Спецификация пьезоэлектрических материалов
Пьезоэлектрические материалы (ПЭМ) представляют собой ключевой класс функциональных материалов и подразделяются на три основные категории: кристаллические, керамические и полимерные.
1. Классификация и сравнительный анализ пьезоэлектрических материалов
Наиболее распространёнными видами пьезокерамики являются цирконат-титанат свинца (PZT, ЦТС), титанат бария и титанат свинца. Нитрид галлия и оксид цинка также могут быть отнесены к керамическим материалам благодаря своей широкой запрещенной зоне.
1.1. Неорганические пьезоэлектрические материалы
Полупроводниковые ПЭМ обладают преимуществами, такими как совместимость с интегральными схемами и полупроводниковыми устройствами. Неорганическая пьезокерамика превосходит монокристаллы по технологичности: она проще в изготовлении, позволяет создавать изделия сложных форм и различных размеров, поскольку этот процесс не зависит от кристаллографических направлений.
1.2. Органические полимерные пьезоэлектрические материалы
Органические полимерные ПЭМ, такие как PVDF, имеют низкий модуль Юнга по сравнению с неорганическими аналогами. Пьезополимеры (например, PVDF) превосходят пьезокерамику (такую как PZT) по ключевому для датчиков параметру — пьезоэлектрическому коэффициенту напряжения g₃₃. Его значение для PVDF составляет 240 мВ·м/Н, что более чем в 20 раз выше, чем у PZT (11 мВ·м/Н). Это обуславливает их более высокую эффективность.
Кроме того, гибкость обработки полимеров позволяет легко производить датчики и актуаторы различных форм. Полимеры также демонстрируют высокую прочность, низкую диэлектрическую проницаемость, жесткость и плотность. Это сочетание свойств обеспечивает высокую чувствительность к напряжению и низкий акустический импеданс, что особенно важно для медицинского и подводного оборудования.
1.3. Композитные материалы и современные тенденции
Среди ПЭМ наибольшую популярность имеет керамика PZT благодаря высокой чувствительности и высокому значению g33. Однако она хрупкая и имеет низкую температуру Кюри, что ограничивает применение в условиях высоких температур и агрессивных сред.
Решением стало создание PZT-полимерных композитов, где керамические диски интегрируются в пластиковые промышленные изделия. Эта инновация позволила наладить крупномасштабное производство функциональных композитов с помощью простых процессов, таких как тепловая сварка или формование.
Также ведутся разработки по созданию бессвинцовой пьезокерамики, такой как:
- Монокристаллы (например, лангасит)
- Сегнетоэлектрическая керамика с перовскитной структурой
- Слоистые ферроэлектрики (BLSF)
Отдельное внимание уделяется материалам на основе перовскита: BaTiO3, (Bi1/2Na1/2)TiO3, (Bi1/2K1/2)TiO3, KNbO3 и (K, Na)NbO3.
2. Ключевые пьезоэлектрические свойства
Для оценки и сравнения ПЭМ используется ряд фундаментальных параметров, определяющих их эффективность в различных применениях.
- Пьезоэлектрические коэффициенты (d33, d31, d15) измеряют деформацию под действием приложенного напряжения (выражаются в м/В). Высокие коэффициенты dij указывают на большее смещение, необходимое для двигательных преобразователей.
- Коэффициент d33 измеряет деформацию в направлении оси поляризации.
- Коэффициент d31 – когда сила приложена перпендикулярно оси поляризации.
- Коэффициент d15 характеризует отклик на сдвиговую деформацию.
- Относительная диэлектрическая проницаемость (εr) – это отношение абсолютной диэлектрической проницаемости материала к проницаемости вакуума (ε0).
- Коэффициент электромеханической связи (k) – показатель эффективности преобразования электрической энергии в механическую и наоборот. Первый индекс у k обозначает направление нанесения электродов, второй – направление приложения механической энергии.
