Types de matériaux piézoélectriques - Propriétés et caractéristiques

Avec leur incroyable caractéristique à produire de l'électricité des vibrations inutilisées des appareils, matériaux piézoélectriques émergent comme des moissonneurs de pouvoir révolutionnaires. Grâce aux recherches effectuées sur ces matériaux, il existe aujourd'hui une large gamme de matériaux piézoélectriques parmi lesquels choisir. Différentes spécifications caractérisent ces matériaux. Mais, comment choisir un matériau pour notre exigence? Ce qu'il faut chercher? Que sont les types de piézoélectrique matériaux? Dans cet article, nous examinons différents types de matériaux piézoélectriques ainsi que leurs propriétés. L'article décrit les cinq avantages de base à rechercher lors du choix d'un matériau piézoélectrique pour le produit.

Types de matériaux piézoélectriques

Les différents types de matériaux piézoélectriques sont les suivants.

Types de matériaux piézoélectriques

1) .Naturel existant

Ces cristaux sont des diélectriques anisotropes avec un réseau cristallin non centrosymétrique. Les matériaux cristallins comme le quartz, le sel de Rochelle, la topaze, les minéraux du groupe de la tourmaline et certaines substances organiques comme la soie, le bois, l'émail, les os, les cheveux, le caoutchouc, la dentine entrent dans cette catégorie.

2). Matériaux synthétiques artificiels

Matériaux avec propriétés ferroélectriques sont utilisés pour préparer des matériaux piézoélectriques. Les matériaux artificiels sont regroupés en cinq catégories principales - Analogues de quartz, céramiques, polymères, composites et films minces .

• Polymères : Difluorure de polyvinylidène, PVDF ou PVF2.
• Matériaux composites : Piézocomposites sont la mise à niveau de piézopolymères . Ils peuvent être de deux types:
  Polymère piézo dans lequel un matériau piézoélectrique est immergé dans un matrice électriquement passive .
  Composites piézoélectriques fabriqués à l'aide de deux exemples de céramiques différentes Fibres BaTiO3 renforcer un Matrice PZT .
• Piézoélectrique artificiel avec structure cristalline en pérovskite : Titanate de baryum, titanate de plomb, titanate de zirconate de plomb (PZT), niobate de potassium, niobate de lithium, tantalate de lithium et autres sans plomb céramiques piézoélectriques.

Propriétés de différents matériaux piézoélectriques

Les propriétés des différents matériaux piézoélectriques comprennent les suivantes.

Quartz

• Le quartz est le matériau piézoélectrique monocristallin le plus populaire. Les matériaux monocristallins présentent des propriétés de matériau différentes selon la coupe et la direction de la propagation des ondes de volume. Quartz oscillateur fonctionnant en mode de cisaillement d'épaisseur de la coupe AT sont utilisés dans les ordinateurs, les téléviseurs et les magnétoscopes.
• Dans S.A.W. du quartz de coupe ST avec propagation X est utilisé. Le quartz a un facteur de qualité mécanique extrêmement élevé SQM> 105.

Niobate de lithium et tantalate de lithium

• Ces matériaux sont composés d'octaèdre à oxygène.
• La température de Curies de ces matériaux est 1210 et 6600c respectivement.
• Ces matériaux ont un coefficient de couplage électromécanique élevé pour les ondes acoustiques de surface.

Titanate de baryum

• Ces matériaux avec dopants tels que les ions Pb ou Ca peuvent stabiliser le phase tétragonale sur une plage de température plus large.
• Ceux-ci sont initialement utilisés pour Langevin vibrateurs piézoélectriques de type.

lun

• Le dopage du PZT avec des ions donneurs tels que Nb5 + ou Tr5 + fournit des PZT souples comme le PZT-5.
• Le dopage du PZT avec des ions accepteurs tels que Fe3 + ou Sc3 + fournit des PZT durs comme le PZT-8.

Céramique de titanate de plomb

• Ceux-ci peuvent produire une imagerie ultrasonore claire en raison de leur couplage plan extrêmement faible.
• Récemment, pour les ultrasons transducteurs et des actionneurs électromécaniques relaxeurs monocristallins ferroélectriques à frontière de phase morphotrope (MPB) sont en cours de développement.

