Мягкая и жёсткая PZT-керамика: отличия, свойства и применение

Пьезоматериалы бывают разных типов, но самые распространённые созданы на основе цирконата-титаната свинца (PZT, ЦТС). Они делятся на две большие категории: мягкие пьезоматериалы (Soft PZT) и жёсткие пьезоматериалы (Hard PZT).

Что такое мягкая PZT керамика (Soft PZT)?

Мягкая PZT (ЦТС) — это тип сегнетопьезокерамики с высокой подвижностью диполей или доменов. Это напрямую влияет на характеристики поляризации и деполяризации.

Благодаря малому коэрцитивному полю такие материалы хорошо подходят для пьезоактуаторов и датчиков (сенсоров).

Ключевые преимущества мягкой PZT (ЦТС):

• большой пьезомодуль (постоянная деформации, d₃₃);
• умеренная диэлектрическая проницаемость;
• высокий коэффициент электромеханической связи.

2. Что такое жёсткая PZT керамика (Hard PZT)?

Жёсткая PZT (ЦТС) — это пьезокерамика, способная выдерживать высокие электрические и механические нагрузки, сохраняя свои свойства практически неизменными. Основное применение — мощная акустика.

Преимущества жёсткой PZT (ЦТС):

• умеренная диэлектрическая проницаемость;
• высокий коэффициент электромеханической связи;
• высокая механическая добротность (Qm);
• хорошая стабильность при высоких механических нагрузках и больших рабочих полях;
• низкое внутреннее тепловыделение;
• низкие диэлектрические потери.

Благодаря этому жёсткая PZT (ЦТС) пригодна для длительной работы в резонансных режимах.

3. Мягкая PZT против жёсткой PZT: сравнение характеристик

Мягкая и жёсткая PZT обладают противоположными свойствами.

Мягкая PZT (ЦТС):

• высокий электромеханический коэффициент связи;
• большой пьезомодуль;
• высокая диэлектрическая проницаемость;
• высокие диэлектрические потери;
• низкая механическая добротность;
• плохая линейность.

По сравнению с жёсткой PZT (ЦТС) мягкая даёт большие перемещения и более широкую полосу сигнала, но у неё выше гистерезис, и она легче деполяризуется или деградирует.

Более низкая точка Кюри (обычно ниже 300°C) ограничивает применение мягкой PZT низкими температурами. Относительно большие диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь могут ограничить или вовсе исключить использование мягкой PZT в задачах, требующих высоких частот и сильных электрических полей одновременно.

Жёсткая PZT (ЦТС) имеет противоположные характеристики:

• точка Кюри выше 300°C;
• меньший пьезомодуль (постоянная заряда);
• высокий коэффициент электромеханической связи;
• высокая механическая добротность.

Жёсткую PZT (ЦТС) труднее поляризовать и деполяризовать. Хотя она обычно стабильнее мягкой, жёсткая PZT не может обеспечить такую же амплитуду перемещения. Зато она выдерживает высокие механические нагрузки и высокие напряжения.

Сравнительная таблица мягкой и жёсткой PZT (ЦТС)

4. Какие материалы относятся к мягким пьезоматериалам?

К мягким пьезоматериалам в основном относятся:

• PZT-5

Соответствующая продукция нашей компании:
PZT-50, PZT-50HD, PZT-51, PZT-52, PZT-52HD, PZT-53, PZT-53HD, PZT-54HD, PZT-60HD, PZT-61HD

Особенности:

• высокая диэлектрическая проницаемость;
• большие коэффициенты электромеханической связи;
• большой пьезомодуль d₃₃;
• относительно высокая температура Кюри.

5. Применение мягких пьезоматериалов

Мягкая пьезокерамика востребована в следующих областях:

• актуаторы (микро- и наноперемещения);
• традиционные вибродатчики;
• датчики (сенсоры), включая ультразвуковые излучатели и приёмники (для измерения расхода, уровня, распознавания целей или мониторинга);
• акустические применения: звуковые датчики, микрофоны, звукосниматели для музыкальных инструментов.

6. Какие материалы относятся к жёстким пьезоматериалам?

К жёстким пьезоматериалам в основном относятся:

• PZT-4
• PZT-8

Соответствующая продукция нашей компании:
PZT-40, PZT-41, PZT-42, PZT-43, PZT-43HD, PZT-44, PZT-45, PZT-45HD, PZT-46, PZT-47, PZT-48

Особенности:

• большой коэффициент электромеханической связи;
• высокая механическая добротность;
• хорошая электромеханическая стабильность;
• высокая прочность на сжатие.

7. Применение жёстких пьезоматериалов

Мощные акустические приложения особенно выигрывают от свойств жёсткой пьезокерамики. Области применения:

• ультразвуковая очистка (обычно в килогерцовом диапазоне);
• ультразвуковая обработка материалов (сварка, пайка под давлением, сверление и т.д.);
• ультразвуковые процессоры (например, для распыления жидких сред);
• медицина (ультразвуковое удаление зубного камня, хирургические инструменты и др.);
• гидроакустика (сонарная техника).

8. Как выбрать подходящий пьезоматериал?

Первый и самый важный фактор при выборе пьезоматериала — его пьезоэлектрические свойства. Именно они определяют, насколько эффективно материал преобразует механическую энергию в электрическую и обратно.

Ключевые пьезосвойства, на которые стоит обратить внимание:

• пьезомодуль (постоянная d) — мера способности материала преобразовывать механическую энергию в электрическую и обратно. Измеряется в Кл/Н (заряд на единицу силы) или м/В (деформация на единицу напряжения);
• диэлектрическая проницаемость;
• механическая добротность Qm;
• электромеханический коэффициент связи k.

Чем выше пьезомодуль, тем выше эффективность преобразования энергии.