- Механическая добротность (Qm) – важный параметр для работы пьезокерамики в режиме большой мощности. Она характеризует потери на трение в материале и является величиной, обратной тангенсу угла механических потерь (tan φ).
| Single crystals | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Reference | Material & heterostructure used for the characterization (electrodes/material, electrode/substrate) | Orientation | Piezoelectric coefficients, d (pC/N) | Relative permittivity, εr | Electromechanical coupling factor, k | Quality factor |
| Hutson 1963[2] | AlN | d15 = -4.07per | ε33 = 11.4 | |||
| d31 = -2 | ||||||
| d33 = 5 | ||||||
| Cook et al. 1963[3] | BaTiO3 | d15 = 392 | ε11 = 2920 | k15 = 0.57 | ||
| d31 = -34.5 | ε33 = 168 | k31 = 0.315 | ||||
| d33 = 85.6 | k33 = 0.56 | |||||
| Warner et al. 1967[4] | LiNbO3 (Au-Au) | <001> | d15 = 68 | ε11 = 84 | ||
| d22 = 21 | ε33 = 30 | |||||
| d31 = -1 | k31 = 0.02 | |||||
| d33 = 6 | kt = 0.17 | |||||
| Smith et al. 1971[5] | LiNbO3 | <001> | d15 = 69.2 | ε11 = 85.2 | ||
| d22 = 20.8 | ε33 = 28.2 | |||||
| d31 = -0.85 | ||||||
| d33 = 6 | ||||||
| Yamada et al. 1967[6] | LiNbO3 (Au-Au) | <001> | d15 = 74 | ε11 = 84.6 | ||
| d22 = 21 | ε33 = 28.6 | k22 = 0.32 | ||||
| d31 = -0.87 | k31 = 0.023 | |||||
| d33 = 16 | k33 = 0.47 | |||||
| Yamada et al. 1969[7] | LiTaO3 | d15 = 26 | ε11 = 53 | |||
| d22 = 8.5 | ε33 = 44 | |||||
| d31 = -3 | ||||||
| d33 = 9.2 | ||||||
| Cao et al. 2002[8] | PMN-PT (33%) | d15 = 146 | ε11 = 1660 | k15 = 0.32 | ||
| d31 = -1330 | ε33 = 8200 | k31 = 0.59 | ||||
| d33 = 2820 | k33 = 0.94 | |||||
| kt = 0.64 | ||||||
| Badel et al. 2006[9] | PMN-25PT | <110> | d31 = -643 | ε33 = 2560 | k31 = -0.73 | 362 |
| Kobiakov 1980[10] | ZnO | d15 = -8.3 | ε11 = 8.67 | k15 = 0.199 | ||
| d31 = -5.12 | ε33 = 11.26 | k31 = 0.181 | ||||
| d33 = 12.3 | k33 = 0.466 | |||||
| Zgonik et al. 1994[11] | ZnO (pure with lithium dopant) | d15 = -13.3 | kr = 8.2 | |||
| d31 = -4.67 | ||||||
| d33 = 12.0 | ||||||
| Zgonik et al. 1994[12] | BaTiO3 single crystals | [001] (single domain) | d33 = 90 | |||
| Zgonik et al. 1994[12] | BaTiO3 single crystals | [111] (single domain) | d33 = 224 | |||
| Zgonik et al. 1994[12] | BaTiO3 single crystals | [111] neutral (domain size of 100 ľm) | d33 = 235 | ε33 = 1984 | k33 = 54.4 | |
| Zgonik et al. 1994[12] | BaTiO3 single crystals | [111] neutral (domain size of 60 ľm) | d33 = 241 | ε33 = 1959 | k33 = 55.9 | |
