Пьезокомпозитные материалы от производителя He-Shuai

Пьезокомпозит — это инновационный материал, сочетающий термопластичный полимер и неорганический пьезоматериал. Также известен как композитный полимерный пьезоэлектрический материал. Он характеризуется превосходными пьезоэлектрическими свойствами неорганических материалов и отличными технологическими свойствами полимерных пьезоматериалов.

Пьезоэффект достигается без дополнительной обработки, такой как растяжение. Пьезоэлектрические свойства изотропны в плоскости материала, что обеспечивает одинаковые характеристики в любом направлении. Эти материалы были разработаны для удовлетворения разнообразных требований к характеристикам пьезоэлектрических преобразователей, поскольку каждый отдельный пьезоэлектрический материал имеет свои преимущества и недостатки.

1. Классификация пьезокомпозитных материалов

Мы производим различные типы пьезокомпозитов, как показано на схеме:

0-3 композиты — диспергированные керамические частицы в полимерной матрице
1-3 композиты — стержневая структура с керамическими стержнями в полимере
2-2 композиты — слоистая структура с чередующимися слоями
3-3 композиты — взаимопроникающая сетчатая структура

Обратите внимание на направление электродов и тип полимера при выборе конкретной конфигурации.

2. Пьезокомпозитные материалы 0-3

0-3 композиты — простейший тип пьезокомпозитов, состоящий из диспергированных керамических частиц (0-мерных) в трёхмерной полимерной матрице. Обладают высокой адаптивностью: могут формоваться в тонкие листы, стержни, проволоку и сложные объёмные формы.

Ключевые характеристики: сложность поляризации (напряжённость поля на пьезофазе значительно ниже приложенной), зависимость от коэффициента c/a, определяющего величину спонтанной деформации, улучшение свойств химическими методами синтеза, возможность введения проводящих добавок (углерод, германий) для улучшения поляризации.

3. Пьезокомпозитные материалы 1-3

1-3 композиты — наиболее распространённый тип, где одномерные пьезокерамические стержни расположены параллельно в полимерной матрице. Сочетают высокую пьезоактивность керамики с механической гибкостью полимера.

Ключевые характеристики: низкий акустический импеданс (согласование с водой/кожей), низкая диэлектрическая проницаемость, высокая чувствительность и отношение сигнал/шум, широкая полоса пропускания (80-100%), минимальные поперечные вибрации.

Типы 1-3 композитов: Dice-A-Fill (резка и заполнение), со случайным распределением волокон, с регулярной структурой волокон.

HE-SHUAI предлагает стандартный ассортимент 1-3 пьезокерамических композитных элементов из мягкого материала (PZT-5A, PZT-5H) и твердого материала PZT-4. Обычно поставляются в виде пластин размером до 40×40 мм. Альтернативные размеры и геометрии (диски) доступны по запросу. Стандартные элементы доступны с частотами от 200 кГц до 12 МГц (толщина ~ от 0,17 – 10 мм).

4. Пьезокомпозитные материалы 2-2

2-2 композиты — слоистые структуры с чередующимися параллельными слоями пьезокерамики и полимера. Оптимальны для применений, требующих направленных акустических свойств.

Ключевые характеристики: выраженная анизотропия акустических свойств, минимальные поперечные вибрации и помехи, широкая полоса пропускания, высокая чувствительность приёма, точное согласование акустического импеданса.

5. Пьезокомпозитные материалы 3-3

3-3 композиты — взаимопроникающие сетчатые структуры, где обе фазы образуют непрерывные трёхмерные сети. Обеспечивают уникальный контроль электромеханических свойств.

Ключевые характеристики: взаимопроникающая трёхмерная структура, гибкость проектирования пористости и архитектуры, оптимальное сочетание пьезоактивности и гибкости, низкий акустический импеданс, широкая полоса пропускания.

