Основные параметры пьезокерамических материалов

Пьезоэлектрические параметры количественно определяют эффективность и характеристики материалов, проявляющих пьезоэффект. Эти параметры имеют критическое значение для выбора подходящего материала для конкретных применений, будь то актуаторы, датчики или преобразователи.

1. Что такое пьезоэлектрические параметры?

Пьезоэлектрическая постоянная — это фундаментальный параметр, измеряющий интенсивность пьезоэлектрического эффекта в материале. Он напрямую определяет чувствительность пьезоэлектрического отклика. Наиболее важной для практических применений является пьезоэлектрическая постоянная заряда (d), которая характеризует способность материала преобразовывать механическое напряжение в электрический заряд.

2. Ключевые пьезоэлектрические параметры

• Постоянная пьезоэлектрического заряда (d)
• Постоянная пьезоэлектрического напряжения (g)
• Диэлектрическая проницаемость (ε)
• Модули упругости и податливости (Y, s)
• Модуль Юнга (Y)
• Коэффициент электромеханической связи (k)
• Тангенс угла диэлектрических потерь (tan δ)
• Пьезоэлектрическая частотная постоянная (N)
• Температура Кюри (T_c)

3. Детальный анализ основных параметров

3.1. Постоянная пьезоэлектрического заряда (d)

Постоянная пьезоэлектрического заряда (d) определяется как поляризация, создаваемая на единицу приложенного механического напряжения (T), или механическая деформация (S), возникающая на единицу приложенного электрического поля. Первый индекс указывает направление поляризации или приложенного поля, второй индекс — направление приложенного напряжения или индуцированной деформации. Поскольку деформация пропорциональна произведению электрического поля и значения d, этот параметр критически важен для применений, связанных с перемещением (актуаторы).

3.2. Постоянная пьезоэлектрического напряжения (g)

Постоянная пьезоэлектрического напряжения (g) представляет собой электрическое поле, генерируемое на единицу приложенного механического напряжения, или механическую деформацию на единицу приложенного электрического смещения. Первый индекс указывает направление генерируемого поля, второй — направление приложенного напряжения. Этот параметр является ключевым для оценки пригодности материала для сенсорных применений, так как выходное напряжение пропорционально произведению приложенного напряжения и значения g.

3.3. Диэлектрическая проницаемость (ε)

Диэлектрическая проницаемость (ε) характеризует способность материала к поляризации под действием электрического поля. Различают ε^T — диэлектрическую проницаемость при постоянном напряжении и ε^S — при постоянной деформации. Относительная диэлектрическая проницаемость (K) представляет собой отношение ε материала к диэлектрической проницаемости вакуума (ε₀ = 8.85 × 10^-12 Ф/м).

3.4. Упругие свойства: податливость (s) и модуль Юнга (Y)

Упругая податливость (s) — это деформация, производимая на единицу приложенного напряжения (s = 1/Y). Модуль Юнга (Y) — показатель жесткости материала, определяемый как отношение напряжения к деформации. Различают s^E и s^D (при постоянном поле и смещении соответственно).

3.5. Коэффициент электромеханической связи (k)

Коэффициент электромеханической связи (k) quantifies эффективность преобразования энергии между электрической и механической формами. Этот безразмерный параметр определяется как квадратный корень из отношения преобразованной энергии к подведенной энергии.

3.6. Температура Кюри (T_c)

Температура Кюри — критическая температура, при которой пьезоэлектрический материал теряет свои сегнетоэлектрические и пьезоэлектрические свойства due to фазового перехода. Практическая рабочая температура должна быть значительно ниже T_c.

4. Основные символы и обозначения

• E — Напряженность электрического поля [В/м]
• D — Электрическое смещение [Кл/м²]
• T — Механическое напряжение [Н/м²]
• S — Механическая деформация
• s — Упругая податливость [м²/Н]
• ε — Диэлектрическая проницаемость [Ф/м]
• d — Постоянная пьезоэлектрического заряда [Кл/Н или м/В]
• g — Постоянная пьезоэлектрического напряжения [В·м/Н]
• k — Коэффициент электромеханической связи

5. Практические соотношения и формулы

• Скорость старения: (Par₂ – Par₁) / (Par₁(log t₂ – log t₁))
• Диэлектрическая проницаемость: K^T = ε^T/ε₀
• Тангенс угла потерь: tan δ = G/B (измеряется на 1 кГц)
• Соотношение между d, ε и g: g = d/ε^T или d = gε^T
• Механическая добротность: Q_m = f_n² / (2πf_mC₀Z_m(f_n² – f_m²))
• Коэффициент связи: k = √(Преобразованная энергия / Подведенная энергия)
• Частотная постоянная: N = f_s × l (для различных мод колебаний)

6. Заключение

Пьезоэлектрические параметры предоставляют essential инструментарий для характеристики и выбора материалов для конкретных применений. Постоянная заряда (d) определяет эффективность актуаторов, постоянная напряжения (g) — чувствительность датчиков, а коэффициент связи (k) характеризует общую эффективность преобразования энергии. Диэлектрические и упругие свойства влияют на импеданс и резонансные характеристики, а температура Кюри устанавливает верхний предел рабочих температур.

Понимание взаимосвязей между этими параметрами (таких как g = d/ε^T) позволяет инженерам оптимизировать конструкции пьезоэлектрических устройств для достижения максимальной производительности в таких областях, как точное позиционирование, энергогенерация, ультразвуковая обработка и сенсорика.