Jenis-jenis Bahan (material) Piezoelektrik - Properti, dan Karakteristik

Dengan karakteristik luar biasa mereka untuk menghasilkan listrik dari getaran perangkat yang tidak digunakan, bahan piezoelektrik muncul sebagai pemanen listrik revolusioner. Karena penelitian yang dilakukan pada bahan-bahan ini, hari ini ada berbagai bahan piezoelektrik untuk dipilih.

Spesifikasi berbeda mencirikan bahan-bahan ini. Tapi, bagaimana cara memilih bahan untuk kebutuhan kita? Apa yang dicari? Apa saja jenis bahan (material) piezoelektrik? Pada artikel ini, kita melihat berbagai jenis bahan piezoelektrik beserta sifat-sifatnya. Artikel ini menjelaskan lima manfaat dasar yang harus dicari saat memilih bahan piezoelektrik untuk produk tersebut.

Jenis Bahan (material) Piezoelektrik

Berbagai jenis bahan piezoelektrik meliputi yang berikut ini.

Bahan (material) Alami

Kristal-kristal ini adalah dielektrik anisotropik dengan kisi kristal non-sentrosimetri. Bahan kristal seperti Kuarsa, garam Rochelle, Topaz, mineral keluarga Turmalin, dan beberapa zat organik seperti sutra, kayu, enamel, tulang, rambut, karet, dentin termasuk dalam kategori ini.

Bahan Sintetis Buatan Manusia

Bahan dengan sifat feroelektrik digunakan untuk menyiapkan bahan piezoelektrik. Bahan buatan manusia dikelompokkan ke dalam lima kategori utama - Analog kuarsa, Keramik, Polimer, Komposit, dan Film Tipis.

• Polimer : Polyvinylidene difluoride, PVDF atau PVF2.

• Komposit : Piezocomposite adalah peningkatan dari piezopolymer. Mereka dapat dari dua jenis:

- Piezo polimer di mana bahan piezoelektrik direndam dalam matriks pasif elektrik.

- Komposit piezo yang dibuat dengan menggunakan dua keramik yang berbeda, misalnya serat BaTiO3 yang memperkuat matriks PZT.

• Piezoelektrik buatan dengan struktur kristal sebagai perovskit : Barium titanat, titanat timbal, Zirkonat titanat (PZT), Kalium niobat, Lithium niobate, Lithium tantalate, dan keramik piezoelektrik bebas timah lainnya.

Properti Bahan piezoelektrik yang berbeda

Sifat-sifat bahan piezoelektrik yang berbeda meliputi yang berikut ini.

Kuarsa

• Kuarsa adalah bahan piezoelektrik kristal tunggal paling populer. Bahan kristal tunggal menunjukkan sifat material yang berbeda tergantung pada potongan dan arah propagasi gelombang curah. Osilator kuarsa yang dioperasikan dalam mode geser ketebalan AT-cut digunakan di komputer, TV, dan VCR.

• Dalam perangkat SAW digunakan kuarsa ST-cut dengan propagasi X. Kuarsa memiliki faktor kualitas mekanik QM> 105 yang sangat tinggi.

Lithium Niobate dan Lithium Tantalate

• Bahan-bahan ini terdiri dari oktahedron oksigen.

• Suhu curies dari bahan-bahan ini adalah masing-masing 121° dan 660°c.

• Bahan-bahan ini memiliki koefisien kopling elektromekanis yang tinggi untuk gelombang akustik permukaan.

Barium Titanate

• Bahan-bahan ini dengan dopan seperti ion Pb atau Ca dapat menstabilkan fasa tetragonal pada rentang suhu yang lebih luas.

• Ini awalnya digunakan untuk vibrator piezoelektrik tipe-Langevin.

PZT

• PZT doping dengan ion donor seperti Nb5+ atau Tr5+ memberikan PZT lunak seperti PZT-5.

• Doping PZT dengan ion akseptor seperti Fe3+ atau Sc3+ memberikan PZT keras seperti PZT-8.

Timbal Titanate Ceramic

• Ini dapat menghasilkan pencitraan ultrasonik yang jelas karena ada kopling planar yang sangat rendah.

• Baru-baru ini, untuk transduser ultrasonik dan aktuator elektromekanis ferroelektrik relaxor kristal tunggal dengan batas fase morfotropik (MPB) sedang dikembangkan.

