numero Sfoglia:40 Autore:Editor del sito Pubblica Time: 2023-09-06 Origine:motorizzato
Il materiale composito piezoelettrico è un materiale composito composto da cristalli piezoelettrici e materiali non piezoelettrici, che presenta eccellenti proprietà piezoelettriche e meccaniche.
Materiale composito piezoelettrico
L'effetto piezoelettrico si riferisce al fenomeno che alcuni cristalli genereranno la separazione della carica e la differenza potenziale quando sono soggetti a una pressione esterna o un campo elettrico. Usando questo effetto, l'energia meccanica può essere convertita in energia elettrica o energia elettrica può essere convertita in energia meccanica. Il principio di base dei materiali compositi piezoelettrici è che combinando cristalli piezoelettrici e materiali non piezoelettrici, l'effetto piezoelettrico è migliorato e ha applicazioni più ampie.
L'obiettivo di progettazione dei compositi piezoelettrici è migliorare le loro proprietà meccaniche, come resistenza, tenacità e resistenza alla fatica, mantenendo le proprietà piezoelettriche. Questo materiale composito è generalmente composto da due o più materiali, uno dei quali è un materiale cristallino piezoelettrico, come PZT (titano zirconato con bario di piombo), PZN (sodio piombo zirconato), ecc.; L'altro è un materiale non piezoelettrico, come polimeri, ceramiche, metalli, ecc.
I metodi di preparazione dei materiali compositi piezoelettrici includono reazione a stato solido, metodo sol-gel, riempimento della polvere di ceramica piezoelettrica, ecc. Attraverso questi metodi, la distribuzione uniforme e la stretta integrazione dei cristalli piezoelettrici e i materiali non piezoelettrici possono essere raggiunti, migliorando le prestazioni complessive del materiale.
I compositi piezoelettrici sono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni, come sensori, attuatori, dispositivi di onda acustica e acustica e raccolta e conservazione dell'energia. Regolando il rapporto e la progettazione strutturale di cristalli piezoelettrici e materiali non piezoelettrici nel materiale composito, è possibile ottenere diverse proprietà piezoelettriche e proprietà meccaniche per soddisfare diversi requisiti di applicazione.
Il materiale composito piezoelettrico è costituito da due componenti principali: ceramica piezoelettrica e una matrice polimerica. Le ceramiche piezoelettriche sono materiali ceramici speciali che presentano l'effetto piezoelettrico, ovvero la capacità di separare le cariche quando si applica lo stress meccanico o un campo elettrico. I materiali in ceramica piezoelettrica comunemente usati sono il bario piombo zirconato titanato (PZT) e l'ossido di piombo bario (PBB). Una matrice polimerica è un materiale polimerico utilizzato per riempire e supportare particelle di ceramica piezoelettrica. I materiali polimerici comunemente usati sono poliuretano e poliimmide.
Le speciali proprietà piezoelettriche dei compositi piezoelettrici derivano dall'interazione tra la ceramica piezoelettrica e la matrice polimerica. Quando viene applicata una sollecitazione meccanica o un campo elettrico, le particelle piezoceramiche si deformano leggermente, causando la separazione della carica. Questa separazione di carica può essere raccolta e utilizzata per applicazioni come sensori, attuatori, raccolta di energia e generazione di energia.
I compositi piezoelettrici presentano molti vantaggi, tra cui elevata sensibilità, uscita ad alta tensione, intervallo di risposta ad ampia frequenza e buona durata. Inoltre, a causa della flessibilità e della plasticità della matrice polimerica, i compositi piezoelettrici possono anche realizzare una varietà di forme e modalità di deformazione come flessione, allungamento ed estrusione, espandendo i loro campi di applicazione.
1. Sensore acustico: il materiale composito piezoelettrico può convertire il segnale acustico in segnale elettrico, quindi è ampiamente utilizzato nel campo del sensore acustico. Ad esempio, il materiale composito piezoelettrico può essere utilizzato per produrre sensori ad ultrasuoni per il rilevamento e l'imaging ad ultrasuoni in campo medico.
Trasduttore di materiale composito ad ultrasuoni
2. raccolta di energia di vibrazione: il materiale composito piezoelettrico può essere convertito in energia elettrica attraverso le vibrazioni meccaniche e utilizzato per raccogliere l'energia di vibrazione nell'ambiente. Questa tecnologia di raccolta energetica è ampiamente utilizzata nelle reti di sensori wireless, nei dispositivi Internet of Things, ecc. Per alimentare ed estendere la vita dei dispositivi.
3. Sensori di pressione: il materiale composito piezoelettrico può essere convertito in segnali elettrici misurando le variazioni di pressione a cui sono soggetti. Ciò li rende ampiamente utilizzati nel campo dei sensori di pressione, ad esempio in automazione industriale, ingegneria automobilistica e attrezzature mediche per misurare le variazioni di pressione.
