Jenis Bahan Elektrik Piezo - Sifat, dan Ciri

Dengan ciri luar biasa mereka untuk menghasilkan elektrik dari getaran peranti yang tidak digunakan, bahan piezoelektrik muncul sebagai penuai tenaga revolusioner. Oleh kerana kajian yang dibuat mengenai bahan-bahan ini, hari ini terdapat pelbagai jenis bahan piezoelektrik untuk dipilih. Spesifikasi berbeza mencirikan bahan-bahan ini. Tetapi, bagaimana memilih bahan untuk keperluan kita? Apa yang perlu dicari? Apakah jenis piezoelektrik bahan? Dalam artikel ini, kita melihat pelbagai jenis bahan piezoelektrik bersama sifatnya. Artikel tersebut menerangkan lima kebaikan asas yang perlu dicari semasa memilih bahan piezoelektrik untuk produk tersebut.

Jenis Bahan Piezoelektrik

Pelbagai jenis bahan piezoelektrik merangkumi yang berikut.

Jenis Bahan Piezoelektrik

1). Tidak Sedia Ada

Kristal ini adalah dielektrik anisotropik dengan kisi kristal bukan sentrosimetri. Bahan kristal seperti Quartz, garam Rochelle, Topaz, mineral kumpulan Tourmaline, dan beberapa bahan organik seperti sutera, kayu, enamel, tulang, rambut, getah, dentin termasuk dalam kategori ini.

2). Bahan Sintetik Buatan Manusia

Bahan dengan sifat ferroelektrik digunakan untuk menyediakan bahan piezoelektrik. Bahan buatan manusia dibahagikan kepada lima kategori utama - Analog kuarza, Seramik, Polimer, Komposit, dan Filem Tipis .

• Polimer : Polyvinylidene difluoride, PVDF atau PVF2.
• Komposit : Piezokomposit adalah peningkatan dari piezopolimer . Mereka boleh terdiri daripada dua jenis:
  Polimer piezo di mana bahan piezoelektrik direndam dalam matriks pasif elektrik .
  Komposit piezo yang dibuat dengan menggunakan dua contoh seramik yang berbeza Serat BaTiO3 mengukuhkan a Matriks PZT .
• Piezoelektrik buatan manusia dengan struktur kristal sebagai perovskite : Barium titanate, Lead titanate, Lead zirconate titanate (PZT), Potassium niobate, Lithium niobate, Lithium tantalate, dan lain-lain tanpa plumbum seramik piezoelektrik.

Sifat Bahan Piezoelektrik yang berbeza

Sifat-sifat bahan piezoelektrik yang berbeza merangkumi yang berikut.

Kuarza

• Kuarza adalah bahan piezoelektrik kristal tunggal yang paling popular. Bahan kristal tunggal menunjukkan sifat bahan yang berbeza bergantung pada pemotongan dan arah penyebaran gelombang pukal. Kuarza pengayun dikendalikan dalam mod ricih ketebalan AT-cut digunakan dalam komputer, TV dan VCR.
• Di S.A.W. digunakan ST-cut quartz dengan X-propagation. Kuarza mempunyai faktor kualiti mekanikal yang sangat tinggi SQM> 105.

Lithium Niobate dan Lithium Tantalate

• Bahan-bahan ini terdiri daripada oktahedron oksigen.
• Suhu suhu bahan ini adalah 1210 dan 6600c masing-masing.
• Bahan-bahan ini mempunyai pekali gandingan elektromekanik yang tinggi untuk gelombang akustik permukaan.

Barium Titanate

• Bahan-bahan ini dengan dopan seperti ion Pb atau Ca dapat menstabilkan fasa tetragonal dalam julat suhu yang lebih luas.
• Ini pada mulanya digunakan untuk Langevin -jenis penggetar piezoelektrik.

Isnin

• Doping PZT dengan ion penderma seperti Nb5 + atau Tr5 + menyediakan PZT lembut seperti PZT-5.
• Doping PZT dengan ion akseptor seperti Fe3 + atau Sc3 + menyediakan PZT keras seperti PZT-8.

Seramik Titanate plumbum

• Ini dapat menghasilkan pengimejan ultrasonik yang jelas kerana terdapat gandingan planar yang sangat rendah.
• Baru-baru ini, untuk ultrasonik transduser dan ferroelektrik pelindung kristal tunggal penggerak elektromekanik dengan batasan fasa morfotropik (MPB) sedang dikembangkan.

