Aantal Bladeren:40 Auteur:Site Editor Publicatie tijd: 2023-09-06 Oorsprong:aangedreven
Piëzo-elektrisch composietmateriaal is een composietmateriaal dat bestaat uit piëzo-elektrische kristallen en niet-piezo-elektrische materialen, die uitstekende piëzo-elektrische en mechanische eigenschappen heeft.
Piëzo -elektrisch composietmateriaal
Het piëzo -elektrische effect verwijst naar het fenomeen dat bepaalde kristallen ladingsscheiding en potentiaalverscheid zullen genereren wanneer ze worden onderworpen aan een externe druk of elektrisch veld. Met behulp van dit effect kan mechanische energie worden omgezet in elektrische energie of elektrische energie kan worden omgezet in mechanische energie. Het basisprincipe van piëzo-elektrische composietmaterialen is dat door piëzo-elektrische kristallen en niet-piezo-elektrische materialen te combineren, het piëzo-elektrische effect wordt verbeterd en bredere toepassingen heeft.
Het ontwerpdoel van piëzo -elektrische composieten is het verbeteren van hun mechanische eigenschappen, zoals sterkte, taaiheid en vermoeidheidsweerstand, met behoud van piëzo -elektrische eigenschappen. Dit composietmateriaal is meestal samengesteld uit twee of meer materialen, waarvan er één een piëzo -elektrisch kristalmateriaal is, zoals PZT (loodbariumzirconaattitanaat), PZN (loodzirkonaat), enz.; De andere is een niet-piezo-elektrisch materiaal, zoals polymeren, keramiek, metalen, enz.
De bereidingsmethoden van piëzo-elektrische composietmaterialen omvatten vaste-reactie, sol-gelmethode, vulling van piëzo-elektrisch keramisch poeder, enz. Door deze methoden kan de uniforme verdeling en nauwe integratie van piëzo-elektrische kristallen en niet-piezo-elektrische materialen worden bereikt, waardoor de algehele prestaties van het materiaal worden verbeterd.
Piëzo -elektrische composieten worden gebruikt in een breed scala van toepassingen, zoals sensoren, actuatoren, akoestische en akoestische golfapparaten en energieopvang en -opslag. Door de verhouding en het structurele ontwerp van piëzo-elektrische kristallen en niet-piezo-elektrische materialen in het composietmateriaal aan te passen, kunnen verschillende piëzo-elektrische eigenschappen en mechanische eigenschappen worden bereikt om te voldoen aan verschillende toepassingsvereisten.
Piëzo -elektrisch composietmateriaal bestaat uit twee hoofdcomponenten: piëzo -elektrische keramiek en een polymeermatrix. Piëzo -elektrische keramiek zijn speciale keramische materialen die het piëzo -elektrische effect vertonen, dat wil zeggen het vermogen om ladingen te scheiden wanneer mechanische stress of een elektrisch veld wordt toegepast. De veelgebruikte piëzo -elektrische keramische materialen zijn loodbariumzirconaattitanaat (PZT) en barium loodoxide (PBB). Een polymeermatrix is een polymeermateriaal dat wordt gebruikt om piëzo -elektrische keramische deeltjes te vullen en te ondersteunen. Veelgebruikte polymeermaterialen zijn polyurethaan en polyimide.
De speciale piëzo -elektrische eigenschappen van piëzo -elektrische composieten zijn het gevolg van de interactie tussen het piëzo -elektrische keramiek en de polymeermatrix. Wanneer een mechanische spanning of een elektrisch veld wordt aangebracht, vervormen de piëzoceramische deeltjes enigszins, waardoor ladingscheiding veroorzaakt. Deze ladingsscheiding kan worden geoogst en gebruikt voor toepassingen zoals sensoren, actuatoren, energieopvang en stroomopwekking.
Piëzo -elektrische composieten hebben veel voordelen, waaronder hoge gevoeligheid, hoogspanningsuitgang, breed frequentieresponsbereik en goede duurzaamheid. Bovendien kunnen piëzo -elektrische composieten vanwege de flexibiliteit en plasticiteit van de polymeermatrix ook een verscheidenheid aan vormen en rekmodi realiseren, zoals buigen, strekken en extrusie, het uitbreiden van hun applicatievelden.
1. Akoestische sensor: piëzo -elektrisch composietmateriaal kan akoestisch signaal omzetten in elektrisch signaal, dus het wordt veel gebruikt in het gebied van akoestische sensor. Piëzo -elektrisch composietmateriaal kan bijvoorbeeld worden gebruikt om ultrasone sensoren te maken voor ultrasone detectie en beeldvorming op medisch veld.
Ultrasone samengestelde materiaaltransducer
2. Vibratie -energieoogst: piëzo -elektrisch composietmateriaal kan worden omgezet in elektrische energie door mechanische trillingen en worden gebruikt om trillingsergie in de omgeving te oogsten. Deze technologie voor het oogsten van energie wordt veel gebruikt in draadloze sensornetwerken, Internet of Things -apparaten, enz., Om de levensduur van apparaten van stroom te voorzien en te verlengen.
3. Druksensoren: piëzo -elektrisch composietmateriaal kan worden omgezet in elektrische signalen door de drukveranderingen te meten waaraan ze worden onderworpen. Dit maakt ze op grote schaal gebruikt op het gebied van druksensoren, bijvoorbeeld in industriële automatisering, automotive engineering en medische apparatuur voor het meten van drukveranderingen.
