тел: (495) 600-40-84
Пьезокерамические материалы

Пьезокерамические материалы

Сегнетомягкие пьезоматериалы

Сегнетомягкие пьезоматериалы характеризуются высокой подвижностью диполей (доменов), вследствие чего легче поляризуются. Преимуществами данного типа керамики являются высокие значения пьезомодуля, коэффициента электромеханической связи, умеренные значения диэлектрической проницаемости. Основными сферами применения для сегнетомягкой пьезокерамики являются:

· производство актуаторов для микро- и нанопозиционирования

· производство высокочувствительных датчиков вибраций, расходомеров, маломощных ультразвуковых преобразователей

Область применения

PIC-151

PIC-255

PIC-155

PIC-153

PIC-152

Актуаторы с высокой величиной толкающего усилия

x

Актуаторы для высокочастотных приложений (переключатели, активное подавление вибраций, сканирование), устойчивые к воздействию высоких температур

х

Маломощные ультразвуковые преобразователи

х

х

Низкочастотные электроакустические преобразователи звука

х

Датчики силы

х

Акустические датчики

х

Микрофоны, низкочастотные вибродатчики

х

Гидрофоны

х

Пьезопозиционеры

х

Пьезопреобразователи для медицинской диагностики

х

Акселерометры

х

 
Сегнетожёсткие и бессвинцовые пьезоматериалы

Сегнетожёсткие пьезоматериалы (PIC-181, PIC-184, PIC-300) отличаются устойчивостью к высоким электрическим и механическим воздействиям, низкими диэлектрическими потерями, что позволяет их использовать для создания мощных ультразвуковых устройств, пьезодвигателей.

Бессвинцовые материалы (PIC-700, PIC-050) отличаются высокой температурой Кюри (>500 °С), что позволяет использовать их длительное время на резонансной моде, а также обладают высокой линейностью, что позволяет создавать актуаторы с высокой повторяемостью позиционирования. Основным недостатком данных материалов является низкое значение пьезомодуля, ограничивающее ход актуаторов до нескольких микрон.

Область применения

PIC-181

PIC-184

PIC-300

PIC-700

PIC-050

Ультразвуковые пьезодвигатели

х

Гидроакустика (гидролокаторы, эхолоты)

х

х

Приложения, где требуется устойчивость к воздействию высоких температур (до 300 °С)

х

Ультразвуковые ванны/диспергаторы/сварка/сверление/склеивание

х

Ультразвуковые пьезопреобразователи в диапазоне более 1 МГц

х

Актуаторы, обладающие высокой линейностью (низким уровнем гистерезиса), высокочастотное позиционирование, температурная стабильность

х


Технология производства пьезокерамических элементов

Процесс изготовления пьезокерамики можно разделить на несколько этапов.


Прессование


Основными компонентами исходного сырья являются оксиды титана, циркония и свинца. Выпускаются также пьезокерамические материалы на основе титаната висмута и титаната бария. Перед стадией прессования полученный из исходных веществ порошок подвергают обжигу, измельчению и сушке методом распыления. Сами прессовки изготавливаются методом гидравлического прессования (рис.1).

Прессование.JPG

Рис.1 Процесс прессования

Прессовки могут иметь различные формы: диск, пластина, стержень или цилиндр. Широкий выбор пресс-матриц позволяет изготавливать пьезоэлементы различных размеров: до 80 мм в диаметре и до 50 мм в высоту. До стадии спекания прессовки могут быть подвержены механической обработке.

Спекание

Спекание осуществляется при температурах до 1300 °С, при этом прессовка уменьшается в объёме приблизительно на 30 %. В результате получается твёрдая пьезокерамика с высокой плотностью и поликристаллической структурой (рис.2).

Прессовки после спекания.JPG

Рис.2 Прессовки после спекания

Механическая обработка

При необходимости возможно осуществлять обработку прессовок после спекания. Пьезодиски и пьезопластины могут иметь толщину от 0.2 мм, существует возможность сверления отверстий с диаметром от 0.3 мм. Почти любые контуры поверхностей пьезоэлементов могут быть изготовлены с точностью до 0.1 мм. Ультразвуковая обработка используется в случаях производства тонкостенных пьезотрубок с толщиной стенок порядка 0.5 мм. На рис.3 показана механическая обработка прессовок после стадии спекания. Вначале их располагают в виде плотной упаковки и склеивают для надёжной фиксации, затем проводят алмазную резку, после чего подвергают шлифованию, что позволяет обеспечить соответствие формы и размеров требуемому диапазону допусков. Геометрические размеры и свойства материала в конечном счёте определяют функциональные параметры, такие как резонансная частота, ёмкость, жёсткость.

Резка алмазным инструментом.JPG

Рис. 3 Процесс обработки прессовок

Нанесение электродов на пьезоэлементы

Наибольшее распространение получил способ вжигания серебра или сплава серебра с палладием, который состоит в следующем: на обезжиренную поверхность заготовки наносят слой серебряной пасты (смесь окиси серебра и связки), затем заготовки просушивают и производят вжигание при температуре порядка 800 °С. Типичная толщина получаемой плёнки составляет от 5 мкм до 10 мкм.

