П’єзокераміка, також відома як п’єзоелектрична кераміка, — це клас матеріалів, що виявляють п’єзоелектричний ефект, тобто здатність генерувати електричний заряд у відповідь на прикладене механічне напруження або деформацію, і навпаки, створювати механічну деформацію під дією електричного поля. Ці матеріали мають вирішальне значення в різних технологічних застосуваннях, включаючи датчики, актуатори, перетворювачі та ультразвукові пристрої. На відміну від природних п’єзоелектричних кристалів, таких як кварц, п’єзокераміка є полікристалічними матеріалами, які можна виготовляти в різних формах і розмірах, що забезпечує більшу гнучкість дизайну. Ця стаття містить технічний огляд п’єзокераміки, її типів, властивостей та застосувань.

1. Типи п’єзокераміки

П’єзокераміка виготовляється в різних формах для задоволення різних вимог застосувань. До поширених типів належать:

Тип	Опис	Типові застосування
П’єзокерамічне кільце	Кільцеподібний п’єзокерамічний елемент.	Ультразвукове очищення, потужні перетворювачі.
П’єзокерамічний диск	Плоский круглий п’єзокерамічний елемент.	Датчики, актуатори, ультразвукові перетворювачі.
П’єзокерамічна трубка	Порожнистий циліндричний п’єзокерамічний елемент.	Ультразвукові витратоміри, медичні ультразвукові пристрої.
П’єзокерамічний циліндр	Суцільний циліндричний п’єзокерамічний елемент.	Потужні ультразвукові перетворювачі, вібраційні двигуни.
П’єзокерамічна куля/півкуля	Сферичний або напівсферичний п’єзокерамічний елемент.	Фокусовані ультразвукові перетворювачі, медична візуалізація.
П’єзокераміка квадратна/прямокутна	Плоский квадратний або прямокутний п’єзокерамічний елемент.	Лінійні актуатори, датчики, універсальні перетворювачі.

2. П’єзоелектричний матеріал PZT8

PZT8 — це специфічний тип матеріалу на основі цирконату-титанату свинцю (PZT), відомий своїм високим механічним добротним фактором, високими факторами електромеханічного зв’язку та високою стабільністю. Його характеристики роблять його придатним для потужних застосувань:

• Високий механічний добротний фактор: Забезпечує ефективне перетворення енергії, зменшуючи втрати енергії.
• Високі фактори електромеханічного зв’язку: Забезпечують сильну взаємодію між електричною та механічною енергією, покращуючи продуктивність.
• Висока стабільність: Забезпечує надійну роботу в різних умовах.
• Низький фактор розсіювання: Мінімізує розсіювання енергії, підвищуючи ефективність.
• Сумісність з високими напругами та механічними навантаженнями: Робить його придатним для вимогливих застосувань.

Ці властивості роблять PZT8 ідеальним для використання в ультразвукових чистачках, ультразвукових зварювальних машинах, ультразвукових детекторах, ультразвукових двигунах та потужних перетворювачах, які часто зустрічаються в обладнанні, виробленому такими компаніями, як Beijing Ultrasonic.

3. П’єзоелектричний матеріал PZT4

PZT4 — це інший тип PZT-кераміки, яка має схожі характеристики з PZT8, але в основному використовується в середньопотужних передавальних та приймальних застосуваннях. Ключові властивості включають:

• Схожі характеристики з PZT8, але з акцентом на застосування середнього діапазону потужності.
• Придатний для ультразвукового очищення, ультразвукового зварювання та вібраційних двигунів.
• Ефективний у високочастотних перетворювачах та датчиках тиску навантаження.

4. П’єзоелектричний матеріал PZT5

PZT5 — це “м’який” п’єзоелектричний матеріал, що характеризується великими переміщеннями та високою чутливістю. Його унікальні характеристики включають:

• Здатність до великих переміщень: Дозволяє здійснювати значні механічні переміщення у відповідь на прикладене електричне поле.
• Висока чутливість: Сильно реагує на прикладене напруження або деформацію.
• Придатний для застосувань, що вимагають точної контролю та виявлення: Наприклад, витратоміри, медичний ультразвук, датчики рівня та мікрофони.

5. Матеріал та структура

П’єзокераміка характеризується нецентросиметричною кристалічною структурою, що забезпечує п’єзоелектричний ефект. Хоча деякі природні кристали мають цю властивість, більшість п’єзокераміки виробляється штучно. Ключові матеріали включають:

• Цирконат-титанат свинцю (PZT): Найбільш широко використовуваний матеріал завдяки своїм відмінним п’єзоелектричним властивостям.
• Титанат барію: Інша поширена кераміка, що виявляє п’єзоелектричну поведінку.
• Титанат свинцю: Матеріал з іншими п’єзоелектричними характеристиками, придатний для специфічних застосувань.

На відміну від монокристалів, які потрібно різати вздовж певних напрямків, кераміку можна легко формувати та виготовляти. Найпоширенішою кристалічною структурою в цій кераміці є перовскітна структура із загальною формулою ABO3.

6. Процес поляризації

П’єзокераміка складається з дрібних зерен (кристалітів), кожне з яких містить домени, де полярні напрямки узгоджені. До процесу поляризації ці домени орієнтовані випадковим чином, що призводить до нульової результуючої поляризації. Застосування високого постійного електричного поля під час поляризації вирівнює ці домени у напрямку поля, що призводить до залишкової поляризації та надає п’єзоелектричних властивостей.

7. Легування та властивості

Структура Перовскіта має високу толерантність до заміщення елементів (легування). Навіть невеликі кількості домішок можуть викликати значні зміни властивостей матеріалу, що дозволяє адаптувати п’єзокераміку для конкретних застосувань.

8. Визначальні рівняння

П’єзоелектричний ефект є спрямованим і може бути описаний за допомогою системи координат, де вісь 3 паралельна напрямку поляризації. Залежність між деформацією (S), напругою (T) та електричним полем (E) задається рівнянням:

S = sE.T + d.E

Де:

• S – тензор деформації
• T – тензор напружень
• E – вектор електричного поля
• sE – механічна податливість при постійному електричному полі
• d – п’єзоелектричний коефіцієнт

Доданок sE.T представляє механічну податливість, тоді як доданок d.E описує п’єзоелектричний ефект, тобто деформацію, викликану електричним полем. Ці рівняння мають вирішальне значення для проектування п’єзоелектричних пристроїв.

П’єзокераміка є важливим матеріалом у сучасних технологіях, пропонуючи широкий спектр застосувань завдяки своїм унікальним п’єзоелектричним властивостям. Здатність перетворювати механічну та електричну енергію робить їх критично важливими у різних галузях, включаючи промисловість, медицину та побутову електроніку. Різноманітність матеріалів, форм та властивостей п’єзокераміки дозволяє створювати високоспеціалізовані застосування. Виробники, такі як Beijing Ultrasonic, використовують ці матеріали для створення складного обладнання, такого як ультразвукові очищувачі та перетворювачі. Розуміння технічних аспектів п’єзокераміки, включаючи її структуру, процес поляризації та визначальні рівняння, є важливим для її ефективного застосування та подальшого розвитку.