Пьезокерамика своими руками: Пьезокерамика своими руками — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Содержание

Пьезоэлектрическая керамика от производителя «С-Компонент»

Главная » Интересное » Разное

10.02.2020

Пьезокерамические материалы обладают пьезоэлектрическим эффектом, суть которого заключается в способности некоторых кристаллов создавать электрический заряд под воздействием механической нагрузки. В составе материалов отсутствует глинистое вещество, но их название вполне оправдывает себя, ведь в основе производства лежит технология обжига при высокой температуре. Структура – поликристаллическая.

Современная пьезоэлектрическая керамика изготавливается из таких материалов:

титанат бария;
титанат висмут;
цирконат-титанат свинца и др.

Где применяются пьезокерамические материалы

механоэлектрические преобразователи;
генераторы высокого напряжения;
пневматические клапаны;

микронасосы;
измерители скорости потока;
приборы медицинской диагностики;
резонаторы и фильтры;
двигатели внутреннего сгорания;
системы электроснабжения;
портативные компьютеры и др.

Пьезокерамика подходит для изготовления изделий любой формы и размера. Данный материал имеет ряд положительных характеристик: технологичность, выраженность пьезоэлектрических и диэлектрических свойств, устойчивость к воздействию влаги, механическим нагрузкам и атмосферному воздействию. К тому же стоит она намного дешевле по сравнению с монокристаллическими пьезоэлектриками.

Высококачественные пьезокерамические материалы от компании «С-Компонент»

Компания «С-Компонент» осуществляет производство и поставку пластин и компонентов, изготовленных из ниобата, танталата, лития, кварца и других материалов. Основу ассортимента компании составляет высококачественная продукция на основе технической керамики.

Преимущества компании:

широкий ассортимент продукции;

выгодные цены;
использование инновационных технологий;
соответствие качества продукции международному стандарту ISO 9001:2015;
наличие собственных производственных мощностей;
сотрудничество без посредников;
быстрая доставка;
оперативная реакция на запросы потенциальных покупателей;
высокая вовлеченность в решение проблем каждого клиента.

Компания «С-Компонент» изготавливает продукцию в стандартном и заказном исполнении. Налажен экспорт изделий в страны Европы: Францию, Италию, Швейцарию, Израиль и др. Благодаря сотрудничеству с нашей компанией вы сможете снизить производственные затраты и вывести качество продукции на новый уровень. Для обсуждения условий сотрудничества свяжитесь с нашим менеджером.

Автор публикации

Рейтинг

( 1 оценка, среднее 5 из 5 )

0 3 328 просмотров

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:

Институт высоких технологий и пьезотехники ЮФУ

Пьезокерамические элементы, выпускаемые НКТБ «Пьезоприбор»

В зависимости от архитектуры и предназначения проектируемых устройств используются различные виды пьезокерамических элементов. На элементах различной геометрической формы возбуждаются колебания, направленные в том или ином направлении. Ниже представлены основные типы используемых элементов.

P* — направление поляризации.

Тип геометрии и мода колебаний пьезокерамических элементов

Тип геометрии	Мода колебаний	Схема
Диск	Радиальные
Диск	Толщинные
Цилиндр	Растяжение-сжатие
Пластина	Планарные
Призма	Растяжение-сжатие
Кольцо	Продольные
Кольцо	Толщинные
Шайба	Толщинные

Пьезокерамический диск

от греч. δίσκος (Дискос) — «круглое блюдо». Пьезоэлемент, имеющий геометрическую форму круга определённой высоты, при условии, что высота много меньше диаметра круга. В поляризованных пьезокерамических дисках могут возбуждаться радиальные и толщинные колебания. Пьезокерамические диски наиболее распространены на рынке пьезокерамических устройств, датчиков и систем, построенных на их основе. Из тонких дисков (h<0,5 мм) изготавливаются многослойные пьезокерамические преобразователи, активно используемые в актюаторах, микродвигателях, высокочувствительных датчиках.

Пьезокерамический цилиндр

Цилиндр (др.-греч. κύλινδρος — валик, каток) — геометрическое тело, ограниченное цилиндрической поверхностью и двумя параллельными плоскостями, пересекающими её. Основное отличие цилиндра от диска – это соотношение диаметра к высоте. В случае пьезокерамического диска диаметр может быть меньше или равен высоте.