4. Controllo delle vibrazioni: il materiale composito piezoelettrico può essere utilizzato nei sistemi di controllo delle vibrazioni, come il controllo delle vibrazioni strutturali e i sistemi di riduzione delle vibrazioni adattive nel campo aerospaziale. È possibile ottenere un controllo efficace delle vibrazioni applicando un campo elettrico per controllare la forma e le proprietà meccaniche del materiale composito piezoelettrico.
Sonar di evitamento delle collisioni
5. Trasmissione di energia e generazione di energia: il materiale composito piezoelettrico può essere utilizzato per la trasmissione di energia e la generazione di energia. Ad esempio, usando il suo effetto piezoelettrico, l'energia elettrica viene generata sotto stress meccanico, realizzando così la trasmissione di energia e la generazione di energia. Questa tecnologia potrebbe essere applicata in aree come strutture intelligenti, raccolta energetica e altro ancora.
I materiali compositi piezoelettrici offrono diversi vantaggi rispetto ad altri materiali in varie applicazioni a causa della loro combinazione unica di proprietà. Tuttavia, hanno anche alcune limitazioni che devono essere considerate. Esploriamo sia i vantaggi che i potenziali limiti dei materiali compositi piezoelettrici:
Prestazioni avanzate: i materiali compositi piezoelettrici possono essere progettati per mostrare proprietà piezoelettriche superiori rispetto ai materiali piezoelettrici monofase. Questa prestazione migliorata include coefficienti piezoelettrici più elevati, il che porta a una migliore conversione dell'energia meccanica in energia elettrica e viceversa.
Proprietà su misura: i compositi piezoelettrici consentono la personalizzazione delle proprietà regolando la composizione, la geometria e la disposizione delle fasi costituenti. Questa flessibilità consente agli ingegneri di progettare materiali che soddisfino requisiti specifici dell'applicazione, come risposta in frequenza, sensibilità e stabilità della temperatura.
Flessibilità meccanica: a differenza di alcune ceramiche piezoelettriche tradizionali che sono fragili e inclini a cracking sotto stress meccanico, i compositi piezoelettrici possono essere progettati per essere più meccanicamente flessibili. Ciò è particolarmente vantaggioso nelle applicazioni in cui il materiale deve sottoporsi a flessione o allungamento senza compromettere le sue prestazioni piezoelettriche.
Ampia intervallo di frequenza: i compositi piezoelettrici possono essere progettati per funzionare in modo efficiente attraverso un ampio intervallo di frequenza. Questa versatilità li rende adatti a varie applicazioni che vanno dagli attuatori ad alta frequenza ai raccoglitori di energia a bassa frequenza.
Impedenza acustica ridotta: nelle applicazioni di imaging medico e sonar, i compositi piezoelettrici possono essere ottimizzati per avere una minore impedenza acustica, consentendo una migliore corrispondenza acustica con il mezzo circostante. Ciò si traduce in una migliore trasmissione e ricezione energetica.
Produzione complessa: fabbricare compositi piezoelettrici con accordi precisi di fasi componenti può essere impegnativa e costosa. Il processo di produzione richiede un attento controllo delle tecniche di deposizione, allineamento e legame dei materiali per ottenere le proprietà desiderate.
I compromessi tra proprietà: la progettazione di compositi piezoelettrici comporta spesso compromessi tra varie proprietà. Ad esempio, il miglioramento di un aspetto, come il coefficiente piezoelettrico, potrebbe essere a costo della ridotta resistenza meccanica o una maggiore suscettibilità alle fluttuazioni della temperatura.
Anisotropia e sensibilità direzionale: i compositi piezoelettrici possono esibire un comportamento anisotropico, il che significa che le loro proprietà possono variare a seconda della direzione della misurazione o dell'applicazione dello stress. Questa sensibilità direzionale può complicare la caratterizzazione del materiale e la progettazione del dispositivo.
Stabilità a temperatura limitata: alcune formulazioni composite piezoelettriche possono avere una stabilità limitata ad alte temperature. Temperature elevate possono portare a cambiamenti nelle proprietà dei materiali, influenzando le loro prestazioni e longevità.
Costo e disponibilità: a seconda della composizione specifica e del processo di produzione, i compositi piezoelettrici possono essere più costosi da produrre rispetto alle ceramiche piezoelettriche tradizionali. Inoltre, non tutte le varianti di compositi piezoelettrici possono essere prontamente disponibili sul mercato.
In conclusione, i materiali compositi piezoelettrici offrono una serie di vantaggi, tra cui prestazioni migliorate, proprietà su misura e flessibilità meccanica. Tuttavia, presentano anche sfide relative alla complessità manifatturiera, ai compromessi tra proprietà e sensibilità direzionale. È necessaria un'attenta considerazione di questi fattori durante la selezione di compositi piezoelettrici per applicazioni specifiche.
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