Typer av Piezo Electric Materials - Egenskaper och egenskaper

Med sin fantastiska egenskap till producera el från oanvända vibrationer i enheterna, piezoelektriska material framträder som revolutionära maktskördare. På grund av forskningen på dessa material finns det idag ett brett utbud av piezoelektriska material att välja mellan. Olika specifikationer kännetecknar dessa material. Men hur väljer man ett material för vårt krav? Vad ska jag leta efter? Vad är typer av piezoelektrisk material? I den här artikeln tittar vi på olika typer av piezoelektriska material tillsammans med deras egenskaper. Artikeln beskriver de fem grundläggande fördelarna att leta efter när du väljer ett piezoelektriskt material för produkten.

Typer av piezoelektriska material

De olika typerna av piezoelektriska material inkluderar följande.

Typer av piezoelektriska material

1). Naturligt existerande

Dessa kristaller är anisotropa dielektrikum med icke-centrosymmetriskt kristallgitter. Kristallmaterial som kvarts, Rochelle-salt, Topaz, mineraler i turmalingruppen och några organiska ämnen som siden, trä, emalj, ben, hår, gummi, dentin faller under denna kategori.

2). Konstgjorda syntetiska material

Material med ferroelektriska egenskaper används för att bereda piezoelektriska material. Konstgjorda material delas in i fem huvudkategorier - Kvartsanaloger, keramik, polymerer, kompositer och tunna filmer .

• Polymerer : Polyvinyliden difluorid, PVDF eller PVF2.
• Komposit : Piezokompositer är uppgraderingen av piezopolymerer . De kan vara av två typer:
  Piezo-polymer i vilken piezoelektriskt material är nedsänkt i en elektriskt passiv matris .
  Piezo-kompositer som tillverkas med hjälp av två olika keramiska exempel BaTiO3-fibrer förstärka en PZT-matris .
• Konstgjord piezoelektrisk med kristallstruktur som perovskite : Bariumtitanat, Blytitanat, Blyzirkonattitanat (PZT), Kaliumniobat, Litiumniobat, Litiumtantalat och annat blyfritt piezoelektrisk keramik.

Egenskaper hos olika piezoelektriska material

Egenskaperna hos olika piezoelektriska material inkluderar följande.

Kvarts

• Kvarts är det mest populära piezoelektriska materialet med en kristall. Enkelkristallmaterial uppvisar olika materialegenskaper beroende på skärning och riktning för bulkvågsförökning. Kvarts oscillator som används i AT-cut-tjockleksläget används i datorer, TV-apparater och videobandspelare.
• I S.A.W. enheter ST-skuren kvarts med X-förökning används. Kvarts har extremt hög mekanisk kvalitetsfaktor SQM> 105.

Litiumniobat och litiumtantal

• Dessa material består av syreoktaeder.
• Curies temperatur för dessa material är 1210 och 6600c respektive.
• Dessa material har en hög elektromekanisk kopplingskoefficient för ytakustisk våg.

Barium Titanate

• Dessa material med dopmedel såsom Pb- eller Ca-joner kan stabilisera tetragonal fas över ett bredare temperaturintervall.
• Dessa används ursprungligen för Langevin -typ piezoelektriska vibratorer.

Mån

• Doping av PZT med givarjoner som Nb5 + eller Tr5 + ger mjuka PZT som PZT-5.
• Doping av PZT med acceptorjoner som Fe3 + eller Sc3 + ger hårda PZT som PZT-8.

Bly Titanate Keramik

• Dessa kan ge tydlig ultraljudsavbildning på grund av den extremt låga plana kopplingen.
• Nyligen för ultraljud givare och elektromekaniska manöverdon, enstaka kristallrelaxor, ferroelektriker med morfotrop fasgräns (MPB) utvecklas.

