Paramètres des matériaux piézoélectriques et des équations piézoélectriques (4)

Quatre. Classification des matériaux piézoélectriques
1. Le premier type de matériau piézoélectrique monocristalle piézoélectrique. Il s'agit d'un matériau ferroélectrique monocristallant naturel ou artificiel avec anisotropie. Son effet piézoélectrique est basé sur la composition de la structure cristalline causée par des changements dans la position relative des ions positifs et négatifs sur le réseau. Crystals piézoélectriques couramment utilisés. Quartz (SiO2): Il s'agit d'un cristal naturellement formé ou cultivé artificiellement (cristal artificiel) avec une bonne uniformité et un point de curie élevé; Impédance élevée et Q (QM) élevée; Haute dureté et bonne résistance à l'usure; Les performances sont extrêmement stables, le vieillissement est extrêmement lent et minimal, et ses changements de performance avec la température sont très faibles, et le coefficient de température de fréquence linéaire qui ne change pas avec le temps peut être obtenu; La perte est faible, qui peut être utilisée pour des fréquences extrêmement élevées; Les performances d'isolation sont bonnes, elles peuvent être élevées sous tension; qui peuvent être utilisées dans des environnements à température supérieure et extrêmement basse. En raison de ses nombreuses propriétés supérieures, le quartz est encore largement utilisé aujourd'hui, en particulier en tant que transducteur standard et en tant qu'oscillateur de temps dans l'équipement informatique. Son inconvénient est que l'efficacité de conversion électromécanique est faible, ce qui rend le gain de la boucle système plus bas.

Lithium Niobate (Linbo3): Il s'agit d'un monocristal ferroélectrique cultivé artificiellement avec un diamètre allant jusqu'à 120 mm. Le niobate de lithium peut être utilisé pour exciter directement l'onde transversale ultrasonique avec un coefficient de couplage électromécanique élevé et une excellente performance piézoélectrique. Il a une grande valeur QM et un point élevé de Curie. Il peut être utilisé à des températures élevées, avec une polarisation stable et une propagation à ultrasons. La perte est petite, elle n'est pas délicadescente et la constante de fréquence est très grande. Il peut être utilisé pour fabriquer des transducteurs à ultra-haute fréquence. Par conséquent, il a été utilisé comme matériau de base commun pour les transducteurs d'ondes acoustiques de surface. Lorsqu'il est utilisé comme transducteur d'onde de volume, il peut obtenir une meilleure sensibilité que les transducteurs en céramique piézoélectrique communs. Il est également utilisé pour la mesure d'épaisseur à ultrasons, la mesure étroite et le transducteur d'impulsion. Il s'agit également d'un monocristal artificiel. Il a de bonnes propriétés mécaniques, est facile à traiter, peut être dissous dans l'eau mais n'est pas facile à déliquesce, qui possède des propriétés physiques et chimiques relativement stables, et possède d'excellentes propriétés piézoélectriques deBande piézoélectrique du matériau PZT
. Le coefficient de couplage électromécanique et la faible constante diélectrique, et la valeur QM sont assez faibles, elles conviennent à la fabrication de transducteurs à large bande haute sensibilité à haute résolution et à des lignes de retard, telles que la mesure de l'épaisseur ultrasonique et les transducteurs d'impulsions étroites. De plus, il y a du sulfate de lithium (Li2SO4) avec de bonnes performances de réception.

3. Le deuxième type de céramique piézoélectrique piézoélectrique. Il s'agit d'un matériau ferroélectrique polycristallin fabriqué par tir manuel de la méthode de frittage en poudre. L'effet piézoélectrique est basé sur l'effet électrostrictif, et ses propriétés piézoélectriques changent avec le frittage. Il existe des différences dans les ingrédients de l'artisanat et de la formulation, il existe donc de nombreux types et différentes performances. Par exemple: broyer le matériau à 400 maille, ajoutant un liant, appuyant, cuisson à haute température, puis sciage, broyage et polissage dans une plaquette en céramique piézoélectrique finie. La céramique piézoélectrique est facile à faire en différentes formes et peut être vibrée dans une variété de modes de vibration pour s'adapter à diverses utilisations. Il a un coefficient de couplage électromécanique élevé, un gain de boucle élevé et une sensibilité, qui sont ses avantages importants. Les céramiques piézoélectriques couramment utilisées sont: Titanate de baryum (BATIO3): Il s'agit d'un mélange de dioxyde de titane (TiO2) et de carbonate de baryum (BACO3) fritté à haute température. Il s'agit d'une céramique piézoélectrique antérieure, sa température de curie est faible, la dépendance à la température est grande et la stabilité du temps et la stabilité thermique sont médiocres. Maintenant, il est toujours utilisé pour les radiateurs de sonar et les transducteurs à ultrasons. Le titanate de zirconate de plomb, le code PZT, a une variété de formules et de caractéristiques, et est actuellement la céramique piézoélectrique la plus couramment utilisée.

La caractéristique principale de la série PZTcristal de plaque piézoélectriqueest le coefficient de couplage électromécanique élevé, dont le PZT-4 est un type de transmission, et ses caractéristiques d'excitation élevées sont bonnes (valeur QM élevée, petite perte interne, etc.), qui convient aux radiateurs de sonar et aux transducteurs à ultrasons. , Générateur à haute tension et transducteur à haute puissance. PZT-5 est un type de récepteur. Il a une constante diélectrique élevée, un faible vieillissement et une faible valeur QM. Il convient aux hydrophones, aux transducteurs à ultrasons, aux joueurs d'enregistrement, aux microphones et aux composants de haut-parleurs. Il convient également à la détection de type d'impulsion à large bande, etc. En outre: PZT-2, PZT-5A, PZT-5H, PZT-6A, PZT-7A, PZT-8 ... et ainsi de suite.

