Tipos de materiais elétricos piezoelétricos - propriedades e características

Com sua incrível característica de produzir eletricidade de vibrações não utilizadas dos dispositivos, materiais piezoelétricos estão emergindo como colheitadeiras de energia revolucionárias. Devido à pesquisa feita com esses materiais, hoje existe uma grande variedade de materiais piezoelétricos para escolher. Diferentes especificações caracterizam esses materiais. Mas, como escolher um material para nossa necessidade? O que procurar? O que são as tipos de piezoelétrico materiais? Neste artigo, examinamos diferentes tipos de materiais piezoelétricos juntamente com suas propriedades. O artigo descreve os cinco méritos básicos a serem observados ao escolher um material piezoelétrico para o produto.

Tipos de materiais piezoelétricos

Os diferentes tipos de materiais piezoelétricos incluem o seguinte.

Tipos de materiais piezoelétricos

1) .Natural existente

Esses cristais são dielétricos anisotrópicos com estrutura cristalina não centrosimétrica. Materiais cristalinos como quartzo, sal de Rochelle, topázio, minerais do grupo da turmalina e algumas substâncias orgânicas como seda, madeira, esmalte, osso, cabelo, borracha e dentina estão nesta categoria.

2). Materiais Sintéticos Manufaturados

Materiais com propriedades ferroelétricas são usados ​​para preparar materiais piezoelétricos. Os materiais sintéticos são agrupados em cinco categorias principais - Análogos de quartzo, cerâmicas, polímeros, compostos e filmes finos .

• Polímeros : Difluoreto de polivinilideno, PVDF ou PVF2.
• Compósitos : Piezocompósitos são a atualização de piezopolímeros . Eles podem ser de dois tipos:
  Piezo polímero em que o material piezoelétrico é imerso em um matriz eletricamente passiva .
  Compósitos piezoelétricos que são feitos usando dois exemplos de cerâmica diferentes Fibras de BaTiO3 reforçando um Matriz PZT .
• Piezoelétrico sintético com estrutura cristalina como perovskita : Titanato de bário, titanato de chumbo, titanato de zirconato de chumbo (PZT), niobato de potássio, niobato de lítio, tantalato de lítio e outros sem chumbo cerâmicas piezoelétricas.

Propriedades de diferentes materiais piezoelétricos

As propriedades de diferentes materiais piezoelétricos incluem o seguinte.

Quartzo

• O quartzo é o material piezoelétrico de cristal único mais popular. Os materiais de cristal único exibem diferentes propriedades do material, dependendo do corte e da direção da propagação da onda volumosa. Quartzo oscilador operados no modo de cisalhamento de espessura do corte AT são usados ​​em computadores, TVs e videocassetes.
• Em S.A.W. dispositivos ST-cut quartzo com X-propagation é usado. O quartzo tem fator de qualidade mecânica extremamente alto SQM> 105.

Niobato de Lítio e Tantalato de Lítio

• Esses materiais são compostos de octaedro de oxigênio.
• A temperatura de Curies desses materiais é 1210 e 6600c respectivamente.
• Esses materiais possuem um alto coeficiente de acoplamento eletromecânico para onda acústica de superfície.

Titanato de bário

• Esses materiais com dopantes como íons de Pb ou Ca podem estabilizar o fase tetragonal em uma faixa de temperatura mais ampla.
• Estes são usados ​​inicialmente para Langevin vibradores piezoelétricos do tipo.

seg

• A dopagem de PZT com íons doadores, como Nb5 + ou Tr5 +, fornece PZTs suaves como PZT-5.
• A dopagem de PZT com íons aceitadores como Fe3 + ou Sc3 + fornece PZTs duros como PZT-8.

Cerâmica Titanato de Chumbo

• Estes podem produzir imagens ultrassônicas nítidas devido ao acoplamento planar extremamente baixo.
• Recentemente, para ultrassom transdutores e atuadores eletromecânicos ferroelétricos relaxores de cristal único com limite de fase morfotrópica (MPB) estão sendo desenvolvidos.