| Zgonik et al. 1994[12] | BaTiO3 single crystals | [111] (domain size of 22 ľm) | d33 = 256 | ε33 = 2008 | k33 = 64.7 | |
| Zgonik et al. 1994[12] | BaTiO3 single crystals | [111] neutral (domain size of 15 ľm) | d33 = 274 | ε33 = 2853 | k33 = 66.1 | |
| Zgonik et al. 1994[12] | BaTiO3 single crystals | [111] neutral (domain size of 14 ľm) | d33 = 289 | ε33 = 1962 | k33 = 66.7 | |
| Zgonik et al. 1994[12] | BaTiO3 single crystals | [111] neutral | d33 = 331 | ε33 = 2679 | k33 = 65.2 | |
| [13] | LN crystal | d31 = -4.5
d33 = -0.27 |
||||
| Li et al. 2010[14] | PMNT31 | d33 = 2000 | ε33 = 5100 | k31 = 80 | ||
| d31 = -750 | ||||||
| Zhang et al. 2002[15] | PMNT31-A | 1400 | ε33 = 3600 | |||
| Zhang et al. 2002[15] | PMNT31-B | 1500 | ε33 = 4800 | |||
| Zhang et al. 2002[15] | PZNT4.5 | d33 = 2100 | ε33 = 4400 | k31 = 83 | ||
| d31 = -900 | ||||||
| Zhang et al. 2004[16] | PZNT8 | d33 = 2500 | ε33 = 6000 | k31 = 89 | ||
| d31 = -1300 | ||||||
| Zhang et al. 2004[16] | PZNT12 | d33 = 576 | ε33 = 870 | k31 = 52 | ||
| d31 = -217 | ||||||
| Yamashita et al. 1997[17] | PSNT33 | ε33 = 960 | / | |||
| Yasuda et al. 2001[18] | PINT28 | 700 | ε33 = 1500 | / | ||
| Guo et al. 2003[19] | PINT34 | 2000 | ε33 = 5000 | / | ||
| Hosono et al. 2003[20] | PIMNT | 1950 | ε33 = 3630 | / | ||
| Zhang et al. 2002[15] | PYNT40 | d33 = 1200 | ε33 = 2700 | k31 = 76 | ||
| d31 = -500 | ||||||
| Zhang et al. 2012[21] | PYNT45 | d33 = 2000 | ε33 = 2000 | k31 = 78 | ||
| Zhang et al. 2003[22] | BSPT57 | d33 = 1200 | ε33 = 3000 | k31 = 77 | ||
| d31 = -560 | ||||||
| Zhang et al. 2003[23] | BSPT58 | d33 = 1400 | ε33 = 3200 | k31 = 80 | ||
| d31 = -670 | ||||||
| Zhang et al. 2004[16] | BSPT66 | d33 = 440 | ε33 = 820 | k31 = 52 | ||
| d31 = -162 | ||||||
| Ye et al. 2008[24] | BSPT57 | d33 = 1150
d31 = -520 |
ε33 = 3000 | k31 = 0.52
k33 = 0.91 |
||
| Ye et al. 2008[24] | BSPT66 | d33 = 440 | ε33 = 820 | k31 = 0.52
k33 = 0.88 |
||
| d31 = -162 | ||||||
| Ye et al. 2008[24] | PZNT4.5 | d33 = 2000
d31 = -970 |
ε33 = 5200 | k31 = 0.50
k33 = 0.91 |
||
| Ye et al. 2008[24] | PZNT8 | d31 = -1455 | ε33 = 7700 | k31 = 0.60
k33 = 0.94 |
||
| Ye et al. 2008[24] | PZNT12 | d33 = 576
d31 = -217 |
ε33 = 870 | k31 = 0.52
k33 = 0.86 |
||
| Ye et al. 2008[24] | PMNT33 | d33 = 2820
d31 = -1330 |
ε33 = 8200 | k31 = 0.59
k33 = 0.94 |
||
| Matsubara et al. 2004[25] | KCN-modified KNN | d33 = 100
d31 = -180 |
ε33 = 220-330 | kp = 33-39 | 1200 | |
| Ryu et al. 2007[26] | KZT modifiedKNN | d33 = 126 | ε33 = 590 | kp = 42 | 58 | |
