Tipi di materiali piezoelettrici: proprietà e caratteristiche

Con la loro straordinaria caratteristica a produrre elettricità dalle vibrazioni inutilizzate dei dispositivi, materiali piezoelettrici stanno emergendo come mietitrici di potenza rivoluzionarie. Grazie alla ricerca fatta su questi materiali, oggi c'è una vasta gamma di materiali piezoelettrici tra cui scegliere. Specifiche differenti caratterizzano questi materiali. Ma come scegliere un materiale per le nostre esigenze? Cosa cercare? Quali sono le tipi di piezoelettrico materiali? In questo articolo, esaminiamo diversi tipi di materiali piezoelettrici insieme alle loro proprietà. L'articolo descrive i cinque meriti fondamentali da cercare quando si sceglie un materiale piezoelettrico per il prodotto.

Tipi di materiali piezoelettrici

I diversi tipi di materiali piezoelettrici includono quanto segue.

Tipi di materiali piezoelettrici

1) .Natural esistente

Questi cristalli sono dielettrici anisotropi con reticolo cristallino non centrosimmetrico. I materiali cristallini come il quarzo, il sale di Rochelle, il topazio, i minerali del gruppo della tormalina e alcune sostanze organiche come la seta, il legno, lo smalto, l'osso, i capelli, la gomma e la dentina rientrano in questa categoria.

2). Materiali sintetici artificiali

Materiali con proprietà ferroelettriche sono usati per preparare materiali piezoelettrici. I materiali artificiali sono raggruppati in cinque categorie principali: Analoghi al quarzo, ceramica, polimeri, compositi e pellicole sottili .

• Polimeri : Difluoruro di polivinilidene, PVDF o PVF2.
• Compositi : Piezocomposites sono l'aggiornamento di piezopolimeri . Possono essere di due tipi:
  Piezo polimero in cui il materiale piezoelettrico è immerso in un matrice elettricamente passiva .
  Compositi piezo realizzati utilizzando due diversi esempi di ceramica Fibre BaTiO3 rafforzando a Matrice PZT .
• Piezoelettrico artificiale con struttura cristallina come perovskite : Titanato di bario, titanato di piombo, titanato di zirconato di piombo (PZT), niobato di potassio, niobato di litio, tantalato di litio e altri senza piombo ceramica piezoelettrica.

Proprietà di diversi materiali piezoelettrici

Le proprietà dei diversi materiali piezoelettrici includono quanto segue.

Quarzo

• Il quarzo è il materiale piezoelettrico monocristallino più popolare. I materiali monocristallini mostrano proprietà dei materiali differenti a seconda del taglio e della direzione della propagazione dell'onda di massa. Quarzo oscillatore operati nella modalità di taglio dello spessore del taglio AT sono utilizzati su computer, TV e videoregistratori.
• In S.A.W. dispositivi Viene utilizzato quarzo con taglio ST con propagazione X. Il quarzo ha un fattore di qualità meccanica estremamente elevato Mq> 105.

Niobato di litio e tantalato di litio

• Questi materiali sono composti da ottaedro di ossigeno.
• La temperatura di Curies di questi materiali è 1210 e 6600c rispettivamente.
• Questi materiali hanno un elevato coefficiente di accoppiamento elettromeccanico per l'onda acustica superficiale.

Titanato di bario

• Questi materiali con droganti come gli ioni Pb o Ca possono stabilizzare il fase tetragonale su un intervallo di temperatura più ampio.
• Questi sono inizialmente utilizzati per Langevin -tipo vibratori piezoelettrici.

Lun

• Il doping PZT con ioni donatori come Nb5 + o Tr5 + fornisce PZT morbidi come PZT-5.
• Il drogaggio PZT con ioni accettori come Fe3 + o Sc3 + fornisce PZT duri come PZT-8.

Titanato di piombo in ceramica

• Questi possono produrre immagini ultrasoniche chiare a causa dell'accoppiamento planare estremamente basso.
• Recentemente, per ultrasuoni trasduttori e gli attuatori elettromeccanici ferroelettrici rilassanti monocristallini con limite di fase morfotropico (MPB) sono in fase di sviluppo.