Polímeros piezoelétricos

Os polímeros piezoelétricos têm certas características comuns como

• Constante d piezoelétrica pequena que os torna uma boa escolha para o atuador.
• Grande constante g, o que os torna uma boa escolha como sensores .
• Esses materiais têm boa impedância acústica combinando com água ou corpo humano devido ao seu peso leve e elasticidade macia.
• Largura de banda de ressonância ampla devido ao baixo QM.
• Esses materiais são altamente escolhidos microfones direcionais e hidrofones ultrassônicos.

Compósitos Piezoelétricos

• Compósitos piezoelétricos feitos de cerâmica piezoelétrica e fases de polímero formam excelentes materiais piezoelétricos
• Alto fator de acoplamento, baixa impedância acústica , a flexibilidade mecânica caracteriza esses materiais.
• Esses materiais são usados ​​especialmente para aplicações de sonar subaquático e transdutor ultrassônico de diagnóstico médico.

Filmes finos

Para dispositivos de ondas acústicas de superfície e acústicas em massa, filmes finos de ZnO são amplamente utilizados devido ao grande acoplamento piezoelétrico.

Qual é o melhor material piezoelétrico?

Os materiais piezoelétricos são escolhidos com base nos requisitos de nossas aplicações. O material que pode facilmente atender às nossas necessidades pode ser considerado o melhor. Existem alguns fatores a serem considerados ao escolher materiais piezoelétricos.

Os cinco méritos importantes do piezoelétrico são

1 O fator de acoplamento eletromecânico k

k2 = (energia mecânica armazenada / energia elétrica de entrada) ou
k2 = (energia elétrica armazenada / energia mecânica de entrada)

2. Constante de deformação piezoelétrica d

Descreve a relação da magnitude da deformação induzida x com o campo elétrico É como x = d.E.

3. Constante de tensão piezoelétrica g

g define a relação entre o estresse externo X e o campo elétrico induzido E como E = g.X.
Usando a relação P = d.X. nós podemos afirmar g = d / ε0 .ε. Onde ε = permissividade.

4. Fator de qualidade mecânica QM

Este parâmetro caracteriza a nitidez do sistema de ressonância eletromecânica.

QM = ω0 / 2 ω.

5. Impedância Acústica Z

Este parâmetro avalia a transferência de energia acústica entre dois materiais. Isso é definido como

Z2 = (pressão / velocidade do volume).

Em materiais sólidos Z = √ρ.√ϲ onde ρ é a densidade e ϲ é ​​o rigidez elástica do material.

Tabela de características piezoelétricas

• Os polímeros têm baixa constante piezoelétrica em comparação com a cerâmica.
• A mudança de forma dos materiais à base de cerâmica é maior do que a dos materiais à base de polímeros quando a mesma quantidade de voltagem é aplicada.
• Coeficiente de tensão piezoelétrica de PVDF faz é um material melhor para aplicações de sensores .
• Devido ao maior coeficiente de acoplamento eletromecânico, seg é usado em uma aplicação em que o estresse mecânico deve ser convertido em energia elétrica.
• Três parâmetros a serem considerados para a seleção materiais piezoelétricos para aplicações que trabalham sob ressonância mecânica são o fator de qualidade mecânica , fator de acoplamento eletromecânico , e constante dielétrica . Quanto maior a magnitude desses parâmetros, melhor é o material para a aplicação.
• Materiais com grande coeficiente de deformação piezoelétrica , ampla níveis de tensão não histérica são melhores para um atuador .
• Materiais com alta fator de acoplamento eletromecânico e alta permissividade dielétrica são melhores como transdutores .
• Baixa perda dielétrica é importante para materiais usados ​​em frequência fora de ressonância aplicações responsáveis ​​pela baixa geração de calor.

Com base nesses materiais físicos, propriedades eletromecânicas podemos distinguir facilmente entre materiais piezoelétricos. Essas propriedades nos ajudam a escolher o melhor material piezoelétrico para nossa aplicação. Qual material você usou para sua aplicação? Quais modificações são necessárias para que os materiais existentes superem suas limitações?