圧電材料の種類–特性と特性

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彼らの驚くべき特徴で 電気を生み出す デバイスの未使用の振動から、 圧電材料 革新的なパワーハーベスターとして浮上しています。これらの材料で行われた研究のおかげで、今日、幅広い圧電材料から選択することができます。さまざまな仕様がこれらの材料を特徴づけます。しかし、私たちの要件に合った材料を選択するにはどうすればよいですか?何を探すべきですか?何ですか の種類 圧電 材料? この記事では、さまざまなタイプの圧電材料とその特性について説明します。この記事では、製品の圧電材料を選択する際に探すべき5つの基本的なメリットについて説明します。

圧電材料の種類

さまざまな種類の圧電材料には、次のものがあります。




圧電材料の種類

圧電材料の種類

1)。ナチュラル既存

これらの結晶は、非中心対称の結晶格子を持つ異方性誘電体です。クォーツ、ロシェル塩、トパーズ、トルマリングループの鉱物、および絹、木、エナメル質、骨、髪、ゴム、象牙質などのいくつかの有機物質などの結晶材料がこのカテゴリに分類されます。



2)。人工合成材料

の材料 強誘電特性 圧電材料を準備するために使用されます。人工材料は5つの主要なカテゴリーに分類されます– クォーツアナログ、セラミック、ポリマー、複合材料、および薄膜

  • ポリマー :ポリフッ化ビニリデン、 PVDFまたはPVF2。
  • コンポジットピエゾコンポジット のアップグレードです ピエゾポリマー 。それらには2つのタイプがあります。
    圧電材料を浸漬した圧電ポリマー 電気的に受動的なマトリックス
    2つの異なるセラミックの例を使用して作成されたピエゾ複合材料 BaTiO3繊維 補強 PZTマトリックス
  • ペロブスカイトとしての結晶構造を持つ人工圧電 :チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、およびその他の鉛フリー 圧電セラミック。

さまざまな圧電材料の特性

さまざまな圧電材料の特性には、次のものがあります。

石英


  • クォーツは最も人気のある単結晶圧電材料です。単結晶材料は、バルク波伝搬のカットと方向に応じて異なる材料特性を示します。石英 オシレーター ATカットの厚させん断モードで動作するものは、コンピューター、テレビ、VCRで使用されます。
  • S.A.W.でデバイスXプロパゲーション付きのSTカットクォーツが使用されます。クォーツは非常に高い機械的品質係数を持っています 平方メートル> 105。

ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウム

  • これらの材料は、酸素八面体で構成されています。
  • これらの材料のキュリー温度は 1210 そして 6600c それぞれ。
  • これらの材料は、弾性表面波に対して高い電気機械結合係数を持っています。

チタン酸バリウム

  • これらの材料と ドーパント PbやCaイオンなどは安定させることができます 正方晶相 より広い温度範囲にわたって。
  • これらは最初に使用されます ランゲビン -タイプの圧電バイブレーター。

月曜日

  • PZTにNb5 +やTr5 +などのドナーイオンをドープすると、PZT-5のようなソフトPZTが得られます。
  • PZTにFe3 +やSc3 +などのアクセプターイオンをドープすると、PZT-8のような硬いPZTが得られます。

チタン酸鉛セラミック

  • 平面結合が非常に低いため、これらは鮮明な超音波イメージングを生成できます。
  • 最近、超音波用 トランスデューサー 電気機械式アクチュエータ、モルフォトロピック相境界(MPB)を備えた単結晶リラクサー強誘電体が開発されています。

圧電ポリマー

圧電ポリマーには、次のような特定の共通の特性があります。

  • 小さな圧電d定数により、アクチュエータに適しています。
  • それらを良い選択にする大きなg定数 センサーとして
  • これらの材料は、軽量で弾力性が柔らかいため、水や人体との音響インピーダンス整合が良好です。
  • QMが低いため、共振帯域幅が広くなります。
  • これらの材料は非常に選ばれています 指向性マイク そして 超音波ハイドロフォン。

圧電複合材料

  • 圧電セラミック相とポリマー相で構成される圧電複合材料は、優れた圧電材料を形成します
  • 高い結合係数、 低音響インピーダンス 、機械的柔軟性がこれらの材料の特徴です。
  • これらの材料は、特に水中ソナーおよび医療診断用超音波トランスデューサーの用途に使用されます。

薄膜

バルク音響および表面弾性波デバイス用の薄膜 ZnO 大きな圧電結合があるため、広く使用されています。

最高の圧電材料はどれですか?

圧電材料は、アプリケーションの要件に基づいて選択されます。私たちの要件を簡単に満たすことができる材料は、最高と見なすことができます。圧電材料を選択する際に考慮すべきいくつかの要因があります。

圧電の5つの重要なメリットは次のとおりです。

1.1。 電気機械結合係数k

k2 =(蓄積された機械的エネルギー/入力電気エネルギー) または
k2 =(蓄積された電気エネルギー/入力された機械的エネルギー)

2.圧電ひずみ定数d

誘導ひずみxの大きさと電界の関係を説明します IS なので x = d.E.

3.圧電電圧定数g

g 外部応力Xと誘導電界Eの関係を次のように定義します。 E = g.X.
関係を使用する P = d.X. 私たちは述べることができます g = d /ε0.ε。 どこ ε=誘電率。

4.機械的品質係数QM

このパラメータは、のシャープネスを特徴づけます 電気機械共振システム。

QM =ω0/2ω。

5.音響インピーダンスZ

このパラメータは、2つの材料間の音響エネルギー伝達を評価します。これは次のように定義されます

Z2 =(圧力/体積速度)。

固体材料で Z = √ρ.√ϲ ここで、ρは密度、ϲは密度です。 弾性剛性 材料の。

圧電特性表

特徴

シンボル

単位

BaTiO3

月曜日

PVDF

密度

-

103kg / m3

5.7

7.5

1.78

比誘電率

EU0

-17001200

12

圧電

d31

10-12C / N

78

110

2. 3

絶え間ない

g3110-3Vm / N510

216

電圧定数

311kHzで2130

12

  • ポリマーはセラミックに比べて圧電定数が低くなっています。
  • 同じ量の電圧を印加した場合、セラミックベースの材料の形状変化はポリマーベースの材料の形状変化よりも大きくなります。
  • の圧電電圧係数 PVDF makeはより良い素材です センサーアプリケーション
  • 電気機械結合係数が大きいため、 月曜日 機械的応力を電気エネルギーに変換する必要があるアプリケーションで使用されます。
  • 選択するために考慮すべき3つのパラメータ 圧電材料 機械的共振下で動作するアプリケーションの場合 機械的品質係数電気機械結合係数 、および 誘電率 。これらのパラメータの大きさが大きいほど、アプリケーションの材料になります。
  • 大きい材料 圧電ひずみ係数 、大 非ヒステリシスひずみレベル に最適です アクチュエータ
  • 高い材料 電気機械結合係数 そして 高い誘電率 として最高です トランスデューサー
  • 低誘電損失 で使用される材料にとって重要です オフレゾナンス周波数 低発熱を説明するアプリケーション。

これらの物理的、物質的、 電気機械的特性 圧電材料を簡単に区別できます。これらの特性は、アプリケーションに最適な圧電材料を選択するのに役立ちます。アプリケーションにどの材料を使用しましたか?既存の材料の制限を克服するには、どのような変更が必要ですか?