Piezokeramik, även känd som piezoelektrisk keramik, är en klass av material som uppvisar den piezoelektriska effekten, vilket är förmågan att generera en elektrisk laddning som svar på applicerad mekanisk spänning eller töjning, och omvänt att producera mekanisk töjning när den utsätts för ett elektriskt fält. Dessa material är avgörande i olika tekniska tillämpningar, inklusive sensorer, aktuatorer, omvandlare och ultraljudsenheter. Till skillnad från naturligt förekommande piezoelektriska kristaller som kvarts är piezokeramik polykristallina material som kan tillverkas i olika former och storlekar, vilket ger större designflexibilitet. Denna artikel ger en teknisk översikt över piezokeramik, dess typer, egenskaper och tillämpningar.

1. Typer av piezokeramik

Piezokeramik tillverkas i en mängd olika former för att möta olika applikationskrav. Några vanliga typer inkluderar:

Typ	Beskrivning	Typiska tillämpningar
Piezokeramisk ring	Ett ringformat piezokeramiskt element.	Ultraljudsrengöring, högeffektsomvandlare.
Piezokeramisk skiva	Ett platt, cirkulärt piezokeramiskt element.	Sensorer, aktuatorer, ultraljudsomvandlare.
Piezokeramiskt rör	Ett ihåligt, cylindriskt piezokeramiskt element.	Ultraljudsflödesmätare, medicinska ultraljudsenheter.
Piezokeramisk cylinder	Ett massivt, cylindriskt piezokeramiskt element.	Högeffektsultraljudsomvandlare, vibrationsmotorer.
Piezokeramisk sfär/hemisfär	Ett sfäriskt eller halvsfäriskt piezokeramiskt element.	Fokuserade ultraljudsomvandlare, medicinsk avbildning.
Piezokeramisk kvadratisk/rektangulär	Ett platt, kvadratiskt eller rektangulärt piezokeramiskt element.	Linjära aktuatorer, sensorer, allmänna omvandlare.

2. Piezoelektriskt material PZT8

PZT8 är en specifik typ av blyzirkonattitanat (PZT)-material känt för sin höga mekaniska kvalitetsfaktor, höga elektromekaniska kopplingsfaktorer och hög stabilitet. Dess egenskaper gör det lämpligt för högeffektstillämpningar:

• Hög mekanisk kvalitetsfaktor: Möjliggör effektiv energiomvandling, minskar energiförlust.
• Höga elektromekaniska kopplingsfaktorer: Säkerställer en stark interaktion mellan elektrisk och mekanisk energi, förbättrar prestanda.
• Hög stabilitet: Ger pålitlig prestanda under varierande förhållanden.
• Låg dissipationsfaktor: Minimera energiförlust, förbättrar effektivitet.
• Kompatibilitet med höga spänningar och mekaniska laster: Gör det lämpligt för krävande tillämpningar.

Dessa egenskaper gör PZT8 idealisk för användning i ultraljudsrengörare, ultraljudsvetsmaskiner, ultraljudsdetektorer, ultraljudsmotorer och högeffektsomvandlare, ofta återfinns i utrustning tillverkad av företag som Beijing Ultrasonic.

3. Piezoelektriskt material PZT4

PZT4 är en annan typ av PZT-keramik som delar liknande egenskaper med PZT8 men främst används i medeleffektssändnings- och mottagningsapplikationer. Viktiga egenskaper inkluderar:

• Liknande egenskaper som PZT8, men med fokus på medeleffektsapplikationer.
• Lämplig för ultraljudsrengöring, ultraljudsvetsning och vibrationsmotorer.
• Effektiv i högfrekventa omvandlare och trycksensorer för spänning.

4. Piezoelektriskt material PZT5

PZT5 är ett ”mjukt” piezoelektriskt material som kännetecknas av sina stora förskjutningar och hög känslighet. Dess unika egenskaper inkluderar:

• Stor förskjutningsförmåga: Tillåter betydande mekanisk rörelse som svar på ett applicerat elektriskt fält.
• Hög känslighet: Reagerar kraftfullt på applicerad spänning eller töjning.
• Lämplig för tillämpningar som kräver fin kontroll och detektering: Såsom flödesmätare, medicinskt ultraljud, nivåsensorer och mikrofoner.

5. Material och struktur

Piezokeramik kännetecknas av en icke-centrosymmetrisk kristallstruktur som möjliggör den piezoelektriska effekten. Medan vissa naturliga kristaller besitter denna egenskap är de flesta piezokeramiker artificiellt producerade. Viktiga material inkluderar:

• Blyzirkonattitanat (PZT): Det mest använda materialet på grund av dess utmärkta piezoelektriska egenskaper.
• Bariumtitanat: En annan vanlig keramik som uppvisar piezoelektriskt beteende.
• Blytitanat: Ett material med olika piezoelektriska egenskaper lämpliga för specifika tillämpningar.

Till skillnad från enkla kristaller som behöver skäras längs vissa riktningar kan keramik enkelt formas och tillverkas. Den vanligaste kristallstrukturen i dessa keramiker är Perovskit-strukturen, med den allmänna formeln ABO3.

6. Poleringsprocessen

Piezokeramik består av små kristallkorn, där varje korn innehåller domäner med sammanfallande polarriktningar. Innan polariseringsprocessen är dessa domäner slumpmässigt orienterade, vilket resulterar i en nettopolarisering på noll. Genom att applicera ett högt likspänningsfält under polariseringen riktas domänerna i fältets riktning, vilket leder till kvarstående polarisering och skapar piezoelektriska egenskaper.

7. Dopning och egenskaper

Perovskitstrukturen är mycket tolerant för elementsubstitution (dopning). Även små mängder dopantmedel kan orsaka betydande förändringar i materialets egenskaper, vilket möjliggör anpassning av piezokeramik för specifika tillämpningar.

8. Konstitutiva ekvationer

Den piezoelektriska effekten är riktningsberoende och kan beskrivas med ett koordinatsystem där axel 3 är parallell med polariseringsriktningen. Sambandet mellan töjning (S), spänning (T) och elektriskt fält (E) ges av:

S = sE.T + d.E

Där:

• S är töjningstensorn
• T är spänningstensorn
• E är den elektriska fältvektorn
• sE är den mekaniska eftergivenheten vid konstant elektriskt fält
• d är den piezoelektriska koefficienten

Termen sE.T representerar den mekaniska eftergivenheten, medan termen d.E beskriver den piezoelektriska effekten, det vill säga töjningen som induceras av det elektriska fältet. Dessa ekvationer är avgörande för att designa piezoelektriska tillämpningar.

Piezokeramik är essentiella material inom modern teknik och erbjuder ett brett spektrum av tillämpningar tack vare sina unika piezoelektriska egenskaper. Förmågan att omvandla mekanisk och elektrisk energi gör dem avgörande inom olika sektorer, inklusive industri, medicin och konsumentelektronik. Det mångsidiga utbudet av material, former och egenskaper hos piezokeramik möjliggör mycket specialiserade applikationer. Tillverkare som Beijing Ultrasonic använder dessa material för att skapa sofistikerad utrustning som ultraljudsrengörare och transducrar. Förståelse för de tekniska aspekterna av piezokeramik, inklusive struktur, polariseringsprocess och konstitutiva ekvationer, är avgörande för deras effektiva tillämpning och fortsatta utveckling.