Polimer Piezoelektrik

Polimer piezoelektrik memiliki karakteristik umum tertentu sebagai

• Konstanta piezoelektrik kecil yang membuatnya menjadi pilihan yang baik untuk aktuator.

• Konstanta g besar yang membuatnya menjadi pilihan yang baik sebagai sensor.

• Bahan-bahan ini memiliki pencocokan impedansi akustik yang baik dengan air atau tubuh manusia karena ringan dan elastisitasnya lembut.

• Bandwidth resonansi luas karena QM rendah.

• Bahan-bahan ini sangat dipilih untuk mikrofon terarah dan hidraulik ultrasonik.

Komposit Piezoelektrik

• Komposit piezoelektrik yang terbuat dari piezoelektrik keramik dan fasa polimer membentuk bahan piezoelektrik yang sangat baik

• Faktor kopling tinggi, impedansi akustik rendah, fleksibilitas mekanis menjadi ciri material ini.

• Bahan-bahan ini terutama digunakan untuk sonar bawah air dan aplikasi transduser ultrasonik diagnostik medis.

Film Tipis

Untuk perangkat gelombang akustik dan akustik permukaan, film tipis ZnO banyak digunakan karena ada sambungan piezoelektrik yang besar.

Bahan (material) Piezoelektrik Terbaik?

Bahan piezoelektrik dipilih berdasarkan persyaratan aplikasi. Bahan yang dapat dengan mudah memenuhi persyaratan kami dapat dianggap yang terbaik. Ada beberapa faktor yang harus dipertimbangkan saat memilih bahan piezoelektrik.

Kelima manfaat penting piezoelektrik adalah

Faktor kopling elektromekanis k

k2 = (Energi mekanik tersimpan/Energi listrik input) atau

k2 = (Energi listrik tersimpan/Energi mekanik input)

Konstanta regangan piezoelektrik d

Menjelaskan hubungan besarnya regangan yang diinduksi x dengan medan listrik E sebagai x = d.E

Konstanta tegangan piezoelektrik g

g mendefinisikan hubungan antara tegangan eksternal X dan medan listrik terinduksi E sebagai E = g.X

Menggunakan hubungan P = d.X kita dapat menyatakan g = d/ε0.ε. di mana ε = permitivitas.

Faktor kualitas mekanik QM

Parameter ini mencirikan ketajaman sistem resonansi elektromekanis.

QM = ω0/2 ω.

Impedansi Akustik Z

Parameter ini mengevaluasi transfer energi akustik antara dua bahan. Ini didefinisikan sebagai Z2 = (kecepatan tekanan/volume). Dalam bahan padat Z = √ρ.√ϲ di mana ρ adalah kepadatan dan ϲ adalah kekakuan elastis material.

Tabel Karakteristik Piezoelektrik

• Polimer memiliki konstanta piezoelektrik yang rendah dibandingkan dengan keramik.

• Perubahan bentuk bahan berbasis keramik lebih dari pada bahan berbasis polimer ketika jumlah tegangan yang sama diterapkan.

• Koefisien tegangan piezoelektrik dari PVDF adalah bahan yang lebih baik untuk aplikasi sensor.

• Karena koefisien kopling elektromekanis yang lebih besar, PZT digunakan dalam aplikasi di mana tekanan mekanik harus dikonversi menjadi energi listrik.

• Tiga parameter yang harus dipertimbangkan untuk memilih bahan piezoelektrik untuk aplikasi yang bekerja di bawah resonansi mekanik adalah faktor kualitas mekanik, faktor kopling elektromekanis, dan konstanta dielektrik. Semakin tinggi besaran parameter ini yang terbaik adalah bahan untuk aplikasi.

• Bahan dengan koefisien regangan piezoelektrik yang besar, level regangan non-histeretik yang besar adalah yang terbaik untuk aktuator.

• Bahan dengan faktor kopling elektromekanis tinggi dan permitivitas dielektrik tinggi paling baik sebagai transduser.

• Kehilangan dielektrik rendah penting untuk bahan yang digunakan dalam aplikasi frekuensi resonansi-off yang menghasilkan pembangkit panas rendah.

Berdasarkan sifat fisik, material, elektromekanis ini, kita dapat dengan mudah membedakan antara bahan piezoelektrik. Properti ini membantu kami memilih bahan piezoelektrik terbaik untuk aplikasi kita. Materi apa yang telah Anda gunakan untuk aplikasi Anda? Modifikasi apa yang diperlukan untuk bahan yang ada untuk mengatasi keterbatasan mereka?