6. Преимущества пьезокомпозитов

Очень слабая поперечная вибрация и малый перекрестный звуковой давление
Низкое значение Q фактора механического качества
Большая ширина полосы (80% – 100%)
Высокий коэффициент электромеханической связи
Высокая чувствительность и лучшее соотношение сигнал/шум по сравнению с обычными PZT-преобразователями
Стабильные характеристики в широком температурном диапазоне
Возможность обработки преобразователей сложной формы с использованием простых техник резки и наполнения
Легкое изменение скорости звука, акустического импеданса, относительной диэлектрической постоянной и электромеханического коэффициента
Легкое согласование с материалами различного акустического импеданса (от воды до стали)
Регулируемая ультразвуковая чувствительность путем изменения объемного соотношения керамики

7. Технология производства пьезокомпозитных материалов

7.1. Методы изготовления

Распространенные методы изготовления композитов типа 1-3 включают:

Литье с укладкой: Зрелая технология с гибким распределением керамических столбиков
Резка и заполнение (Dice & Fill): Относительно простой процесс с равномерно расположенными столбиками
Формование и инжекция: Для сложных геометрических форм
Непрерывное ламинирование: Для производства больших объемов
Электродиэлектрический метод: Для точного контроля структуры
Экструзия и лазерная ультразвуковая резка: Современные высокоточные методы

7.2. Особенности процесса

Метод изготовления пьезоэлектрического композитного материала включает равномерное распределение порошка неорганического пьезоматериала и его смешивание с термопластичным полимером с последующим формованием. Обычно используемые неорганические пьезоэлектрические материалы — это пьезокерамика, такая как цирконат-титанат свинца (PZT), PbTO3; commonly используемая полимерная матрица — PVDF и другие фторсодержащие смолы.

7.3. Передовые методы

Для получения композиционных пьезоматериалов используется смешивание синтезированного порошка пьезокерамического материала с порообразователем (например, кристаллическим ниобатом лития со средним размером частиц 10-40 мкм), добавление поливинилового пластификатора, прессование и обжиг. Это обеспечивает улучшение пьезоэлектрических и электромеханических свойств.

8. Применение пьезокомпозитных материалов

8.1. Основные области применения

Пьезокомпозитные материалы находят широкое применение в различных высокотехнологичных отраслях:

Медицинская диагностика: Ультразвуковые сканеры и датчики для медицинской визуализации
Подводная акустика: Гидролокаторы и подводные датчики для гидроакустических систем
Промышленный контроль: Системы неразрушающего контроля и дефектоскопии
Геофизические исследования: Датчики для сейсмического мониторинга и разведки
Аэрокосмическая промышленность: Датчики давления и вибрации в авиационных системах
Биомедицинская инженерия: Системы фотоакустической и оптоакустической визуализации

8.2. Специализированные применения

В последние годы 1-3 композиты появились в фотоакустической визуализации и оптоакустической визуализации. Были разработаны миниатюрные эндоскопические зонды для 1-3 композитных ультразвуковых преобразователей, улучшающие производительность материала с точки зрения композитных свойств.

В области биомедицинской инженерии ультразвуковые преобразователи стали research hotspot в ультразвуковой медицинской диагностике. Исследователи разработали специализированные решения для различных медицинских применений.

8.3. Преимущества перед традиционными материалами

В разных областях пьезокомпозитные преобразователи имеют преимущества перед обычными керамическими, такие как высокая чувствительность и большая статическая пьезоconstant для водных преобразователей. В фотоакустической визуализации соотношение сигнал/шум и полоса пропускания significantly улучшаются, а в медицинском ultrasound пьезокомпозитные focusing преобразователи снижают импеданс и улучшают интенсивность фокусировки, среди других преимуществ.

9. Заказ и поставка изделий из пьезокомпозитных материалов

Компания HE-SHUAI специализируется на производстве пьезокомпозитных материалов и компонентов по индивидуальным техническим требованиям. Мы предлагаем полный цикл разработки — от проектирования и оптимизации параметров до серийного производства, обеспечивая идеальное соответствие вашим проектным задачам.

Свяжитесь с нами для бесплатной консультации и расчета стоимости вашего заказа в течение 24 часов!

Пьезокомпозиты