Piezokeramika, známá také jako piezoelektrická keramika, je třída materiálů, které vykazují piezoelektrický jev, tedy schopnost generovat elektrický náboj v reakci na aplikované mechanické napětí nebo deformaci, a naopak vytvářet mechanickou deformaci při vystavení elektrickému poli. Tyto materiály jsou klíčové v různých technologických aplikacích, včetně senzorů, aktuátorů, měničů a ultrazvukových zařízení. Na rozdíl od přirozeně se vyskytujících piezoelektrických krystalů, jako je křemen, je piezokeramika polykrystalický materiál, který lze vyrábět v různých tvarech a velikostech, což nabízí větší flexibilitu designu. Tento článek poskytuje technický přehled piezokeramiky, jejích typů, vlastností a aplikací.

1. Typy piezokeramiky

Piezokeramika se vyrábí v různých tvarech, aby vyhovovala různým aplikačním požadavkům. Mezi běžné typy patří:

Typ	Popis	Typické aplikace
Piezokeramický kroužek	Piezokeramický prvek ve tvaru kroužku.	Ultrazvukové čištění, výkonné měniče.
Piezokeramický disk	Plochý, kruhový piezokeramický prvek.	Senzory, aktuátory, ultrazvukové měniče.
Piezokeramická trubice	Dutý, válcový piezokeramický prvek.	Ultrazvukové průtokoměry, lékařské ultrazvukové přístroje.
Piezokeramický válec	Pevný, válcový piezokeramický prvek.	Výkonné ultrazvukové měniče, vibrační motory.
Piezokeramická koule/polokoule	Kulový nebo polokulový piezokeramický prvek.	Zaostřené ultrazvukové měniče, lékařské zobrazování.
Piezokeramický čtverec/obdélník	Plochý, čtvercový nebo obdélníkový piezokeramický prvek.	Lineární aktuátory, senzory, univerzální měniče.

2. Piezoelektrický materiál PZT8

PZT8 je specifický typ materiálu z titaničitanu olovnatého zirkoničitého (PZT) známý pro svůj vysoký mechanický jakostní faktor, vysoké elektromechanické vazební faktory a vysokou stabilitu. Jeho vlastnosti jej činí vhodným pro vysokovýkonné aplikace:

• Vysoký mechanický jakostní faktor: Umožňuje efektivní přeměnu energie, snižuje energetické ztráty.
• Vysoké elektromechanické vazební faktory: Zajišťuje silnou interakci mezi elektrickou a mechanickou energií, zlepšuje výkon.
• Vysoká stabilita: Poskytuje spolehlivý výkon za různých podmínek.
• Nízký činitel ztrát: Minimalizuje disipaci energie, zlepšuje účinnost.
• Kompatibilita s vysokými napětími a mechanickými zatíženími: Činí jej vhodným pro náročné aplikace.

Tyto vlastnosti činí PZT8 ideálním pro použití v ultrazvukových čističkách, ultrazvukových svařovacích strojích, ultrazvukových detektorech, ultrazvukových motorech a výkonných měničích, které se často vyskytují ve vybavení vyráběném společnostmi jako je Beijing Ultrasonic.

3. Piezoelektrický materiál PZT4

PZT4 je další typ PZT keramiky, který sdílí podobné vlastnosti s PZT8, ale používá se především ve středně výkonných přenosových a přijímacích aplikacích. Klíčové vlastnosti zahrnují:

• Podobné vlastnosti jako PZT8, ale se zaměřením na středně výkonné aplikace.
• Vhodné pro ultrazvukové čištění, ultrazvukové svařování a vibrační motory.
• Účinné ve vysokofrekvenčních měničích a senzorech tlakového napětí.

4. Piezoelektrický materiál PZT5

PZT5 je „měkký“ piezoelektrický materiál charakterizovaný velkými posuvy a vysokou citlivostí. Jeho jedinečné vlastnosti zahrnují:

• Schopnost velkého posuvu: Umožňuje významný mechanický pohyb v reakci na aplikované elektrické pole.
• Vysoká citlivost: Silně reaguje na aplikované napětí nebo deformaci.
• Vhodné pro aplikace vyžadující jemné řízení a detekci: Jako jsou průtokoměry, lékařský ultrazvuk, hladinové senzory a mikrofony.

5. Materiál a struktura

Piezokeramika je charakterizována necentrosymetrickou krystalovou strukturou, která umožňuje piezoelektrický jev. Zatímco některé přírodní krystaly tuto vlastnost mají, většina piezokeramiky je uměle vyráběna. Mezi klíčové materiály patří:

• Titaničitan olovnatý zirkoničitý (PZT): Nejrozšířenější materiál díky svým vynikajícím piezoelektrickým vlastnostem.
• Titaničitan barnatý: Další běžná keramika vykazující piezoelektrické chování.
• Titaničitan olovnatý: Materiál s odlišnými piezoelektrickými charakteristikami vhodný pro specifické aplikace.

Na rozdíl od monokrystalů, které je třeba řezat určitými směry, lze keramiku snadno tvarovat a vyrábět. Nejběžnější krystalovou strukturou v těchto keramikách je perovskitová struktura s obecným vzorcem ABO3.

6. Proces polarizace

Piezokeramika se skládá z malých zrn (krystality), z nichž každé obsahuje domény, kde jsou polární směry zarovnány. Před procesem polarizace jsou tyto domény náhodně orientovány, což vede k nulové celkové polarizaci. Aplikace vysokého stejnosměrného elektrického pole během polarizace zarovná tyto domény ve směru pole, což vede ke zbytkové polarizaci a umožňuje piezoelektrické vlastnosti.

7. Dotování a vlastnosti

Perovskitová struktura je vysoce tolerantní k substituci prvků (dotování). I malá množství příměsí mohou způsobit významné změny vlastností materiálu, což umožňuje přizpůsobení piezokeramiky pro specifické aplikace.

8. Konstitutivní rovnice

Piezoelektrický efekt je směrový a může být popsán pomocí souřadnicového systému, kde osa 3 je rovnoběžná se směrem polarizace. Vztah mezi deformací (S), napětím (T) a elektrickým polem (E) je dán:

S = sE.T + d.E

Kde:

• S je tenzor deformace
• T je tenzor napětí
• E je vektor elektrického pole
• sE je mechanická poddajnost při konstantním elektrickém poli
• d je piezoelektrický koeficient

Člen sE.T představuje mechanickou poddajnost, zatímco člen d.E popisuje piezoelektrický efekt, tj. deformaci vyvolanou elektrickým polem. Tyto rovnice jsou klíčové pro navrhování piezoelektrických aplikací.

Piezokeramika jsou nezbytné materiály v moderní technologii, které nabízejí širokou škálu aplikací díky svým unikátním piezoelektrickým vlastnostem. Schopnost přeměňovat mechanickou a elektrickou energii je činí klíčovými v různých odvětvích, včetně průmyslového, lékařského a spotřební elektroniky. Rozmanitá škála materiálů, tvarů a vlastností piezokeramiky umožňuje vysoce specializované aplikace. Výrobci jako Beijing Ultrasonic využívají tyto materiály k vytváření sofistikovaných zařízení, jako jsou ultrazvukové čističe a měniče. Porozumění technickým aspektům piezokeramiky, včetně jejich struktury, procesu polarizace a konstitutivních rovnic, je zásadní pro jejich efektivní aplikaci a další rozvoj.