أنواع مواد بيزو الكهربائية - الخصائص والخصائص

مع خصائصها المدهشة ل إنتاج الكهرباء من الاهتزازات غير المستخدمة للأجهزة ، مواد كهرضغطية تظهر كحصادات ثورية للطاقة. بسبب البحث الذي تم إجراؤه على هذه المواد ، يوجد اليوم مجموعة واسعة من المواد الكهرضغطية للاختيار من بينها. مواصفات مختلفة تميز هذه المواد. ولكن ، كيف نختار مادة لمتطلباتنا؟ عن ماذا تبحث؟ ما هي انواع من كهرضغطية المواد؟ في هذه المقالة ، ننظر في أنواع مختلفة من المواد الكهرضغطية إلى جانب خصائصها. تصف المقالة المزايا الخمس الأساسية التي يجب البحث عنها أثناء اختيار مادة كهرضغطية للمنتج.

أنواع المواد الكهرضغطية

تشمل الأنواع المختلفة من المواد الكهرضغطية ما يلي.

أنواع المواد الكهرضغطية

1) .الوجود الطبيعي

هذه البلورات هي عوازل متباينة الخواص مع شبكة بلورية غير متناظرة. المواد البلورية مثل الكوارتز ، ملح روشيل ، التوباز ، معادن مجموعة التورمالين ، وبعض المواد العضوية مثل الحرير ، والخشب ، والمينا ، والعظام ، والشعر ، والمطاط ، وعاج الأسنان تندرج تحت هذه الفئة.

2). مواد اصطناعية من صنع الإنسان

المواد مع الخصائص الفيروكهربائية تستخدم لتحضير المواد الكهرضغطية. يتم تجميع المواد من صنع الإنسان في خمس فئات رئيسية - نظائر الكوارتز والسيراميك والبوليمرات والمركبات والأغشية الرقيقة .

• البوليمرات : بولي فينيلدين ديفلورايد ، PVDF أو PVF2.
• المركبات : Piezocomposites هي ترقية البوليمرات . يمكن أن تكون من نوعين:
  بوليمر بيزو حيث يتم غمر مادة كهرضغطية في مصفوفة سلبية كهربائيا .
  مركبات بيزو المصنوعة باستخدام مثالين مختلفين من السيراميك ألياف BaTiO3 تعزيز أ مصفوفة PZT .
• كهرضغطية من صنع الإنسان مع هيكل بلوري مثل البيروفسكايت : تيتانات الباريوم ، تيتانات الرصاص ، تيتانات زركونات الرصاص (PZT) ، نيوبات البوتاسيوم ، نيوبات الليثيوم ، تيتانات الليثيوم ، وغيرها من المواد الخالية من الرصاص سيراميك كهرضغطية.

خصائص المواد الكهرضغطية المختلفة

تشمل خصائص المواد الكهرضغطية المختلفة ما يلي.

كوارتز

• الكوارتز هو أكثر المواد البلورية الكهروضغطية شيوعًا. تظهر المواد البلورية المفردة خواص مختلفة للمواد اعتمادًا على القطع واتجاه انتشار الموجة السائبة. كوارتز مذبذب يتم تشغيلها في وضع قص السماكة من AT-cut وتستخدم في أجهزة الكمبيوتر وأجهزة التلفزيون وأجهزة VCR.
• في S.A.W. يتم استخدام أجهزة الكوارتز ST-cut مع انتشار X. الكوارتز له عامل جودة ميكانيكي عالي للغاية متر مربع> 105.

ليثيوم نيوبات وليثيوم تنتاليت

• تتكون هذه المواد من الأكسجين ثماني السطوح.
• درجة حرارة كوري من هذه المواد 1210 و 6600 ج على التوالي.
• تحتوي هذه المواد على معامل اقتران كهروميكانيكي مرتفع للموجة الصوتية السطحية.

تيتانات الباريوم

• هذه المواد مع شوائب مثل Pb أو Ca أيونات يمكن أن تستقر في المرحلة الرباعية على نطاق أوسع من درجات الحرارة.
• هذه تستخدم في البداية ل لانجفين الهزازات الكهروضغطية من نوع.

الإثنين

• يوفر تعاطي المنشطات PZT مع أيونات مانحة مثل Nb5 + أو Tr5 + مركبات PZT ناعمة مثل PZT-5.
• يوفر تعاطي المنشطات PZT مع أيونات مستقبلية مثل Fe3 + أو Sc3 + مركبات PZT الصلبة مثل PZT-8.

تيتانات الرصاص سيراميك

• يمكن أن ينتج عن ذلك تصوير واضح بالموجات فوق الصوتية بسبب وجود اقتران مستو منخفض للغاية.
• في الآونة الأخيرة ، بالموجات فوق الصوتية محولات الطاقة والمشغلات الكهروميكانيكية يتم تطوير مواد إرخاء بلورية مفردة ذات حدود طور شكلي (MPB).