4. Trillingscontrole: piëzo -elektrisch composietmateriaal kan worden gebruikt in trillingscontrolesystemen, zoals structurele trillingscontrole en adaptieve trillingsreductiesystemen in het ruimtevaartveld. Effectieve controle van trillingen kan worden bereikt door een elektrisch veld toe te passen om de vorm en mechanische eigenschappen van het piëzo -elektrische composietmateriaal te regelen.
5. Energiebransmissie en stroomopwekking: piëzo -elektrisch composietmateriaal kan worden gebruikt voor energietransmissie en stroomopwekking. Door zijn piëzo -elektrische effect te gebruiken, wordt elektrische energie bijvoorbeeld gegenereerd onder mechanische stress, waardoor energietransmissie en stroomopwekking worden gerealiseerd. Deze technologie kan worden toegepast op gebieden zoals slimme structuren, energieopvang en meer.
Piëzo -elektrische composietmaterialen bieden verschillende voordelen ten opzichte van andere materialen in verschillende toepassingen vanwege hun unieke combinatie van eigenschappen. Ze hebben echter ook bepaalde beperkingen waarmee rekening moet worden gehouden. Laten we zowel de voordelen als mogelijke beperkingen van piëzo -elektrische samengestelde materialen onderzoeken:
Verbeterde prestaties: piëzo-elektrische composietmaterialen kunnen worden ontworpen om superieure piëzo-elektrische eigenschappen te vertonen in vergelijking met eenfase piëzo-elektrische materialen. Deze verbeterde prestaties omvatten hogere piëzo -elektrische coëfficiënten, wat leidt tot een betere omzetting van mechanische energie in elektrische energie en vice versa.
Op maat gemaakte eigenschappen: piëzo -elektrische composieten zorgen voor de aanpassing van eigenschappen door de samenstelling, geometrie en opstelling van samenstellende fasen aan te passen. Deze flexibiliteit stelt ingenieurs in staat om materialen te ontwerpen die voldoen aan specifieke toepassingsvereisten, zoals frequentierespons, gevoeligheid en temperatuurstabiliteit.
Mechanische flexibiliteit: in tegenstelling tot sommige traditionele piëzo -elektrische keramiek die bros en gevoelig zijn voor barsten onder mechanische stress, kunnen piëzo -elektrische composieten worden ontworpen om mechanisch flexibeler te zijn. Dit is met name voordelig in toepassingen waarbij het materiaal moet buigen of uitrekken zonder zijn piëzo -elektrische prestaties in gevaar te brengen.
Brede frequentiebereik: piëzo -elektrische composieten kunnen worden ontworpen om efficiënt te werken over een breed frequentiebereik. Deze veelzijdigheid maakt ze geschikt voor verschillende toepassingen, variërend van hoogfrequente actuatoren tot laagfrequente energieoogstmachines.
Verminderde akoestische impedantie: bij medische beeldvorming en sonar -toepassingen kunnen piëzo -elektrische composieten worden geoptimaliseerd om lagere akoestische impedantie te hebben, waardoor betere akoestische matching met het omliggende medium mogelijk is. Dit resulteert in verbeterde energietransmissie en ontvangst.
Complexe productie: het fabriceren van piëzo -elektrische composieten met precieze regelingen van samenstellende fasen kunnen een uitdaging en duur zijn. Het productieproces vereist zorgvuldige controle over materiaalafzetting, uitlijning en bindingstechnieken om de gewenste eigenschappen te bereiken.
Afwegingen tussen eigenschappen: het ontwerpen van piëzo-elektrische composieten omvat vaak afwegingen tussen verschillende eigenschappen. Het verbeteren van één aspect, zoals piëzo -elektrische coëfficiënt, kan bijvoorbeeld ten koste gaan van verminderde mechanische sterkte of verhoogde gevoeligheid voor temperatuurschommelingen.
Anisotropie en directionele gevoeligheid: piëzo -elektrische composieten kunnen anisotrope gedrag vertonen, wat betekent dat hun eigenschappen kunnen variëren, afhankelijk van de meetrichting of toepassing van stress. Deze directionele gevoeligheid kan de karakterisering van materiaal en apparaatontwerp bemoeilijken.
Beperkte temperatuurstabiliteit: sommige piëzo -elektrische composietformuleringen kunnen een beperkte stabiliteit hebben bij hoge temperaturen. Verhoogde temperaturen kunnen leiden tot veranderingen in materiaaleigenschappen, die hun prestaties en levensduur beïnvloeden.
Kosten en beschikbaarheid: afhankelijk van de specifieke samenstelling en productieproces kunnen piëzo -elektrische composieten duurder zijn om te produceren in vergelijking met traditioneel piëzo -elektrisch keramiek. Bovendien kunnen niet alle variaties van piëzo -elektrische composieten direct beschikbaar zijn op de markt.
Concluderend bieden piëzo -elektrische composietmaterialen een reeks voordelen, waaronder verbeterde prestaties, op maat gemaakte eigenschappen en mechanische flexibiliteit. Ze komen echter ook met uitdagingen met betrekking tot productiecomplexiteit, afwegingen tussen eigenschappen en directionele gevoeligheid. Zorgvuldige overweging van deze factoren is noodzakelijk bij het selecteren van piëzo -elektrische composieten voor specifieke toepassingen.
Nederlands