Диапазон размеров пьезокерамических элементов, выпускаемых НКТБ «Пьезоприбор» ЮФУ представлен в следующей таблице:

Пьезокерамические элементы в форме дисков и цилиндров, выпускаемые НКТБ «Пьезоприбор» ЮФУ

Вид элемента		Размер, мм	Допуск, мм
Диск	Диаметр	2 ÷ 90	±0.1 ÷ ±0. 3
Диск	Высота	0,15 ÷ 10	±0.05 ÷ ±0.1
Цилиндр	Диаметр	2 ÷ 90	±0.1 ÷ ±0.3
Цилиндр	Высота	1 ÷ 50	±0.05 ÷ ±0.1

По согласованию с заказчиком дополнительно могут быть сделаны прорези, пазы, фаски, технологические отверстия.

В зависимости от технических требований регулируется толщина металлического покрытия, его форма, площадь и состав.

Пьезокерамическая пластина

Пластина — тело, ограниченное двумя параллельными плоскостями, расстояние между которыми, называемое толщиной пластины h=const, мало по сравнению с его другими размерами. По аналогии с пьезокерамическими дисками, из пластин изготавливаются многослойные пьезокерамические преобразователи.

Пьезокерамическая призма

Призма (лат. prisma от др.-греч. πρίσμα «нечто отпиленное») — многогранник, две грани которого являются равными многоугольниками, лежащими в параллельных плоскостях, а остальные грани — параллелограммами, имеющими общие стороны с этими многоугольниками.

Пьезокерамические элементы в форме призмы или пластины, выпускаемые НКТБ «Пьезоприбор» ЮФУ

Вид элемента		Размер, мм	Допуск, мм
Пластина, призма	Длина	2 ÷ 140	±0. 1 ÷ ±0.15
	Ширина	1 ÷ 50	±0. 1 ÷ ±0.15
	Высота (толщина)	0,15 ÷ 10	±0.05 ÷ ±0.1

По согласованию с заказчиком призмы могут быть изготовлены с углами от 1⁰ до 45⁰ с сечением трапеции, параллелограмма. Дополнительно могут быть сделаны прорези, пазы, фаски, технологические отверстия. В зависимости от технических требований регулируется толщина металлического покрытия, его форма, площадь и состав.

Пьезокерамическое кольцо

Кольцо (от древнерусск. «коло» — круг) — круглый объект с отверстием внутри. Пьезокерамическое кольцо характеризуется тремя переменными – высота h, внутренний диаметр d и наружный диаметр D. Соотношение сторон пьезокерамического кольца выражается в следующем виде:

(D — d) << h

Пьезокерамическая шайба

Пьезокерамическая шайба отличается от пьезокерамического кольца следующим соотношением:

D >= h

Сегмент

Отдельным видом изделий, выпускаемых НКТБ «Пьезоприбор» является сегмент кольца или сегмент шайбы.

Пьезокерамические элементы в форме кольца или шайбы, выпускаемые НКТБ «Пьезоприбор» ЮФУ

Вид элемента		Размер, мм	Допуск, мм
Кольцо, Шайба	Внутренний диаметр d	2 ÷ 60	±0. 1 ÷ ±0.15
	Наружный диаметр D	4 ÷ 90	±0. 1 ÷ ±0.15
	Высота h	0,25 ÷ 30	±0.05 ÷ ±0.1

По согласованию с заказчиком могут быть изготовлены шайбы, кольца и сегменты с различными прорезями, пазами, фасками, технологическими отверстиями. В зависимости от технических требований регулируется толщина металлического покрытия, его форма, площадь и состав.

Скачать каталоги пьезокерамических материалов и элементов НКТБ «Пьезоприбор» ЮФУ:

Piezoceramic materials and elements full (EN)

Пьезокерамические материалы и элементы справочный каталог (RU)

Заказать изготовление пьезокерамических элементов можно через форму обратной связи:
В тексте обращения изложите геометрические размеры, пьезокерамический материал, ориентировочное количество и прочие важные сведения.

PZT Керамика Процесс производства: Пьезо Учебное пособие: Керамические материалы

Из-за анизотропной природы пьезокерамики эффекты зависят от направления. Для определения направлений вводятся оси, обозначенные как 1, 2 и 3 (аналог X, Y, Z классического правостороннего ортогонального набора осей). Оси 4, 5 и 6 определяют вращения (сдвиг).

Направление поляризации (3 оси) устанавливается в процессе поляризации сильным электрическим полем, приложенным между двумя электродами. Для приводов наиболее важны пьезо-свойства вдоль оси полюса (наибольшее отклонение).