| Matsubara et al. 2005[27] | KCT modified KNN | d33 = 190 | ε33 = | kp = 42 | 1300 | |
| Wang et al. 2007[28] | Bi2O3 doped KNN | d33 = 127 | ε33 = 1309 | kp = 28.3 | ||
| Jiang et al. 2009[29] | doped KNN-0.005BF | d33 = 257 | ε33 = 361 | kp= 52 | 45 | |
| Ceramics | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Reference | Material & heterostructure used for the characterization (electrodes/material, electrode/substrate) | Orientation | Piezoelectric coefficients, d (pC/N) | Relative permittivity, εr | Electromechanical coupling factor, k | Quality factor |
| Berlincourt et al. 1958[30] | BaTiO3 | d15 = 270 | ε11 = 1440 | k15 = 0.57 | ||
| d31 = -79 | ε33 = 1680 | k31 = 0.49 | ||||
| d33 = 191 | k33 = 0.47 | |||||
| Tang et al. 2011[31] | BFO | d33 = 37 | kt = 0.6 | |||
| Zhang et al. 1999[32] | PMN-PT | d31 = -74 | ε33 = 1170 | k31 = -0.312 | 283 | |
| [33] | PZT-5A | d31 = -171 | ε33 = 1700 | k31 = 0.34 | ||
| d33 = 374 | k33 = 0.7 | |||||
| [34] | PZT-5H | d15 = 741 | ε11 = 3130 | k15 = 0.68 | 65 | |
| d31 = -274 | ε33 = 3400 | k31 = 0.39 | ||||
| d33 = 593 | k33 = 0.75 | |||||
| [35] | PZT-5K | d33 = 870 | ε33 = 6200 | k33 = 0.75 | ||
| Tanaka et al. 2009[36] | PZN7%PT | d33 = 2400 | εr = 6500 | k33 = 0.94
kt = 0.55 |
||
| Pang et al. 2010[37] | ANSZ | d33 = 295 | 1.61 | 45.5 | 84 | |
| Park et al. 2006[38] | KNN-BZ | d33 = 400 | 2 | 57.4 | 48 | |
| Cho et al. 2007[39] | KNN-BT | d33 = 225 | 1.06 | 36.0 | ||
| Park et al. 2007[40] | KNN-ST | d33 = 220 | 1.45 | 40.0 | 70 | |
| Zhao et al. 2007[41] | KNN-CT | d33 = 241 | 1.32 | 41.0 | ||
| Zhang et al. 2006[42] | LNKN | d33 = 314 | ~700 | 41.2 | ||
| Saito et al. 2004[43] | KNN-LS | d33 = 270 | 1.38 | 50.0 | ||
| Saito et al. 2004[43] | LF4 | d33 = 300 | 1.57 | |||
| Tanaka et al. 2009[36] | Oriented LF4 | d33 = 416 | 1.57 | 61.0 | ||
| Pang et al. 2010[37] | ANSZ | d33 = 295 | 1.61 | 45.5 | 84 | |
| Park et al. 2006[38] | KNN-BZ | d33 = 400 | 2 | 57.4 | 48 | |
| Cho et al. 2007[44] | KNN-BT | d33 = 225 | 1.06 | 36.0 | ||
| Park et al. 2007[40] | KNN-ST | d33 = 220 | 1.45 | 40.0 | 70 | |
| Maurya et al. 2013[45] | KNN-CT | d33 = 241 | 1.32 | 41.0 | ||
| Maurya et al. 2013[45] | NBT-BT | (001) Textured samples | d33 = 322 | … | ||
| Gao et al. 2008[46] | NBT-BT-KBT | (001) Textured samples | d33 = 192 | |||
| Zou et al. 2016[47] | NBT-KBT | (001) Textured samples | d33 = 134 | kp= 35 | ||
| Saito et al. 2004[43] | NBT-KBT | (001) Textured samples | d33 = 217 | kp = 61 | ||
| Chang et al. 2009[48] | KNLNTS | (001) Textured samples | d33 = 416 | kp = 64 | ||