Polimeri piezoelettrici

I polimeri piezoelettrici hanno alcune caratteristiche comuni come

• Piccola costante d piezoelettrica che li rende una buona scelta per l'attuatore.
• Grande costante g che li rende una buona scelta come sensori .
• Questi materiali hanno una buona corrispondenza dell'impedenza acustica con l'acqua o il corpo umano a causa della leggerezza e della morbida elasticità.
• Ampia larghezza di banda di risonanza grazie al basso QM.
• Questi materiali sono altamente scelti microfoni direzionali e idrofoni ad ultrasuoni.

Compositi piezoelettrici

• I compositi piezoelettrici costituiti da fasi piezoelettriche di ceramica e polimero formano eccellenti materiali piezoelettrici
• Alto fattore di accoppiamento, bassa impedenza acustica , la flessibilità meccanica caratterizza questi materiali.
• Questi materiali sono utilizzati in particolare per sonar subacquei e trasduttori a ultrasuoni diagnostici medici.

Film sottili

Per dispositivi acustici e onde acustiche di superficie sfusi, film sottili di ZnO sono ampiamente utilizzati a causa del loro grande accoppiamento piezoelettrico.

Qual è il miglior materiale piezoelettrico?

I materiali piezoelettrici vengono scelti in base ai requisiti delle nostre applicazioni. Il materiale che potrebbe facilmente soddisfare le nostre esigenze può essere considerato il migliore. Ci sono alcuni fattori da considerare quando si scelgono i materiali piezoelettrici.

I cinque importanti meriti del piezoelettrico sono

1. Il fattore di accoppiamento elettromeccanico k

k2 = (Energia meccanica immagazzinata / Energia elettrica in ingresso) o
k2 = (Energia elettrica immagazzinata / Energia meccanica in ingresso)

2. Costante di deformazione piezoelettrica d

Descrive la relazione di grandezza della deformazione indotta x con il campo elettrico E come x = d.E.

3. Costante di tensione piezoelettrica g

g definisce la relazione tra lo stress esterno X e il campo elettrico indotto E come E = g.X.
Usando la relazione P = d.X. possiamo affermare g = d / ε0 .ε. dove ε = permettività.

4. Fattore di qualità meccanica QM

Questo parametro caratterizza la nitidezza del sistema di risonanza elettromeccanico.

QM = ω0 / 2 ω.

5. Impedenza acustica Z

Questo parametro valuta il trasferimento di energia acustica tra due materiali. Questo è definito come

Z2 = (pressione / velocità del volume).

In materiali solidi Z = √ρ.√ϲ dove ρ è la densità e ϲ è il rigidità elastica del materiale.

Tabella delle caratteristiche piezoelettriche

• I polimeri hanno una bassa costante piezoelettrica rispetto alla ceramica.
• Il cambiamento di forma dei materiali a base di ceramica è maggiore di quello dei materiali a base di polimero quando viene applicata la stessa quantità di tensione.
• Coefficiente di tensione piezoelettrica di PVDF fa è un materiale migliore per applicazioni dei sensori .
• A causa del maggiore coefficiente di accoppiamento elettromeccanico, Lun viene utilizzato in un'applicazione in cui lo stress meccanico deve essere convertito in energia elettrica.
• Tre parametri da considerare per la selezione materiali piezoelettrici per le applicazioni che lavorano sotto risonanza meccanica sono il fattore di qualità meccanica , fattore di accoppiamento elettromeccanico , e costante dielettrica . Maggiore è l'ampiezza di questi parametri, migliore è il materiale per l'applicazione.
• Materiali con grande coefficiente di deformazione piezoelettrico , grande livelli di sforzo non isteretico sono i migliori per un attuatore .
• Materiali con alta fattore di accoppiamento elettromeccanico e alta permettività dielettrica sono i migliori come trasduttori .
• Bassa perdita dielettrica è importante per i materiali utilizzati in frequenza fuori risonanza applicazioni che tengono conto della bassa generazione di calore.

Sulla base di questi dati fisici, materiali, proprietà elettromeccaniche possiamo facilmente distinguere tra materiali piezoelettrici. Queste proprietà ci aiutano a scegliere il miglior materiale piezoelettrico per la nostra applicazione. Quale materiale hai utilizzato per la tua applicazione? Quali modifiche sono necessarie affinché i materiali esistenti superino i loro limiti?