Следует четко понимать, что описанные здесь пьезоэлектрические коэффициенты не являются независимыми константами. Они меняются в зависимости от температуры, давления, электрического поля, коэффициента формы, механических и электрических граничных условий и т. д. Коэффициенты описывают свойства материала только в условиях слабого сигнала. Составные компоненты, такие как приводы Piezo stack, не говоря уже о приводах с предварительным натягом или системах с рычажным усилением, не могут быть в достаточной мере описаны этими материальными параметрами. Вот почему каждый компонент или система, производимые PI, характеризуются специфическими данными, такими как жесткость, грузоподъемность, смещение, резонансная частота и т. д., полученными в результате отдельных измерений.

Пьезоэлектрические материалы характеризуются несколькими коэффициентами:

Примеры:

d _ij : Коэффициенты деформации [м/В]:
развиваемая деформация (м/м) на приложенное электрическое поле (В/м) 9 0013
или (по к свойствам датчика/привода пьезоматериала) .
Коэффициенты выхода заряда [C/N]:
Плотность заряда, развиваемая (Кл/м²) при данном напряжении (Н/м²).

g _ij : Коэффициенты напряжения или коэффициенты выхода поля [Вм/Н]:
развиваемое электрическое поле холостого хода (В/м) на приложенное механическое напряжение (Н/м²)
или (из-за датчика/привода свойства пьезоматериала)
развиваемая деформация (м/м) на плотность приложенного заряда (Кл/м²).
k _ij : Коэффициенты сцепления [без размеров].
Коэффициенты представляют собой энергетические коэффициенты, описывающие преобразование механической энергии в электрическую или наоборот.
k² — это отношение накопленной энергии (механической или электрической) к подаваемой энергии (механической или электрической).

Другими важными параметрами являются модуль Юнга Y (описывающий упругие свойства материала) и относительные диэлектрические коэффициенты (диэлектрическая проницаемость) e (описывающие емкость материала).

Для связи электрических и механических величин вводятся двойные нижние индексы (например, d _ij ). Первый нижний индекс указывает направление возбуждения, второй описывает направление отклика системы.

Пример:
d ₃₃ применяется, когда электрическое поле направлено вдоль оси поляризации (направление 3) и напряжение (прогиб) вдоль той же оси. d ₃₁ применяется, если электрическое поле имеет то же направление, что и раньше, но деформация находится в оси 1 (ортогональной оси поляризации)

Кроме того, вводятся верхние индексы «S, T, E, D». Они описывают электрические или механические граничные условия.

Определение:
S = напряжение = постоянное (механическое зажатие)
T = напряжение = постоянное (не зажатое)
E = поле = постоянное (короткое замыкание)
D = электрическое смещение = постоянное (разомкнутая цепь)

Отдельные пьезоэлектрические параметры связаны несколькими уравнениями, которые здесь не объясняются, поскольку они не важны для пользователя пьезоприводов.

Что такое монокристаллический пьезоэлемент или PMN-PT?

Что за шум вокруг монокристаллических пьезоэлементов? Что это такое и чем они лучше традиционных ЦТС, даже лучше?

В этой статье я расскажу вам немного о том, что отличает монокристаллы по истории, конструкции и характеристикам. Но я не остановлюсь на этом, я также предоставлю некоторые рекомендации по применению, которые помогут вам понять, где монокристаллы могут быть лучшим выбором.

Вот что мы рассмотрим:

Пьезо. И есть монокристалл Piezo
PMN-PT По сравнению с PZT Пьезокерамика
Некоторые рекомендации по применению
Резюме и перспективный взгляд

И здесь, на PIEZO.com, мы предлагаем монокристаллическую керамику и PZT, которые мы также рекомендуем вам провести самостоятельно!

Пьезо. И есть монокристаллический пьезо.

Пьезокерамика (т.е. диэлектрическая керамика с сегнетоэлектрическими свойствами) была продемонстрирована в 1944 году в США в значительной степени из-за потребностей ВМФ в более мощных и надежных акустических источниках для подводного гидролокатора. Сонар времен Второй мировой войны представлял собой природный кристалл хлорида калия (KCl). По сравнению с пьезокерамическим титанатом бария (BaTiO3) композиции хлорида калия (Kcl) были на порядок слабее и (верите или нет) растворимы в воде! В быстрой последовательности были разработаны другие уже известные пьезоэлектрические керамики из цирконата свинца и титаната свинца (PbTiO3, PbZrO3) для увеличения выходной мощности примерно в 1000 раз по сравнению с природными кристаллами без ущерба для надежности.

