric de PVDF fabrica és un material millor per a aplicacions de sensors .
• A causa del major coeficient d’acoblament electromecànic, Dilluns s’utilitza en una aplicació on s’ha de convertir la tensió mecànica en energia elèctrica.
• Tres paràmetres a tenir en compte per seleccionar materials piezoelèctrics per a aplicacions que treballen sota ressonància mecànica el factor de qualitat mecànica , factor d'acoblament electromecànic , i constant dielèctrica . Com més gran sigui la magnitud d’aquests paràmetres, el material per a l’aplicació és millor.
• Materials amb grans coeficient de deformació piezoelèctrica , gran nivells de soca no histerètics són els millors per un actuador .
• Materials amb alta factor d'acoblament electromecànic i alta permitivitat dielèctrica són millors com transductors .
• Baixa pèrdua dielèctrica és important per als materials utilitzats a freqüència fora de ressonància aplicacions que generen baixa generació de calor.

Basat en aquests materials, físics, propietats electromecàniques podem distingir fàcilment entre materials piezoelèctrics. Aquestes propietats ens ajuden a triar el millor material piezoelèctric per a la nostra aplicació. Quin material heu utilitzat per a la vostra aplicació? Quines modificacions es necessiten perquè els materials existents superin les seves limitacions?