| Chang et al. 2011[49] | KNNS | (001) Textured samples | d33 = 208 | kp = 63 | ||
| Hussain et al. 2013[50] | KNLN | (001) Textured samples | d33 = 192 | kp = 60 | ||
| Takao et al. 2006[51] | KNNT | (001) Textured samples | d33 = 390 | kp = 54 | ||
| Li et al. 2012[52] | KNN 1 CuO | (001) Textured samples | d33 = 123 | kp = 54 | ||
| Cho et al. 2012[53] | KNN-CuO | (001) Textured samples | d33 = 133 | kp = 46 | ||
| Hao et al. 2012[54] | NKLNT | (001) Textured samples | d33 = 310 | kp = 43 | ||
| Gupta et al. 2014[55] | KNLN | (001) Textured samples | d33 = 254 | |||
| Hao et al. 2012[54] | KNN | (001) Textured samples | d33 = 180 | kp = 44 | ||
| Bai et al. 2016[56] | BCZT | (001) Textured samples | d33 = 470 | kp = 47 | ||
| Ye et al. 2013[57] | BCZT | (001) Textured samples | d33 = 462 | kp = 49 | ||
| Schultheiß et al. 2017 [58] | BCZT-T-H | (001) Textured samples | d33 = 580 | |||
| OMORI et al. 1990[59] | BCT | (001) Textured samples | d33 = 170 | |||
| Chan et al. 2008[60] | Pz34 (doped PbTiO3) | d15 = 43.3 | ε33 = 237 | k31 = 4.6 | 700 | |
| d31 = -5.1 | ε33 = 208 | k33 = 39.6 | ||||
| d33 = 46 | k15 = 22.8 | |||||
| kp = 7.4 | ||||||
| Lee et al. 2009[61] | BNKLBT | d33 = 163 | εr = 766 | k31 = 0.188 | 142 | |
| ε33 = 444.3 | kt = 0.524 | |||||
| kp = 0.328 | ||||||
| Sasaki et al. 1999[62] | KNLNTS | εr = 1156 | k31 = 0.26 | 80 | ||
| ε33 = 746 | kt = 0.32 | |||||
| kp = 0.43 | ||||||
| Takenaka et al. 1991[63] | (Bi0.5Na0.5)TiO3 (BNT)-based BNKT | d31 = 46 | εr = 650 | kp = 0.27 | ||
| d33 = 150 | k31 = 0.165 | |||||
| Tanaka et al. 1960[64] | (Bi0.5Na0.5)TiO3 (BNT)-based BNBT | d31 = 40 | εr = 580 | k31 = 0.19 | ||
| d33 = 12.5 | k33 = 0.55 | |||||
| Hutson 1960[65] | CdS | d15 = -14.35 | ||||
| d31 = -3.67 | ||||||
| d33 = 10.65 | ||||||
| Schofield et al. 1957[66] | CdS | d31 = -1.53 | ||||
| d33 = 2.56 | ||||||
| Egerton et al. 1959[67] | BaCaOTi | d31 = -50 | k15 = 0.19 | 400 | ||
| d33 = 150 | k31 = 0.49 | |||||
| k33 = 0.325 | ||||||
| Ikeda et al. 1961[68] | Nb2O6Pb | d31 = -11 | kr = 0.07 | 11 | ||
| d33 = 80 | k31 = 0.045 | |||||
| k33 = 0.042 | ||||||
| Ikeda et al. 1962[69] | C6H17N3O10S | d23 = 84 | k21 = 0.18 | |||
| d21 = 22.7 | k22 = 0.18 | |||||
| d25 = 22 | k23 = 0.44 | |||||
| Brown et al. 1962[70] | BaTiO3 (95%) BaZrO3 (5%) | k15 = 0.15 | 200 | |||
| d31 = -60 | k31 = 0.40 | |||||
| d33 = 150 | k33 = 0.28 | |||||
| Huston 1960[65] | BaNb2O6 (60%) Nb2O6Pb (40%) | d31 = -25 | kr = 0.16 | |||