Керамика, изготовленная путем спекания частиц порошка вместе, так что фактические базовые кристаллические ячейки имеют беспорядочно ориентированные оси. Таким образом, электромеханические конверсионные свойства объемной керамики не так хороши, как у базовых кристаллических ячеек — они усреднены по всем возможным ориентациям ячеек, включая достаточное количество внеосевых, которые вносят нулевой вклад в среднее макроскопически измеримое сцепление.

Материаловеды всегда знали, что чистый макроскопический пьезоэлектрический кристалл класса на основе свинца (с присущими ему неповрежденными осями по всему объему) будет иметь феноменальную связь. Но проблема выращивания такого чистого кристалла была огромной. Отчеты и исследовательские работы о твердых электромеханически активных кристаллических соединениях с феноменальными коэффициентами собственной деформации существуют уже несколько десятилетий, но так и не привели к появлению коммерчески доступного продукта.

Особый класс сегнетоэлектриков, называемых «релаксорными сегнетоэлектриками», проявляет комбинацию пьезоэлектрического и электрострикционного эффектов. И их комбинация может стать настоящим нокаутом для правильного применения.

Компания Piezo.com в настоящее время разрабатывает продукты, включающие монокристаллический релаксорный сегнетоэлектрик класса PMN-PT. Мы работаем над некоторыми приложениями для приводов и харвестеров, которые потребуют универсального компромиссного материала PMN-PT с характеристиками, которые затмевают пьезокерамику, но который доступен в больших объемах / с более низкой стоимостью (не низкой стоимостью!), чем был доступен до сих пор. Пока мы этим занимались, мы подумали, что сделаем материал-кандидат доступным для исследований и разработок через Piezo.com вместе с другой нашей «проверенной и надежной» пьезокерамикой.

PMN-PT По сравнению с PZT Пьезокерамика

Режим «33» Применение — Ультразвук

Уже было продемонстрировано, что PMN-PT передает гораздо больше ультразвуковой акустической энергии на единицу объема, чем любой пьезокерамический материал. Это свойство уже применялось при изготовлении сверхминиатюрных источников ультразвука, входящих в исследовательские катетеры, способные сканировать качество ткани артерий и стенок артерий изнутри!

Применение привода режима «31»

Первое, что нужно понять, это то, что PMN-PT НЕ является простым материалом-заменителем, который можно обрезать до той же формы, и он может быть заменой с улучшенными характеристиками.

1. Это релаксор-сегнетоэлектрик, а не сегнетоэлектрик.

На практике слои PMN-PT должны иметь «напряжение смещения поддержания поляризации» на каждом слое устройства. Электрическое поле, возникающее в результате этого напряжения, предотвратит деполяризацию кристалла и потерю высоких коэффициентов связи под влиянием а) высокой механической нагрузки, б) электрических полей, наложенных в обратном направлении полярности, и в) колебаний температуры окружающей среды. Пьезокерамика также может извлечь выгоду из поля смещения, однако у них очень широкая рабочая зона «Mech-Elec-Temp» по сравнению с PMN-PT, и для большинства приложений с пьезокерамикой поле не требуется.

2. Типичная конструкция изгибающего привода и проводка

Типичная конструкция изгибающего двигателя (т.е. биморфного) PMN-PT будет иметь то, что Piezo.com называет поляризацией «Y» (также называемой «параллельной поляризацией»). Чтобы получить полную производительность и извлечь выгоду из высокого сцепления «31» для этого материала, необходимо использовать центральный электрод «сэндвича», а также две внешние поверхности электрода. Поляризация «X», обычно используемая для пьезокерамических биморфов, в которых требуется только контакт с внешними поверхностями, не рекомендуется.

Вот типичная конструкция, проводка и схема электропривода для оптимальной работы. Пластины PMN-PT непрерывно смещаются в направлении полярности с помощью V+, а напряжение сигнала (переменного или постоянного тока) накладывается поверх напряжения смещения (например, с помощью суммирующего усилителя). Это не единственный способ загнать биморфную деталь с уклоном, но это самый безопасный способ. Он удерживает «осязаемые поверхности» под потенциалом земли и почти полностью устраняет опасность поражения электрическим током и поражения электрическим током.

