Jenis-jenis Bahan (material) Piezoelektrik - Properti, dan Karakteristik

Dengan
karakteristik luar biasa mereka untuk menghasilkan listrik dari getaran
perangkat yang tidak digunakan, bahan piezoelektrik muncul sebagai
pemanen listrik revolusioner. Karena penelitian yang dilakukan pada
bahan-bahan ini, hari ini ada berbagai bahan piezoelektrik untuk
dipilih.

Spesifikasi berbeda mencirikan bahan-bahan
ini. Tapi, bagaimana cara memilih bahan untuk kebutuhan kita? Apa yang
dicari? Apa saja jenis bahan (material) piezoelektrik? Pada artikel ini,
kita melihat berbagai jenis bahan piezoelektrik beserta sifat-sifatnya.
Artikel ini menjelaskan lima manfaat dasar yang harus dicari saat
memilih bahan piezoelektrik untuk produk tersebut.

Jenis Bahan (material) Piezoelektrik

Berbagai jenis bahan piezoelektrik meliputi yang berikut ini.

Bahan (material) Alami

Kristal-kristal ini adalah dielektrik
anisotropik dengan kisi kristal non-sentrosimetri. Bahan kristal seperti
Kuarsa, garam Rochelle, Topaz, mineral keluarga Turmalin, dan beberapa
zat organik seperti sutra, kayu, enamel, tulang, rambut, karet, dentin
termasuk dalam kategori ini.

Bahan Sintetis Buatan Manusia

Bahan dengan sifat feroelektrik
digunakan untuk menyiapkan bahan piezoelektrik. Bahan buatan manusia
dikelompokkan ke dalam lima kategori utama – Analog kuarsa, Keramik,
Polimer, Komposit, dan Film Tipis.

Polimer : Polyvinylidene difluoride, PVDF atau PVF2.
Komposit : Piezocomposite adalah peningkatan dari piezopolymer. Mereka dapat dari dua jenis:
– Piezo polimer di mana bahan piezoelektrik direndam dalam matriks pasif elektrik.
– Komposit piezo yang dibuat dengan menggunakan dua keramik yang berbeda, misalnya serat BaTiO3 yang memperkuat matriks PZT.
Piezoelektrik buatan dengan struktur kristal sebagai perovskit :
Barium titanat, titanat timbal, Zirkonat titanat (PZT), Kalium niobat,
Lithium niobate, Lithium tantalate, dan keramik piezoelektrik bebas
timah lainnya.

Properti Bahan piezoelektrik yang berbeda

Sifat-sifat bahan piezoelektrik yang berbeda meliputi yang berikut ini.

Kuarsa

Kuarsa adalah bahan piezoelektrik kristal tunggal paling populer.
Bahan kristal tunggal menunjukkan sifat material yang berbeda tergantung
pada potongan dan arah propagasi gelombang curah. Osilator kuarsa yang
dioperasikan dalam mode geser ketebalan AT-cut digunakan di komputer,
TV, dan VCR.
Dalam perangkat SAW digunakan kuarsa ST-cut dengan propagasi X.
Kuarsa memiliki faktor kualitas mekanik QM> 105 yang sangat tinggi.

Lithium Niobate dan Lithium Tantalate

Bahan-bahan ini terdiri dari oktahedron oksigen.
Suhu curies dari bahan-bahan ini adalah masing-masing 121° dan 660°c.
Bahan-bahan ini memiliki koefisien kopling elektromekanis yang tinggi untuk gelombang akustik permukaan.

Barium Titanate

Bahan-bahan ini dengan dopan seperti ion Pb atau Ca dapat menstabilkan fasa tetragonal pada rentang suhu yang lebih luas.
Ini awalnya digunakan untuk vibrator piezoelektrik tipe-Langevin.

PZT

PZT doping dengan ion donor seperti Nb5+ atau Tr5+ memberikan PZT lunak seperti PZT-5.
Doping PZT dengan ion akseptor seperti Fe3+ atau Sc3+ memberikan PZT keras seperti PZT-8.

Timbal Titanate Ceramic

Ini dapat menghasilkan pencitraan ultrasonik yang jelas karena ada kopling planar yang sangat rendah.
Baru-baru ini, untuk transduser ultrasonik dan aktuator
elektromekanis ferroelektrik relaxor kristal tunggal dengan batas fase
morfotropik (MPB) sedang dikembangkan.

