Tipos de materiales piezoeléctricos: propiedades y características

Con su asombrosa característica de produce electricidad de las vibraciones no utilizadas de los dispositivos, materiales piezoeléctricos están emergiendo como recolectores de energía revolucionarios. Debido a la investigación realizada sobre estos materiales, hoy en día existe una amplia gama de materiales piezoeléctricos para elegir. Diferentes especificaciones caracterizan a estos materiales. Pero, ¿cómo elegir un material para nuestro requerimiento? ¿Qué buscar? Cuales son los tipos de piezoeléctrico materiales? En este artículo, analizamos diferentes tipos de materiales piezoeléctricos junto con sus propiedades. El artículo describe los cinco méritos básicos que se deben buscar al elegir un material piezoeléctrico para el producto.

Tipos de materiales piezoeléctricos

Los diferentes tipos de materiales piezoeléctricos incluyen los siguientes.

Tipos de materiales piezoeléctricos

1) .Natural existente

Estos cristales son dieléctricos anisotrópicos con una red cristalina no centrosimétrica. Los materiales cristalinos como el cuarzo, la sal de Rochelle, el topacio, los minerales del grupo de la turmalina y algunas sustancias orgánicas como la seda, la madera, el esmalte, los huesos, el cabello, el caucho y la dentina entran en esta categoría.

2). Materiales sintéticos artificiales

Materiales con propiedades ferroeléctricas se utilizan para preparar materiales piezoeléctricos. Los materiales artificiales se agrupan en cinco categorías principales: Análogos de cuarzo, cerámica, polímeros, compuestos y películas delgadas .

• Polímeros : Difluoruro de polivinilideno, PVDF o PVF2.
• Composicion : Piezocomposites son la actualización de piezopolímeros . Pueden ser de dos tipos:
  Polímero piezoeléctrico en el que se sumerge material piezoeléctrico en un matriz eléctricamente pasiva .
  Compuestos piezoeléctricos que se fabrican utilizando dos cerámicas diferentes ejemplo Fibras BaTiO3 reforzando un Matriz PZT .
• Piezoeléctrico artificial con estructura cristalina como perovskita : Titanato de bario, Titanato de plomo, Titanato de circonato de plomo (PZT), Niobato de potasio, Niobato de litio, Tantalato de litio y otros sin plomo cerámicas piezoeléctricas.

Propiedades de diferentes materiales piezoeléctricos

Las propiedades de diferentes materiales piezoeléctricos incluyen las siguientes.

Cuarzo

• El cuarzo es el material piezoeléctrico monocristalino más popular. Los materiales monocristalinos exhiben diferentes propiedades de material dependiendo del corte y la dirección de la propagación de la onda en masa. Cuarzo oscilador operados en el modo de corte de espesor del AT-cut se utilizan en computadoras, televisores y videograbadoras.
• En S.A.W. Se utilizan dispositivos de cuarzo ST-cut con propagación X. El cuarzo tiene un factor de calidad mecánica extremadamente alto SQM> 105.

Niobato de litio y tantalato de litio

• Estos materiales están compuestos por octaedro de oxígeno.
• La temperatura de Curie de estos materiales es 1210 y 6600c respectivamente.
• Estos materiales tienen un alto coeficiente de acoplamiento electromecánico para ondas acústicas superficiales.

Titanato de bario

• Estos materiales con dopantes como los iones Pb o Ca pueden estabilizar fase tetragonal en un rango de temperatura más amplio.
• Estos se utilizan inicialmente para Langevin de tipo vibrador piezoeléctrico.

Lun

• El dopaje de PZT con iones donantes como Nb5 + o Tr5 + proporciona PZT suaves como PZT-5.
• El dopaje de PZT con iones aceptores como Fe3 + o Sc3 + proporciona PZT duros como PZT-8.

Cerámica de titanato de plomo

• Estos pueden producir imágenes ultrasónicas claras debido a su acoplamiento plano extremadamente bajo.
• Recientemente, para ultrasonidos transductores y actuadores electromecánicos ferroeléctricos relajantes monocristalinos con límite de fase morfotrópica (MPB).

