סוגי חומרים חשמליים של פיזו - מאפיינים ומאפיינים

עם המאפיין המדהים שלהם ל לייצר חשמל מרעידות מכשירים שאינן בשימוש, חומרים פיזואלקטריים מתגלים כקוצרי כוח מהפכניים. בשל המחקר שנעשה על חומרים אלה, כיום יש מגוון רחב של חומרים פיזואלקטריים לבחירה. מפרטים שונים מאפיינים חומרים אלה. אבל, איך לבחור חומר לדרישה שלנו? מה לחפש? מה הם סוגים של פיזואלקטרית חומרים? במאמר זה, אנו בוחנים סוגים שונים של חומרים פיזואלקטריים יחד עם תכונותיהם. המאמר מתאר את חמשת היתרונות הבסיסיים שיש לחפש בעת בחירת חומר פיזואלקטרי למוצר.

סוגי חומרים פיזואלקטריים

הסוגים השונים של חומרים פיזואלקטריים כוללים את הדברים הבאים.

סוגי חומרים פיזואלקטריים

1). טבעי קיים

גבישים אלה הם דיאלקטריה אניזוטרופית עם סריג גבישים שאינו צנטר-סימטרי. חומרים קריסטליים כמו קוורץ, מלח רושל, טופז, מינרלים מקבוצת טורמלין, וכמה חומרים אורגניים כמו משי, עץ, אמייל, עצם, שיער, גומי, דנטין.

2). חומרים סינטטיים מעשה ידי אדם

חומרים עם תכונות פרואלקטריות משמשים להכנת חומרים פיזואלקטריים. חומרים מעשה ידי אדם מחולקים לחמש קטגוריות עיקריות - אנלוגים קוורץ, קרמיקה, פולימרים, מרוכבים וסרטים דקים .

• פולימרים : פוליווינילדין דיפלואוריד, PVDF או PVF2.
• מרוכבים : פייזוקומפוזיטים הם השדרוג של פייזופולימרים . הם יכולים להיות משני סוגים:
  פולימר פייזו בו טובל חומר פיזואלקטרי בתוך מטריצה ​​פסיבית חשמלית .
  מרוכבים של פייזו המיוצרים על ידי שימוש בשתי דוגמאות שונות מקרמיקה סיבי BaTiO3 חיזוק א מטריצת PZT .
• פיזואלקטרית מעשה ידי אדם עם מבנה קריסטל כפרובסקייט : בריום טיטנאט, עופרת טיטנאט, עופרת טיטנאט זירקונאט (PZT), אשלגן ניובאט, ליתיום ניובאט, ליתיום טנטלט, ונטולי עופרת אחרים קרמיקה פיזואלקטרית.

מאפיינים של חומרים פיזואלקטריים שונים

המאפיינים של חומרים פיזואלקטריים שונים כוללים את הדברים הבאים.

קְוָרץ

• קוורץ הוא החומר הפיזואלקטרי הקריסטלי הבודד הפופולרי ביותר. חומרי גביש יחיד מציגים מאפייני חומר שונים בהתאם לחיתוך ולכיוון התפשטות הגלים בתפזורת. קְוָרץ מַתנֵד המופעלים במצב גזירה עובי של חיתוך ה- AT משמשים במחשבים, טלוויזיה ומכשירי וידיאו.
• ב- S.A.W. מכשירים משמשים לחיתוך קוורץ עם התפשטות X. לקוורץ יש גורם איכות מכני גבוה במיוחד SQM> 105.

ליתיום ניובאט ו ליתיום טנטלט

• חומרים אלה מורכבים משמינית חמצן.
• טמפרטורת הקירי של חומרים אלה היא 1210 ו 6600 ג בהתאמה.
• לחומרים אלה מקדם צימוד אלקטרומכני גבוה לגל אקוסטי עילי.

בריום טיטנאט

• חומרים אלה עם חומרים מסמים כגון יונים Pb או Ca יכולים לייצב את שלב טטרגונלי בטווח טמפרטורות רחב יותר.
• אלה משמשים בתחילה עבור לנגווין - סוג ויברטורים פיזואלקטריים.

שני

• סימום PZT עם יוני תורמים כגון Nb5 + או Tr5 + מספק PZT רך כמו PZT-5.
• סימום PZT עם יונים מקבלים כגון Fe3 + או Sc3 + מספק PZT קשה כמו PZT-8.

עופרת טיטנייט קרמיקה

• אלה יכולים לייצר הדמיה קולית ברורה בגלל צימוד מישורי נמוך במיוחד.
• לאחרונה, לקולי מתמרים ומפעילים אלקטרו-מגנטיים מרגיעים קריסטל יחידים עם גבול פאזה מורפוטרופי (MPB) מפותחים.