Polimer Piezoelektrik

Polimer piezoelektrik memiliki karakteristik umum tertentu sebagai

Baca Juga

Konstanta piezoelektrik kecil yang membuatnya menjadi pilihan yang baik untuk aktuator.
Konstanta g besar yang membuatnya menjadi pilihan yang baik sebagai sensor.
Bahan-bahan ini memiliki pencocokan impedansi akustik yang baik
dengan air atau tubuh manusia karena ringan dan elastisitasnya lembut.
Bandwidth resonansi luas karena QM rendah.
Bahan-bahan ini sangat dipilih untuk mikrofon terarah dan hidraulik ultrasonik.

Komposit Piezoelektrik

Komposit piezoelektrik yang terbuat dari piezoelektrik keramik dan fasa polimer membentuk bahan piezoelektrik yang sangat baik
Faktor kopling tinggi, impedansi akustik rendah, fleksibilitas mekanis menjadi ciri material ini.
Bahan-bahan ini terutama digunakan untuk sonar bawah air dan aplikasi transduser ultrasonik diagnostik medis.

Film Tipis

Untuk perangkat gelombang akustik dan akustik
permukaan, film tipis ZnO banyak digunakan karena ada sambungan
piezoelektrik yang besar.

Bahan (material) Piezoelektrik Terbaik?

Bahan piezoelektrik
dipilih berdasarkan persyaratan aplikasi. Bahan yang dapat dengan mudah
memenuhi persyaratan kami dapat dianggap yang terbaik. Ada beberapa
faktor yang harus dipertimbangkan saat memilih bahan piezoelektrik.

Kelima manfaat penting piezoelektrik adalah

Faktor kopling elektromekanis k

k2 = (Energi mekanik tersimpan/Energi listrik input) atau
k2 = (Energi listrik tersimpan/Energi mekanik input)

Konstanta regangan piezoelektrik d

Menjelaskan hubungan besarnya regangan yang diinduksi x dengan medan listrik E sebagai x = d.E

Konstanta tegangan piezoelektrik g

g mendefinisikan hubungan antara tegangan eksternal X dan medan listrik terinduksi E sebagai E = g.X
Menggunakan hubungan P = d.X kita dapat menyatakan g = d/ε0.ε. di mana ε = permitivitas.

Faktor kualitas mekanik QM

Parameter ini mencirikan ketajaman sistem resonansi elektromekanis.
QM = ω0/2 ω.

Impedansi Akustik Z

Parameter ini mengevaluasi transfer energi akustik antara dua bahan. Ini didefinisikan sebagai Z2 = (kecepatan tekanan/volume). Dalam bahan padat Z = √ρ.√ϲ di mana ρ adalah kepadatan dan ϲ adalah kekakuan elastis material.

Tabel Karakteristik Piezoelektrik

Karakteristik	Simbol	SATUAN	BaTiO₃	PZT	PVDF
Massa jenis		10³kg/m³	5,7	7,5	1,78
Izin relatif	ε/ε₀		1700	1200	12
Piezoelektrik	d31	10^-12 C / N	78	110	23
Konstan	g31	10^-3 Vm / N	5	10	216
Konstan Tegangan	k₃₁	pada 1kHz	21	30	12

Polimer memiliki konstanta piezoelektrik yang rendah dibandingkan dengan keramik.
Perubahan bentuk bahan berbasis keramik lebih dari pada bahan berbasis polimer ketika jumlah tegangan yang sama diterapkan.
Koefisien tegangan piezoelektrik dari PVDF adalah bahan yang lebih baik untuk aplikasi sensor.
Karena koefisien kopling elektromekanis yang lebih besar, PZT
digunakan dalam aplikasi di mana tekanan mekanik harus dikonversi
menjadi energi listrik.
Tiga parameter yang harus dipertimbangkan untuk memilih bahan
piezoelektrik untuk aplikasi yang bekerja di bawah resonansi mekanik
adalah faktor kualitas mekanik, faktor kopling elektromekanis, dan
konstanta dielektrik. Semakin tinggi besaran parameter ini yang terbaik
adalah bahan untuk aplikasi.
Bahan dengan koefisien regangan piezoelektrik yang besar, level
regangan non-histeretik yang besar adalah yang terbaik untuk aktuator.
Bahan dengan faktor kopling elektromekanis tinggi dan permitivitas dielektrik tinggi paling baik sebagai transduser.
Kehilangan dielektrik rendah penting untuk bahan yang digunakan
dalam aplikasi frekuensi resonansi-off yang menghasilkan pembangkit
panas rendah.

Berdasarkan sifat fisik, material,
elektromekanis ini, kita dapat dengan mudah membedakan antara bahan
piezoelektrik. Properti ini membantu kami memilih bahan piezoelektrik
terbaik untuk aplikasi kita. Materi apa yang telah Anda gunakan untuk
aplikasi Anda? Modifikasi apa yang diperlukan untuk bahan yang ada untuk
mengatasi keterbatasan mereka?