Polymères piézoélectriques

Les polymères piézoélectriques ont certaines caractéristiques communes comme

• Petite constante piézoélectrique d qui en fait un bon choix pour l'actionneur.
• Grande constante g qui en fait un bon choix comme capteurs .
• Ces matériaux ont une bonne correspondance d'impédance acoustique avec l'eau ou le corps humain en raison de leur poids léger et de leur élasticité douce.
• Large bande passante de résonance grâce à une faible QM.
• Ces matériaux sont fortement choisis pour microphones directionnels et hydrophones à ultrasons.

Composites piézoélectriques

• Les composites piézoélectriques constitués de phases céramiques piézoélectriques et polymères forment d'excellents matériaux piézoélectriques
• Facteur de couplage élevé, faible impédance acoustique , la flexibilité mécanique caractérise ces matériaux.
• Ces matériaux sont particulièrement utilisés pour les applications de sonar sous-marin et de transducteur ultrasonique de diagnostic médical.

Films minces

Pour les appareils acoustiques en vrac et à ondes acoustiques de surface, films minces de ZnO sont largement utilisés en raison de leur important couplage piézoélectrique.

Quel est le meilleur matériau piézoélectrique?

Les matériaux piézoélectriques sont choisis en fonction des exigences de nos applications. Le matériau qui pourrait facilement répondre à nos exigences peut être considéré comme le meilleur. Il y a quelques facteurs à considérer lors du choix des matériaux piézoélectriques.

Les cinq avantages importants du piézoélectrique sont

1. Le facteur de couplage électromécanique k

k2 = (énergie mécanique stockée / énergie électrique d'entrée) ou
k2 = (énergie électrique stockée / énergie mécanique d'entrée)

2. Constante de déformation piézoélectrique d

Décrit la relation entre la grandeur de la déformation induite x et le champ électrique EST comme x = d.E.

3. Constante de tension piézoélectrique g

g définit la relation entre la contrainte externe X et le champ électrique induit E comme E = g.X.
Utiliser la relation P = d.X. nous pouvons déclarer g = d / ε0 .ε. où ε = permittivité.

4. Facteur de qualité mécanique QM

Ce paramètre caractérise la netteté du système de résonance électromécanique.

QM = ω0 / 2 ω.

5. Impédance acoustique Z

Ce paramètre évalue le transfert d'énergie acoustique entre deux matériaux. Ceci est défini comme

Z2 = (pression / vitesse volumique).

En matériaux solides Z = √ρ.√ϲ où ρ est la densité et ϲ est le rigidité élastique du matériau.

Tableau des caractéristiques piézoélectriques

• Les polymères ont une faible constante piézoélectrique par rapport aux céramiques.
• Le changement de forme des matériaux à base de céramique est plus important que celui des matériaux à base de polymère lorsque la même quantité de tension est appliquée.
• Coefficient de tension piézoélectrique de PVDF fait est un meilleur matériau pour applications de capteur .
• En raison du coefficient de couplage électromécanique plus grand, lun est utilisé dans une application où les contraintes mécaniques doivent être converties en énergie électrique.
• Trois paramètres à considérer pour la sélection matériaux piézoélectriques pour les applications fonctionnant sous résonance mécanique sont le facteur de qualité mécanique , facteur de couplage électromécanique , et constante diélectrique . Le matériau pour l'application est le meilleur choix pour ces paramètres.
• Matériaux avec de grandes coefficient de déformation piézoélectrique , grande niveaux de déformation non hystérétiques sont les meilleurs pour un actionneur .
• Matériaux à haute facteur de couplage électromécanique et permittivité diélectrique élevée sont les meilleurs comme transducteurs .
• Faible perte diélectrique est important pour les matériaux utilisés dans fréquence hors résonance applications tenant compte de la faible production de chaleur.

Sur la base de ces éléments physiques, matériels, propriétés électromécaniques on distingue facilement les matériaux piézoélectriques. Ces propriétés nous aident à choisir le meilleur matériau piézoélectrique pour notre application. Quel matériau avez-vous utilisé pour votre application? Quelles modifications sont nécessaires pour que les matériaux existants surmontent leurs limites?