| Baxter et al. 1960[71] | BaNb2O6 (50%) Nb2O6Pb (50%) | d31= -36 | kr = 0.16 | |||
| Pullin 1962[72] | BaTiO3 (97%) CaTiO3 (3%) | d31 = -53 | ε33 = 1390 | k15 = 0.39 | ||
| d33 = 135 | k31 = 0.17 | |||||
| k33 = 0.43 | ||||||
| Berlincourt et al. 1960[73] | BaTiO3 (95%) CaTiO3 (5%) | d15 = -257 | ε33 = 1355 | k15 = 0.495 | 500 | |
| d31 = -58 | k31 = 0.19 | |||||
| d33 = 150 | k33 = 0.49 | |||||
| kr = 0.3 | ||||||
| Berlincourt et al. 1960[73] | BaTiO3 (96%) PbTiO3 (4%) | d31 = -38 | ε33 = 990 | k15 = 0.34 | ||
| d33 = 105 | k31 = 0.14 | |||||
| k33 = 0.39 | ||||||
| Jaffe et al. 1955[74] | PbHfO3 (50%) PbTiO3 (50%) | d31 = -54 | kr = 0.38 | |||
| Kell 1962[75] | Nb2O6Pb (80%) BaNb2O6 (20%) | d31 = 25 | kr = 0.20 | 15 | ||
| Brown et al. 1962[70] | Nb2O6Pb (70%) BaNb2O6 (30%) | d31 = -40 | ε33 = 900 | k31 = 0.13 | 350 | |
| d33 = 100 | k33 = 0.3 | |||||
| kr = 0.24 | ||||||
| Berlincourt et al. 1960[76] | PbTiO3 (52%) PbZrO3 (48%) | d15 = 166 | k15 = 0.40 | 1170 | ||
| d31 = -43 | k31 = 0.17 | |||||
| d33 = 110 | k33 = 0.43 | |||||
| kr = 0.28 | ||||||
| Berlincourt et al. 1960[77] | PbTiO3 (50%) lead Zirconate (50%) | d15 = 166 | k15 = 0.504 | 950 | ||
| d31 = -43 | k31 = 0.23 | |||||
| d33 = 110 | k33 = 0.546 | |||||
| kr = 0.397 | ||||||
| Egerton et al. 1959[67] | KNbO3 (50%) NaNbO3 (50%) | d31 = -32 | 140 | |||
| d33 = 80 | k31 = 0.21 | |||||
| k33 = 0.51 | ||||||
| Brown et al. 1962[70] | NaNbO3 (80%) Cd2Nb2O7 (20%) | d31 = -80 | ε33 = 2000 | k31 = 0.17 | ||
| d33 = 200 | k33 = 0.42 | |||||
| kr = 0.30 | ||||||
| Schofield et al. 1957[66] | BaTiO3 (95%) CaTiO3 (5%) CoCO3 (0.25%) | d31 = -60 | ε33 = 1605 | kr = 0.33 | ||
| Pullin 1962[72] | BaTiO3 (80%) PbTiO3 (12%) CaTiO3 (8%) | d31 = -31 | k31 = 0.15 | 1200 | ||
| d33 = 79 | k33 = 0.41 | |||||
| kr = 0.24 | ||||||
| Defaÿ 2011[78] | AlN (Pt-Mo) | d31 = -2.5 | ||||
| Shibata et al. 2011[79] | KNN(Pt-Pt) | <001> | d31 = -96.3 | εr = 1100 | ||
| d33 = 138.2 | ||||||
| Sessler 1981[80] | PVDF | d31 = 17.9 | k31 = 10.3 | |||
| d32 = 0.9 | k33 = 12.6 | |||||
| d33 = -27.1 | ||||||
| Ren et al. 2017[81] | PVDF | d31 = 23 | εr = 106 | |||
| d32 = 2 | ||||||
| d33 = -21 | ||||||
| Tsubouchi et al. 1981[82] | Epi AlN/Al2O3 | <001> | d33 = 5.53 | ε33 = 9.5 | kt = 6.5 | 2490 |
3. Ассортимент предлагаемых материалов
В нашем распоряжении – сотни видов пьезоэлектрических материалов. Вне зависимости от ваших требований – нужен ли вам мягкий (PZT-5A, PZT-5H) или твердый материал (PZT-4, PZT-8 серии) – у нас есть все необходимое.