3. ПМН-ПТ более хрупкий, чем керамика ЦТС

При хранении, экспериментах и производстве, по сравнению с пьезокерамикой аналогичных размеров, этот материал требует более осторожного обращения и специальных методов резки.

4. Его модуль упругости (собственная жесткость) немного ниже, чем у PZT

По аналогии с резинкой, он слабее, более «эластичный». Но в качестве компенсации он может растягиваться дальше, чем пьезокерамика, прежде чем достигнет предела прочности. Таким образом, он имеет более высокую деформационную способность. Чтобы извлечь выгоду из его более высокой выходной механической энергии, конструкция любой композитной конструкции должна быть сделана таким образом, чтобы PMN-PT работал на полную деформационную способность. Это в значительной степени влияет на любую оптимизацию конструкции и является основной причиной того, что детали PMN-PT нельзя просто заменить на детали PZT, ожидая невероятных улучшений.

5. В настоящее время PMN-PT доступен только в листах меньшего размера.

Это просто связано с тем фактом, что этот материал на самом деле ВЫРАЩЕН, кристаллизован из тщательно контролируемого расплава, и существуют ограничения, связанные с этим процессом (однородность температуры в печи, контроль, сила тяжести и т. д.), которые не являются существенными для производство керамики.

Второе, что нужно понять, это то, что за ваши хлопоты вы получаете значительно улучшенную производительность. Вот несколько подробных таблиц, сравнивающих свойства PMN-PT с нашим PZT5A-ENH:

Некоторые рекомендации по применению

Приложения комбайна

Насколько это действительно лучше? Это область, которая недостаточно изучена, особенно если вы говорите о расширении границ. Вот параллельное сравнение выработки электроэнергии для PMN-PT и PZT.

В этом эксперименте две идентичные пьезопластины комбайна были прикреплены к идентичным алюминиевым балкам, одна PZT5A и одна PMN-PT. Пластины были размещены в одинаковых местах на балках, а затем балки были зажаты как консоли. Каждая балка подвергалась одинаковому начальному смещению изгиба и внезапно отпускалась. Для оценки энергоотдачи к пьезовыходам подключались переменные резисторные нагрузки (опять же одинаковые).

Вот типичный осциллограф сигнала «звонка» на нагрузочном резисторе:

Это график выходной пиковой мощности от второго пика в цикле демпфирования для каждого испытания резистора.

Обратите внимание, что, хотя PMN-PT намного лучше, чем PZT, он не намного лучше. Это потому, что они оба имеют одинаковый штамм. Когда каждый из них работает на своем максимальном уровне, выходной сигнал PMN-PT обеспечивает

Применения привода

1. Низкий уровень вибрации, отсутствие напряжения смещения

Одним из способов использования PMN-PT в качестве привода является использование его как пьезокерамики. Это следует учитывать только для приложений с низким напряжением, таких как приборы с батарейным питанием, управление легкой вибрацией, вентиляторы и т. д. Электрическое поле должно поддерживаться ниже 120 В/мм, что для наших деталей означает ниже 30 вольт на одном слое. При напряжении 40 В уже можно обнаружить некоторое снижение, связанное с деполяризацией.

2. Высокий уровень вибрации при использовании напряжения смещения
Чтобы получить максимальную подвижность детали, к детали необходимо прикладывать напряжение смещения всякий раз, когда она используется. Целью этого напряжения является компенсация приложенных напряжений, чтобы на деталь никогда не попадало электрическое поле с обратной поляризацией выше 120 В/мм. Это несколько усложняет схему привода, но действительно увеличивает выходную механическую мощность.

Расчетное повышение собственной деформации
Демпфирование
PMN-PT может обеспечить идентичное пассивное механическое демпфирование примерно на ½ объема демпфера PZT со сравнимыми характеристиками ИЛИ он может обеспечить вдвое большее демпфирование с тем же объемом материала. Наиболее распространенной конфигурацией пассивного демпфирования является шунтирующий демпфер, состоящий из простого резистора, соединенного проводом от одного электрода к другому. Более эффективным, но требующим большего количества деталей и усилий по проектированию, является шунтирующий демпфер, состоящий из резистора и последовательного синтетического индуктора.
Как и в случае с гибкими приводами (биморфными или аппликационными), рекомендуется проектировать демпферы PMN-PT с напряжением смещения для противодействия воздействию нагрузки и температуры окружающей среды.