вжигание.JPG

Рис.4 Процесс нанесения электродов методом трафаретной печати

Тонкоплёночные электроды наносят методом осаждения из газовой фазы (рис.5), при этом толщина плёнки составляет 1 мкм. Стандартными материалами для напыления являются золото, медь, сплав меди с никелем. Данный метод широко применяется для нанесения электродов на стенки пьезотрубок.

PVD процесс.jpg

Рис.5 Процесс нанесения электродов методом конденсации из газовой фазы

Поляризация

Направление поляризации каждого домена в поликристаллической структуре распределяется случайным образом. Таким образом, в макроскопическом масштабе пьезоэлектрического эффекта не наблюдается, поэтому проводят процесс поляризации (рис.6) для выравнивания доменов.

Для поляризации к электродам подводится электрическое напряжение. Напряжённость поля составляет величину порядка 3000 В/мм. С целью уменьшения напряженности поля в ходе процесса поляризации пьезоэлемент нагревают до температур, близких к точке Кюри (т. к. при этом домены обладают большей подвижностью), а затем медленно охлаждают в присутствии поля. 

поляризация.JPG

Рис.6 Процесс поляризации пьезоэлементов

  Заключительная проверка пьезокерамических элементов

проверка качества пьезоэлементов.JPG


Перед отгрузкой пьезоэлементов на склад осуществляется перечень процедур контроля по стандарту ISO 2859, включающие:

  • Тестирование физических свойств, таких как резонансная частота, сопротивление, ёмкость, коэффициенты электромеханической связи и тангенс угла диэлектрических потерь.
  • Визуальное инспектирование пьезоэлементов по стандарту MIL-STD-1376, в частности проверка качества поверхности электродов, пор внутри пьезокерамики, сколов по краям, царапин и т.п














Перед запросом цены на пьезокерамические элементы заполните, пожалуйста, форму с техническими требованиями.

Характеристика***

Обозна-чение

Ед. измер.

PIC

151

PIC

255

PIC

155

PIC

153

PIC

152

PIC

181

PIC

184

PIC

300

PIC

050

Физические и диэлектрические свойства

Плотность

ρ

г/см3

7,80

7,80

7,80

7,60

7,70

7,80

7,75

7,80

4,7

Температура Кюри

Tс

°С

250

350

345

185

340

330

295

370

>500

Относительная диэлектрическая постоянная

в направлении поляризации

εT33/ ε0

-

2400

1750

1450

4200

1350

1200

1015

1050

60

перпендикулярно

направлению поляризации

εT11/ ε0

-

1980

1650

1400

-

-

1500

1250

950

85

Тангенс угла диэлектрических потерь

tanδ

10-3

20

20

20

30

15

3

5

3

<1

Электромеханические свойства

Коэффициент электромеханической связи

kp

-

0,62

0,62

0,62

0,62

0,48

0,56

0,55

0,48

-

kt

0,53

0,47

0,48

-

-

0,46

0,44

0,43

-

k31

0,38

0,35

0,35

-

-

0,32

0,30

0,25

-

k33

0,69

0,69

0,69

-

0,58

0,66

0,62

0,46

-

Пьезоэлектрический модуль

d31

10-12 Кл/Н

-210

-180

-165

-

-

-120

-100

-80

-

d33

500

400

360

600

300

265

219

155

40

d15

550

-

-

-

475

418

155

80

Электрические константы по напряжению

g31

10-3 В·м/Н

-11,5

-11,3

-12,9

-

-

-11,2

-11,1

-9,5

-

g33

22

25

27

16

25

25

24,4

16

-

Акустико-механические свойства

Частотные постоянные

Np

Гц·м

1950

2000

1960

1960

2250

2270

2195

2350

-

N1

1500

1420

1500

-

-

1640

1590

1700

-

N3

1750

-

1780

-

-

2010

1930

1700

-

Nt

1950

2000

1990

1960

1920

2110

2035

2100

-

Упругие константы (податливость)

SE11

10-12 м2

15,0

16,1

15,6

-

≈13,0

11,8

12,7

11,1

-

SE33

19,0

20,7

19,7

-

≈19,0

14,2

14,0

11,8

-

Упругие константы (жесткость)

СD33

1010 Н/ м2

10,0

-

11,1

-

≈16,0

16,6

14,8

16,4

-

Механическая добротность

Qm

-

100

80

80

50

100

2000

400

1400

-

Температурная стабильность

Температурный коэффициент εT33

(в диапазоне от -20 °С до +125 °C)

TK εT33

10-3 /K

6

4

6

5

2

3

5

2

-

Устойчивость к старению (относительное изменение параметров за 10 лет)

Относительная диэлектрическая постоянная

Сε

%

-

-1,0

-2,0

-

-

-

-4

-

-

Коэффициент электромеханической связи

СK

%

-

-1,0

-2,0

-

-

-

-2

-

-


*Данные, приведенные в таблицах, были получены при тестировании пьезокерамических элементов с размерами и формой в соответствии с европейским стандартом EN 50324 2. Испытание проводилось через 24 - 48 часов после поляризации при температуре 23±2 °С.

Перед запросом цены на пьезокерамические элементы заполните, пожалуйста, форму с техническими требованиями.