פולימרים פיזואלקטריים

לפולימרים פיזואלקטריים מאפיינים משותפים מסוימים כמו

• קבוע d פיזואלקטרי קטן שהופך אותם לבחירה טובה עבור המפעיל.
• קבוע גדול g שהופך אותם לבחירה טובה כחיישנים .
• לחומרים אלה התאמה של עכבה אקוסטית טובה עם מים או גוף האדם בגלל משקל קל וגמישות רכה.
• רוחב פס של תהודה רחבה בגלל QM נמוך.
• חומרים אלה נבחרים במיוחד מיקרופונים כיווניים ו הידרופונים קולי.

מרוכבים פיזואלקטריים

• מרוכבים פיזואלקטריים המורכבים משלבי קרמיקה פיזואלקטריים ופולימרים יוצרים חומרים פיזואלקטריים מצוינים.
• גורם צימוד גבוה, עכבה אקוסטית נמוכה , גמישות מכנית מאפיינת חומרים אלה.
• חומרים אלה משמשים במיוחד ליישומי מתמר אולטרסאונד סונאר תת-מימי ולאבחון רפואי.

סרטים דקים

למכשירים גל אקוסטיים בתפזורת גלי אקוסטיים סרטים דקים של ZnO נמצאים בשימוש נרחב בגלל צימוד פיזואלקטרי גדול.

מהו החומר הפיזואלקטרי הטוב ביותר?

חומרים פיזואלקטריים נבחרים על פי דרישת היישומים שלנו. החומר שיכול לעמוד בקלות בדרישתנו יכול להיחשב לטוב ביותר. ישנם כמה גורמים שיש לקחת בחשבון בעת ​​בחירת חומרים פיזואלקטריים.

חמשת היתרונות החשובים של פיזואלקטריה הם

1. גורם צימוד אלקטרומכני k

k2 = (אנרגיה מכנית מאוחסנת / אנרגיה חשמלית קלט) אוֹ
k2 = (אנרגיה חשמלית מאוחסנת / אנרגיה מכנית קלט)

2. קבוע זן פיזואלקטרי ד

מתאר את יחס הגודל של הזן המושרה x לשדה החשמלי IS כפי ש x = d.E.

3. קבוע מתח פיזואלקטרי g

ז מגדיר את הקשר בין הלחץ החיצוני X לבין השדה החשמלי המושרה E כ- E = g.X.
שימוש ביחס P = d.X. אנחנו יכולים לקבוע g = d / ε0 .ε. איפה ε = היתר.

4. גורם איכות מכני QM

פרמטר זה מאפיין את החדות של ה- מערכת תהודה אלקטרומכנית.

QM = ω0 / 2 ω.

5. עכבה אקוסטית Z

פרמטר זה מעריך את העברת האנרגיה האקוסטית בין שני חומרים. זה מוגדר כ

Z2 = (מהירות לחץ / נפח).

בחומרים מוצקים Z = √ρ.√ϲ כאשר ρ הוא הצפיפות ו- ϲ הוא נוקשות אלסטית של החומר.

טבלת מאפיינים פיזואלקטריים

• לפולימרים קבוע פיזואלקטרי נמוך בהשוואה לקרמיקה.
• שינוי צורה של חומרים מבוססי קרמיקה הוא יותר מזה של חומרים מבוססי פולימר כאשר מוחל אותה כמות מתח.
• מקדם מתח פיזואלקטרי של PVDF עושה הוא חומר טוב יותר עבור יישומי חיישנים .
• בשל מקדם צימוד אלקטרומכני גדול יותר, שני משמש ביישום שבו יש להמיר מתח מכני לאנרגיה חשמלית.
• שלושה פרמטרים שיש לקחת בחשבון לבחירה חומרים פיזואלקטריים עבור יישומים העובדים בתהודה מכנית הם גורם האיכות המכני , גורם צימוד אלקטרומכני , ו קבוע דיאלקטרי . גודל הפרמטרים הללו גבוה יותר בצורה הטובה ביותר הוא החומר ליישום.
• חומרים עם גדול מקדם זן פיזואלקטרי , גדול רמות זן לא היסטריות הם הטובים ביותר עבור מפעיל .
• חומרים עם גבוה גורם צימוד אלקטרומכני ו היתירות דיאלקטרית גבוהה הם הטובים ביותר כמו מתמרים .
• אובדן דיאלקטרי נמוך חשוב עבור חומרים המשמשים ב תדירות מחוץ לתהודה יישומים המהווים ייצור חום נמוך.

בהתבסס על פיזיות, חומריות, תכונות אלקטרומכניות אנו יכולים להבחין בקלות בין חומרים פיזואלקטריים. מאפיינים אלה עוזרים לנו לבחור את החומר הפיזואלקטרי הטוב ביותר ליישום שלנו. באיזה חומר השתמשת ליישום שלך? אילו שינויים נדרשים כדי שהחומרים הקיימים יתגברו על מגבלותיהם?