Пьезокерамика, также известная как пьезоэлектрическая керамика, представляет собой класс материалов, проявляющих пьезоэлектрический эффект, то есть способность генерировать электрический заряд в ответ на приложенное механическое напряжение или деформацию и, наоборот, создавать механическую деформацию при воздействии электрического поля. Эти материалы имеют решающее значение в различных технологических приложениях, включая датчики, приводы, преобразователи и ультразвуковые устройства. В отличие от природных пьезоэлектрических кристаллов, таких как кварц, пьезокерамика представляет собой поликристаллические материалы, которые могут быть изготовлены в различных формах и размерах, что обеспечивает большую гибкость конструкции. В этой статье представлен технический обзор пьезокерамики, ее типов, свойств и областей применения.

1. Типы пьезокерамики

Пьезокерамика изготавливается в различных формах для удовлетворения различных требований применения. Некоторые распространенные типы включают:

Тип	Описание	Типичные применения
Пьезокерамическое кольцо	Кольцевой пьезокерамический элемент.	Ультразвуковая очистка, мощные преобразователи.
Пьезокерамический диск	Плоский круглый пьезокерамический элемент.	Датчики, приводы, ультразвуковые преобразователи.
Пьезокерамическая трубка	Полый цилиндрический пьезокерамический элемент.	Ультразвуковые расходомеры, медицинские ультразвуковые устройства.
Пьезокерамический цилиндр	Сплошной цилиндрический пьезокерамический элемент.	Мощные ультразвуковые преобразователи, вибрационные двигатели.
Пьезокерамический шар/полусфера	Сферический или полусферический пьезокерамический элемент.	Фокусирующие ультразвуковые преобразователи, медицинская визуализация.
Пьезокерамический квадрат/прямоугольник	Плоский квадратный или прямоугольный пьезокерамический элемент.	Линейные приводы, датчики, преобразователи общего назначения.

2. Пьезоэлектрический материал PZT8

PZT8 — это специфический тип материала на основе цирконата-титаната свинца (PZT), известный своим высоким механическим добротным фактором, высокими электромеханическими коэффициентами связи и высокой стабильностью. Его характеристики делают его подходящим для мощных применений:

• Высокий механический добротный фактор: Обеспечивает эффективное преобразование энергии, снижая потери энергии.
• Высокие электромеханические коэффициенты связи: Гарантирует сильное взаимодействие между электрической и механической энергией, повышая производительность.
• Высокая стабильность: Обеспечивает надежную работу в различных условиях.
• Низкий коэффициент рассеяния: Минимизирует рассеяние энергии, повышая эффективность.
• Совместимость с высокими напряжениями и механическими нагрузками: Делает его пригодным для требовательных применений.

Эти свойства делают PZT8 идеальным для использования в ультразвуковых очистителях, ультразвуковых сварочных аппаратах, ультразвуковых детекторах, ультразвуковых двигателях и мощных преобразователях, часто встречающихся в оборудовании, производимом такими компаниями, как Beijing Ultrasonic.

3. Пьезоэлектрический материал PZT4

PZT4 — это еще один тип PZT-керамики, который имеет схожие характеристики с PZT8, но в основном используется в приложениях средней мощности для передачи и приема. Ключевые свойства включают:

• Схожие характеристики с PZT8, но с акцентом на приложения средней мощности.
• Подходит для ультразвуковой очистки, ультразвуковой сварки и вибрационных двигателей.
• Эффективен в высокочастотных преобразователях и датчиках давления напряжения.

4. Пьезоэлектрический материал PZT5

PZT5 — это «мягкий» пьезоэлектрический материал, характеризующийся большими смещениями и высокой чувствительностью. Его уникальные характеристики включают:

• Способность к большому смещению: Позволяет осуществлять значительное механическое движение в ответ на приложенное электрическое поле.
• Высокая чувствительность: Сильно реагирует на приложенное напряжение или деформацию.
• Подходит для применений, требующих точного управления и обнаружения: Таких как расходомеры, медицинский ультразвук, датчики уровня и микрофоны.

5. Материал и структура

Пьезокерамика характеризуется нецентросимметричной кристаллической структурой, обеспечивающей пьезоэлектрический эффект. Хотя некоторые природные кристаллы обладают этим свойством, большинство пьезокерамики производится искусственно. Ключевые материалы включают:

• Цирконат-титанат свинца (PZT): Наиболее широко используемый материал благодаря своим превосходным пьезоэлектрическим свойствам.
• Титанат бария: Еще одна распространенная керамика, проявляющая пьезоэлектрическое поведение.
• Титанат свинца: Материал с другими пьезоэлектрическими характеристиками, подходящий для специфических применений.

В отличие от монокристаллов, которые необходимо разрезать вдоль определенных направлений, керамику можно легко формовать и изготавливать. Наиболее распространенной кристаллической структурой в этой керамике является структура перовскита с общей формулой ABO3.

6. Процесс поляризации

Пьезокерамика состоит из мелких зерен (кристаллитов), каждое из которых содержит домены, где направления поляризации выровнены. До процесса поляризации эти домены ориентированы случайным образом, что приводит к нулевой суммарной поляризации. Приложение высокого постоянного электрического поля во время поляризации выравнивает эти домены в направлении поля, что приводит к остаточной поляризации и обеспечивает пьезоэлектрические свойства.

7. Легирование и свойства

Структура перовскита обладает высокой толерантностью к замещению элементов (легированию). Даже небольшие количества легирующих добавок могут вызывать значительные изменения свойств материала, позволяя адаптировать пьезокерамику для конкретных применений.

8. Определяющие уравнения

Пьезоэлектрический эффект является направленным и может быть описан с использованием системы координат, где ось 3 параллельна направлению поляризации. Связь между деформацией (S), напряжением (T) и электрическим полем (E) задается уравнением:

S = sE.T + d.E

Где:

• S — тензор деформации
• T — тензор напряжений
• E — вектор электрического поля
• sE — механическая податливость при постоянном электрическом поле
• d — пьезоэлектрический коэффициент

Член sE.T представляет механическую податливость, тогда как член d.E описывает пьезоэлектрический эффект, т.е. деформацию, вызванную электрическим полем. Эти уравнения имеют жизненно важное значение для разработки пьезоэлектрических применений.

Пьезокерамика — это важнейшие материалы в современной технологии, предлагающие широкий спектр применений благодаря своим уникальным пьезоэлектрическим свойствам. Способность преобразовывать механическую и электрическую энергию делает их критически важными в различных секторах, включая промышленность, медицину и потребительскую электронику. Разнообразие материалов, форм и свойств пьезокерамики позволяет создавать высокоспециализированные применения. Производители, такие как Beijing Ultrasonic, используют эти материалы для создания сложного оборудования, такого как ультразвуковые очистители и преобразователи. Понимание технических аспектов пьезокерамики, включая её структуру, процесс поляризации и определяющие уравнения, необходимо для её эффективного применения и дальнейшего развития.