Piezoelektriska polymerer

Piezoelektriska polymerer har vissa gemensamma egenskaper som

• Liten piezoelektrisk d-konstant som gör dem till ett bra val för ställdonet.
• Stor g konstant vilket gör dem till ett bra val som sensorer .
• Dessa material har god akustisk impedansmatchning med vatten eller människokropp på grund av sin lätta vikt och mjuka elasticitet.
• Bred resonansbandbredd på grund av låg QM.
• Dessa material är mycket valda riktningsmikrofoner och ultraljudshydrofoner.

Piezoelektriska kompositer

• Piezoelektriska kompositer som består av piezoelektriska keramiska faser och polymerfaser bildar utmärkta piezoelektriska material
• Hög kopplingsfaktor, låg akustisk impedans , mekanisk flexibilitet kännetecknar dessa material.
• Dessa material används speciellt för undervattens ekolod och medicinsk diagnostisk ultraljudssändare.

Tunna filmer

För akustiska bulk- och ytakustiska vågapparater tunna filmer av ZnO används ofta på grund av sin stora piezoelektriska koppling.

Vilket är det bästa piezoelektriska materialet?

Piezoelektriska material väljs utifrån kraven i våra applikationer. Det material som lätt kan uppfylla våra krav kan anses vara det bästa. Det finns några faktorer att tänka på när du väljer piezoelektriska material.

De fem viktiga fördelarna med piezoelektrisk är

1. Den elektromekaniska kopplingsfaktorn k

k2 = (Lagrad mekanisk energi / Ingång elektrisk energi) eller
k2 = (Lagrad elektrisk energi / Ingång mekanisk energi)

2. Piezoelektrisk stamkonstant d

Beskriver förhållandet mellan den inducerade töjningen x och det elektriska fältet ÄR som x = d.E.

3. Piezoelektrisk spänningskonstant g

g definierar förhållandet mellan den yttre spänningen X och det inducerade elektriska fältet E som E = g.X.
Använda relationen P = d.X. vi kan ange g = d / e0 .ε. var ε = permittivitet.

4. Mekanisk kvalitetsfaktor QM

Denna parameter kännetecknar skärpan elektromekaniskt resonanssystem.

QM = ω0 / 2 ω.

5. Akustisk impedans Z

Denna parameter utvärderar den akustiska energiöverföringen mellan två material. Detta definieras som

Z2 = (tryck / volymhastighet).

I fasta material Z = √ρ.√ϲ där ρ är densiteten och ϲ är elastisk stelhet av materialet.

Tabell med piezoelektriska egenskaper

• Polymerer har låg piezoelektrisk konstant jämfört med keramik.
• Formbyte av keramikbaserade material är mer än för polymerbaserade material när samma mängd spänning appliceras.
• Piezoelektrisk spänningskoefficient på PVDF gör är ett bättre material för sensorapplikationer .
• På grund av den större elektromekaniska kopplingskoefficienten, Mån används i en applikation där mekanisk spänning måste omvandlas till elektrisk energi.
• Tre parametrar som ska beaktas vid val piezoelektriska material för applikationer som arbetar under mekanisk resonans är den mekaniska kvalitetsfaktorn , elektromekanisk kopplingsfaktor och dielektrisk konstant . Högre storlek på dessa parametrar är bäst materialet för applikationen.
• Material med stora piezoelektrisk töjningskoefficient , stor icke-hysteretiska stamnivåer är bäst för ett ställdon .
• Material med hög elektromekanisk kopplingsfaktor och hög dielektrisk permittivitet är bäst som givare .
• Låg dielektrisk förlust är viktigt för material som används i off-resonansfrekvens applikationer som står för produktion av låg värme.

Baserat på dessa fysiska, materiella, elektromekaniska egenskaper vi kan enkelt skilja mellan piezoelektriska material. Dessa egenskaper hjälper oss att välja det bästa piezoelektriska materialet för vår applikation. Vilket material har du använt för din ansökan? Vilka modifieringar krävs för att befintliga material ska övervinna sina begränsningar?