Polímeros piezoeléctricos

Los polímeros piezoeléctricos tienen ciertas características comunes como

• Pequeña constante piezoeléctrica d que los convierte en una buena opción para el actuador.
• Gran constante g que los convierte en una buena elección como sensores .
• Estos materiales tienen una buena combinación de impedancia acústica con el agua o el cuerpo humano debido a su peso ligero y elasticidad suave.
• Amplio ancho de banda de resonancia debido a un bajo QM.
• Estos materiales son altamente elegidos para micrófonos direccionales y hidrófonos ultrasónicos.

Compuestos piezoeléctricos

• Los compuestos piezoeléctricos hechos de cerámica piezoeléctrica y fases poliméricas forman excelentes materiales piezoeléctricos
• Alto factor de acoplamiento, baja impedancia acústica , la flexibilidad mecánica caracteriza a estos materiales.
• Estos materiales se utilizan especialmente para aplicaciones de transductores ultrasónicos de diagnóstico médico y sonar subacuático.

Peliculas delgadas

Para dispositivos de ondas acústicas de superficie y acústicas a granel, películas delgadas de ZnO son ampliamente utilizados debido a su gran acoplamiento piezoeléctrico.

¿Cuál es el mejor material piezoeléctrico?

Los materiales piezoeléctricos se eligen en función de los requisitos de nuestras aplicaciones. El material que podría cumplir fácilmente con nuestros requisitos puede considerarse el mejor. Hay algunos factores que se deben considerar al elegir materiales piezoeléctricos.

Los cinco importantes méritos del piezoeléctrico son

1. El factor de acoplamiento electromecánico k

k2 = (Energía mecánica almacenada / Energía eléctrica de entrada) o
k2 = (Energía eléctrica almacenada / Energía mecánica de entrada)

2. Constante de deformación piezoeléctrica d

Describe la relación de la magnitud de la deformación inducida x con el campo eléctrico ES como x = d.E.

3. Constante de voltaje piezoeléctrico g

gramo define la relación entre la tensión externa X y el campo eléctrico inducido E como E = g.X.
Usando la relación P = d.X. podemos decir g = d / ε0 .ε. dónde ε = permitividad.

4. Factor de calidad mecánica QM

Este parámetro caracteriza la nitidez de la sistema de resonancia electromecánica.

QM = ω0 / 2 ω.

5. Impedancia acústica Z

Este parámetro evalúa la transferencia de energía acústica entre dos materiales. Esto se define como

Z2 = (presión / velocidad de volumen).

En materiales sólidos Z = √ρ.√ϲ donde ρ es la densidad y ϲ es la rigidez elástica del material.

Tabla de características piezoeléctricas

• Los polímeros tienen una constante piezoeléctrica baja en comparación con la cerámica.
• El cambio de forma de los materiales a base de cerámica es mayor que el de los materiales a base de polímeros cuando se aplica la misma cantidad de voltaje.
• Coeficiente de voltaje piezoeléctrico de PVDF hace que sea un mejor material para aplicaciones de sensores .
• Debido al mayor coeficiente de acoplamiento electromecánico, Lun se utiliza en una aplicación en la que la tensión mecánica debe convertirse en energía eléctrica.
• Tres parámetros a considerar para seleccionar materiales piezoeléctricos para aplicaciones que trabajan bajo resonancia mecánica son el factor de calidad mecánica , factor de acoplamiento electromecánico , y constante dieléctrica . Cuanto mayor sea la magnitud de estos parámetros, mejor es el material para la aplicación.
• Materiales con grandes coeficiente de deformación piezoeléctrica , grande niveles de deformación no histerética son mejores para un actuador .
• Materiales con alto factor de acoplamiento electromecánico y alta permitividad dieléctrica son mejores como transductores .
• Pérdida dieléctrica baja es importante para los materiales utilizados en frecuencia fuera de resonancia aplicaciones que tienen en cuenta la baja generación de calor

Basado en estos físicos, materiales, propiedades electromecanicas podemos distinguir fácilmente entre materiales piezoeléctricos. Estas propiedades nos ayudan a elegir el mejor material piezoeléctrico para nuestra aplicación. ¿Qué material ha utilizado para su aplicación? ¿Qué modificaciones se requieren para que los materiales existentes superen sus limitaciones?