Le niobium de plomb zincate a un coefficient de couplage électromécanique élevé de vibration radiale et une faible valeur QM (l'ajout de MNO2 ou NiO2 peut augmenter le QM à 200), il existe une stabilité de température plus élevée, adaptée aux matériaux filtrants. Série de cobaltate de niobium en plomb: ses coefficients de couplage électromécaniques de vibration radiale KP et QM sont relativement élevés, qui peuvent être utilisés comme vibrateurs et transformateurs ultrasoniques, filtres, cick-ups, etc. manganate de niobium de plomb: valeur QM élevée, bonne stabilité du temps, faible constante diélectrique, constante diélectrique, Coefficient de couplage électromécanique moyen KP de vibration radiale, adapté au filtre et à l'oscillateur de la ligne de retard. Antimonate de niobium en plomb: valeur élevée de KP, bonne stabilité, grande valeur QM et coefficient de température à petite fréquence. Système de manganèse antimoine de plomb: KP a une grande plage de réglage, une valeur QM élevée, une petite perte diélectrique et une bonne stabilité. Manganèse de tungstène en plomb: tension de panne extrêmement élevée, grande valeur QM, grande valeur KP et bonne stabilité de la température à la fréquence de résonance.

Système de niobate de plomb: la constante diélectrique est grande, le KP est moyen et les caractéristiques de fréquence sonore sont bonnes. Le système de cadmium en tungstène en plomb est une bonne température et une bonne stabilité du temps de la fréquence. Le plomb Magnésium TELLUING. Il peut résister à la pression répétée et a un faible vieillissement des propriétés électriques et mécaniques. De plus, il y a un antimonate de lithium et un atantalate de lithium de plomb, qui ont une bonne stabilité et de faibles valeurs QM, et conviennent au transducteur acoustique sous-marine. En plus de la céramique piézotique ternaire, la céramique piézo-quaternaire de zinc-zinc-zinc-titanium-zinc-zinc-lad au nickel-niobium zinc-titanium-mead a été développée.

Le troisième type de matériau piézoélectrique en polymère polaire en polymère piézoélectrique. Il s'agit d'un nouveau polymère semi-cristallin synthétisé artificiellement avec un effet piézoélectrique, appelé polymère polaire, et son effet piézoélectrique est basé sur un polymère polaire. La rotation moléculaire est actuellement meilleure avec le fluorure de polyvinylidène (PVDF). Le PVDF (-CH2-CF2-) est l'un des polymères les plus polaires. Le film PVDF est étiré à plusieurs fois sa longueur d'origine à une température inférieure à 100 ° C pour obtenir un film de type β (une forme cristalline de PVDF), qui est appliqué avec une électrode (généralement en aluminium) et polarisée dans un électrique DC élevé Le champ (la température est de 80-150 ℃), obtiendra des performances piézoélectriques, elle peut être effectivement utilisée comme récepteur acoustique, a une bonne stabilité thermique, en outre, le matériau peut être plié, l'impédance acoustique est petite et bien appariée avec de l'eau, particulièrement adapté aux hydrophones et aux transducteurs pour les tests de terrain de diagnostic à ultrasons médicaux. Les inconvénients des matériaux de film piézoélectrique sont que le rapport signal / bruit n'est pas idéal, le coefficient de couplage électromécanique n'est pas assez grand et les pertes mécaniques et diélectriques sont relativement importantes. De plus, comme le facteur de qualité (QM, QE) est petit, il ne convient pas aux endroits où une résonance nette est requise, ni pour une grande entrée et un travail continu, car son effet piézoélectrique lorsqu'il est utilisé pendant une longue période à une température supérieure à 80 ° C diminution. De plus, les matériaux piézoélectriques en polymère polaire comprennent le polyfluoroéthylène (PVF2) et similaires.

Le quatrième type de matériau piézoélectrique - composite matériau piézoélectrique et film piézoélectrique d'oxyde de zinc. Matériau piézoélectrique compositeassiette de récolte d'énergieest composé de particules de céramique ferroélectrique dispersées et mélangées dans des matériaux en polymère. Comme les matériaux électriques, leurs propriétés piézoélectriques dépendent non seulement des particules de céramique, mais également du type de matériaux polymères utilisés comme matrice, en particulier les systèmes composites avec des polymères à haute permittivité tels que le pvdf et le fluorure de vinylidène. , Peut être utilisé comme de forts matériaux piézoélectriques. Ce matériau piézoélectrique n'a pas besoin d'être étiré comme d'autres corps piézoélectriques en polymère et est isotrope en interne. Avec le changement du type de polymère matriciel, une large gamme de modules élastiques peut être obtenu. En particulier, il peut être pressé à chaud et pratique. très pratique. Par exemple, les matériaux composites de la série PVDF et PZT ont des propriétés piézoélectriques très stables et des propriétés diélectriques. Ces matériaux ont atteint le stade pratique et sont similaires aux matériaux en polymère piézoélectrique en application.

Le film piézoélectrique de l'oxyde de zinc (ZnO) (fabriqué par processus de pulvérisation sous vide) est utilisé pour la génération ultra-haute fréquence et les transducteurs. Il peut être utilisé dans la bande de fréquences de 30 à 3000 MHz et a un bon effet. Il peut être utilisé pour l'étude des propriétés des matériaux, de la ligne de retard ultrasonique, du dispositif acousto-optique, du traitement de la communication et de l'information, et un microscope à ultrasons, etc., avec une bande passante de fréquence, une bonne efficacité de conversion électro-acoustique et une correspondance facile avec le circuit d'excitation . De plus, le sulfure de cadmium (CDS), le nitrure d'aluminium (ALN), etc. sont également de bons matériaux à couches minces piézoélectriques.