Polimer Piezoelektrik

Polimer piezoelektrik mempunyai ciri umum tertentu seperti

• Pemalar piezoelektrik kecil yang menjadikan mereka pilihan yang baik untuk penggerak.
• Pemalar g besar yang menjadikan mereka pilihan yang baik sebagai penderia .
• Bahan-bahan ini mempunyai impedans akustik yang baik dengan air atau tubuh manusia kerana terdapat ringan dan keanjalan lembut.
• Lebar jalur resonans yang luas kerana QM yang rendah.
• Bahan-bahan ini sangat dipilih mikrofon arah dan hidrofon ultrasonik.

Komposit Piezoelektrik

• Komposit piezoelektrik yang terdiri daripada fasa seramik piezoelektrik dan polimer membentuk bahan piezoelektrik yang sangat baik
• Faktor gandingan tinggi, impedans akustik rendah , fleksibiliti mekanikal mencirikan bahan-bahan ini.
• Bahan-bahan ini digunakan terutamanya untuk aplikasi transduser ultrasonik sonar bawah laut dan diagnostik perubatan.

Filem nipis

Untuk peranti gelombang akustik dan permukaan akustik pukal filem nipis ZnO digunakan secara meluas kerana terdapat gandingan piezoelektrik yang besar.

Bahan Piezoelektrik Terbaik yang manakah?

Bahan piezoelektrik dipilih berdasarkan keperluan aplikasi kami. Bahan yang dapat memenuhi kehendak kita dengan mudah boleh dianggap terbaik. Terdapat beberapa faktor yang perlu dipertimbangkan semasa memilih bahan piezoelektrik.

Lima kelebihan penting piezoelektrik adalah

1. Faktor gandingan elektromekanik k

k2 = (Tenaga mekanikal tersimpan / Tenaga elektrik input) atau
k2 = (Tenaga elektrik tersimpan / Tenaga mekanikal input)

2. Pemalar regangan piezoelektrik d

Memerihalkan hubungan magnitud terikan x dengan medan elektrik ADALAH sebagai x = d.E.

3. Pemalar voltan piezoelektrik g

g mentakrifkan hubungan antara tegangan luaran X dan medan elektrik teraruh E sebagai E = g.X.
Menggunakan hubungan P = d.X. kita boleh menyatakan g = d / ε0 .ε. di mana ε = kebolehtelapan.

4. Faktor kualiti mekanikal QM

Parameter ini mencirikan ketajaman sistem resonans elektromekanik.

QM = ω0 / 2 ω.

5. Impedansi Akustik Z

Parameter ini menilai pemindahan tenaga akustik antara dua bahan. Ini ditakrifkan sebagai

Z2 = (halaju tekanan / isipadu).

Dalam bahan pepejal Z = √ρ.√ϲ di mana ρ adalah ketumpatan dan ϲ adalah kekakuan elastik bahan tersebut.

Jadual Ciri Piezoelektrik

• Polimer mempunyai pemalar piezoelektrik rendah berbanding dengan seramik.
• Perubahan bentuk bahan berasaskan seramik lebih daripada bahan berasaskan polimer apabila jumlah voltan yang sama digunakan.
• Pekali voltan piezoelektrik PVDF membuat adalah bahan yang lebih baik untuk aplikasi sensor .
• Oleh kerana pekali gandingan elektromekanik yang lebih besar, Isnin digunakan dalam aplikasi di mana tekanan mekanikal harus ditukar menjadi tenaga elektrik.
• Tiga parameter yang perlu dipertimbangkan untuk memilih bahan piezoelektrik untuk aplikasi yang bekerja di bawah resonans mekanikal adalah faktor kualiti mekanikal , faktor gandingan elektromekanikal , dan pemalar dielektrik . Semakin tinggi magnitud parameter ini yang terbaik adalah bahan untuk aplikasi.
• Bahan dengan besar pekali regangan piezoelektrik , besar tahap ketegangan bukan histeretik terbaik untuk penggerak .
• Bahan dengan tinggi faktor gandingan elektromekanikal dan kebolehtelapan dielektrik tinggi terbaik sebagai transduser .
• Kehilangan dielektrik rendah penting untuk bahan yang digunakan di frekuensi off-resonance aplikasi merangkumi penjanaan haba rendah.

Berdasarkan fizikal, material, sifat elektromekanikal kita dapat membezakan antara bahan piezoelektrik dengan mudah. Sifat-sifat ini membantu kita memilih bahan piezoelektrik terbaik untuk aplikasi kita. Bahan apa yang telah anda gunakan untuk aplikasi anda? Pengubahsuaian apa yang diperlukan agar bahan yang ada dapat mengatasi batasannya?