بوليمرات كهرضغطية

البوليمرات الكهرضغطية لها خصائص مشتركة معينة مثل

• ثابت d كهرضغطية صغير مما يجعلها اختيارًا جيدًا للمشغل.
• ثابت g كبير مما يجعلها اختيارًا جيدًا كأجهزة استشعار .
• تتمتع هذه المواد بمقاومة صوتية جيدة تتوافق مع الماء أو جسم الإنسان بسبب الوزن الخفيف والمرونة الناعمة.
• النطاق الترددي الرنيني الواسع بسبب انخفاض إدارة الجودة.
• يتم اختيار هذه المواد بدرجة عالية الميكروفونات الاتجاهية و الماء بالموجات فوق الصوتية.

مركبات كهرضغطية

• المركبات الكهروإجهادية المكونة من السيراميك الكهرضغطية ومراحل البوليمر تشكل مواد كهرضغطية ممتازة
• عامل اقتران عالي ، مقاومة صوتية منخفضة ، المرونة الميكانيكية تميز هذه المواد.
• تستخدم هذه المواد بشكل خاص لتطبيقات السونار تحت الماء والتشخيص الطبي بالموجات فوق الصوتية.

الأغشية الرقيقة

لأجهزة الموجات الصوتية السطحية والصوتية السائبة ، أغشية رقيقة من ZnO تستخدم على نطاق واسع بسبب وجود اقتران كهرضغطية كبير.

ما هي أفضل مادة كهرضغطية؟

يتم اختيار المواد الكهرضغطية بناءً على متطلبات تطبيقاتنا. يمكن اعتبار المواد التي يمكن أن تلبي متطلباتنا بسهولة هي الأفضل. هناك عدد قليل من العوامل التي يجب مراعاتها عند اختيار المواد الكهرضغطية.

المزايا الخمس الهامة للكهرباء الانضغاطية هي

1. عامل الاقتران الكهروميكانيكي k

k2 = (الطاقة الميكانيكية المخزنة / الطاقة الكهربائية المدخلة) أو
k2 = (الطاقة الكهربائية المخزنة / الطاقة الميكانيكية المدخلة)

2. ثابت الانفعال الكهرضغطية د

يصف علاقة حجم الإجهاد المستحث x بالمجال الكهربائي يكون مثل س = د.

3. ثابت الجهد الكهربائي الانضغاطي ز

ز يحدد العلاقة بين الإجهاد الخارجي X والمجال الكهربائي المستحث E على أنه E = g.X.
باستخدام العلاقة P = d.X. يمكننا القول ز = د / ε0 .ε. أين ε = السماحية.

4. عامل الجودة الميكانيكية QM

تميز هذه المعلمة حدة نظام الرنين الكهروميكانيكي.

QM = 0/2 ω.

5. المعاوقة الصوتية Z

تقوم هذه المعلمة بتقييم نقل الطاقة الصوتية بين مادتين. يتم تعريف هذا على أنه

Z2 = (سرعة الضغط / الحجم).

في المواد الصلبة Z = √ρ.√ϲ أين ρ هي الكثافة و هي صلابة مرنة من المواد.

جدول خصائص كهرضغطية

• البوليمرات لها ثابت كهرضغطية منخفض مقارنة بالسيراميك.
• يكون تغيير شكل المواد القائمة على السيراميك أكثر من المواد القائمة على البوليمر عند تطبيق نفس مقدار الجهد.
• معامل الجهد الكهرضغطية PVDF يجعل مادة أفضل لـ تطبيقات الاستشعار .
• بسبب معامل الاقتران الكهروميكانيكي الأكبر ، الإثنين يستخدم في تطبيق حيث يجب تحويل الضغط الميكانيكي إلى طاقة كهربائية.
• ثلاث معلمات للنظر في الاختيار مواد كهرضغطية للتطبيقات التي تعمل تحت الرنين الميكانيكي عامل الجودة الميكانيكية ، عامل الاقتران الكهروميكانيكي ، و ثابت العزل الكهربائي . كلما زاد حجم هذه المعلمات ، تكون المادة المستخدمة في التطبيق هي الأفضل.
• المواد ذات الحجم الكبير معامل الانفعال الكهرضغطية ، كبير مستويات السلالة غير الهستيرية هي الأفضل ل مشغل .
• مواد عالية عامل الاقتران الكهروميكانيكي و سماحية عازلة عالية هي الأفضل محولات الطاقة .
• انخفاض فقدان العازل مهم للمواد المستخدمة فيها تردد خارج الرنين تطبيقات المحاسبة لتوليد الحرارة المنخفضة.

بناءً على هذه المواد المادية الخصائص الكهروميكانيكية يمكننا بسهولة التمييز بين المواد الكهرضغطية. تساعدنا هذه الخصائص في اختيار أفضل المواد الكهرضغطية لتطبيقنا. ما هي المواد التي استخدمتها لتطبيقك؟ ما هي التعديلات المطلوبة للمواد الموجودة للتغلب على قيودها؟