Таблицы основных свойств пьезокерамических материалов ПКР,изготовляемые

Отделением сегнетопьезоэлектрических материалов, приборов и устройств НИИ физики ЮФУ

главная , пьезоматериалы , пьезокерамика , преобразователи , контакты

Шифр материалов - ПКР (пьезоэлектрическая керамика ростовская). Основу большинства материалов составляют многокомпонентные системы сложных оксидов. Материалы изготавливаются как методом горячего прессования, так и по обычной керамической технологии. Ниже приводятся различные группы пьезокерамических материалов типа ПКР, производимые нашим Отделением, и сравнение их с промышленными.

Выделяются 9 групп:

Материалы, устойчивые к электрическим и механическим воздействиям. В табл.1 приведены параметры пьезокерамических материалов сегнетожестких и средней сегнетожесткости, устойчивых к электрическим и механическим воздействиям.

Таблица 1. Параметры пьзокерамических материалов, устойчивых
к электрическим и механическим воздействиям
Материалы
Tk, C °
 eT 33/e0
Kp
|d 31|,
пКл/Н
|g 31|,
мВ*м/Н
tgδ*10 2
Qм
Qqм,
q=13 МПа
E=50, В/см
E=1, кВ/см
Сегнетожесткие
ПКР-8
325
1400
0.58
130
10.5
0.35
0.70
2000
700
ПКР-8*
320
1300
0.57
125
10.8
0.33
0.50
1800
-
ПКР-77
345
1350
0.62
140
11.7
0.30
0.40
1200
-
ПКР-78
350
1250
0.60
130
11.7
0.30
0.60
1000
-
ПКР-23
325
900
0.58
85
10.7
0.85
-
1500
1000
Аналоги
PZT-8
300
1000
0.5
93
10.5
0.40
0.70
1000
-
ЦТССт -3
260
1470
0.54
125
9.6
0.60
1.10
630
-
Средней сегнетожесткости
ПКР-12
285
2000
0.66
185
10.4
0.35
0.85
1300
-
ПКР-22
240
2100
0.57
155
8.4
0.35
0.90
1800
750
ПКР-86
235
2300
0.60
170
8.4
0.35
0.60
1250
-
ПКР-6
230
2300
0.64
195
9.6
0.40
1.00
1100
300
Аналоги
PZT-4
328
1300
0.58
123
10.7
0.40
1.00
500
110
ЦТБС-3
180
2300
0.45
158
7.8
1.20
2.00
350
-
* спекался по обычной технологии

Материалы с высокой диэлектрической проницаемостью. К этой группе относятся сегнетомягкие материалы. Помимо высокой величины eT 33/e0 материалы этой группы отличается высокими значениями коэффициентов элекромеханической связи K ij и пьезомодулей d ij. Высокая диэлектрическая проницаемость определяет основное назначение материалов -использование в низкочастотных приемных устройствах - гидрофонов, микрофонах, сейсмоприемниках.

Кроме работы на низких частотах указанные материалы могут использоваться в приборах медицинской диагностики, работающих на нагрузку с низкоомным входным сопротивлением, которое обеспечивает согласование с ней преобразователя на высоких частотах.

Таблица 2. Параметры пьезокерамических материалов с высокой диэлектрической
проницаемостью
Материалы
Tk, C °
 eT 33/e0
Kp
K 33
|d 31|,
пКл/Н
d 33,
пКл/Н
  
tgδ*10 2,
пКл/Н
E=50, В/см
E=1, кВ/см
ПКР-66
280
2800
0.68
0.72
245
535
10.2
1.20
70
ПКР-7
220
3500
0.68
0.76
280
610
10.3
1.50
80
ПКР-7М
175
5000
0.71
0.78
350
760
10.8
2.0
60
ПКР-73
155
6000
0.70
0.77
380
860
11.1
2.9
35
Аналоги
PZT-5H
193
3400
0.65
0.75
274
593
10.2
2.0
65
РСМ-33А
-
3200
0.66
0.71
262
572
10.1
1.7
80
ЦТСНВ-1
240
2200
0.54
0.69
205
445
9.5
1.9
70

Высокочувствительные материалы . Материалы данной группы (табл.3) отличаются повышенной чувствительностью к механическому напряжению, характеризуемой пьезоэлектрическим коэффициеном g ij. Материалы типа ПКР обладают высокими значениями коэффициенов электромеханической связи Kp, K 15 при более низкой диэлектрической проницаемости, чем у промышленных аналогов. Рассмотренные материалы могут эффективно использоваться в акселерометрах, ультразвуковых дефектоскопах, устройствах для неразрушающего контроля материалов методом акустической эмисси, приборах для ультразвуковой медицинской диагностики. Их низкая механическая добротность способствует подавлению ложных колебаний в соответствующих устройствах.

Таблица 3. Параметры высокочувствительных пьезокерамических материалов
Материалы
Tk, C °
 eT 33/e0
Kp
K 15
|d 31|,
пКл/Н
d 33,
пКл/Н
|g 31|,
мВ*м/Н
g 33,
мВ*м/Н
 tgδ*10 2
Qм
E=50, В/см
ПКР-1
355
650
0.62
0.70
95
220
16.5
38.0
2.0
90
ПКР-37
345
1400
0.68
-
170
375
13.7
30.3
1.6
105
Аналоги
Пьезолан-S
350
800
0.48
0.60
92
206
13.0
29.4
2.5
80
PZT-5A
365
1700
0.60
0.68
171
374
11.4
24.8
24.8
75
ЦТС-19*
290
1600
0.60
-
150
340
10.6
24.0
24.0
50
* Спекался методом горячего прессования

Материалы со средней диэлектрической проницаемостью . Материалы этой группы занимают промежуточное положение между материалами с высокой диэлектрической проницаемостью и высокочувствительными материалами. Указанные материалы предназначены для преобразователей, работающих в режиме приема, и обладают достаточно высокой чувствительностью при работе как на нагрузку (удельная чувствительность), так и в режиме холостого хода, т. е. им соответствуют достаточно высокие значения коэффициентов d 33/√eT 33/e0 и g ij.

Таблица 4. Параметры пьезокерамических материалов со средней диэлектрической
проницаемостью
Материалы
Tk, C °
 eT 33/e0
Kp
|d 31|,
пКл/Н
d 33,
пКл/Н
|g 31|,
мВ*м/Н

d 33/√eT 33/e0 ,

пКл/Н
tgδ*10 2
Qм
E=50, В/см
ПКР-88
315
2200
0.65
210
470
10.7
10.0
1.4
70
ПКР-89
320
1900
0.67
205
460
10.5
10.5
1.6
75
Аналоги
PZT-5A
365
1700
0.60
171
374
11.4
9.1
2.0
75
ЦТСНВ-1
240
2200
0.54
205
445
10.5
9.5
1.9
70
ЦТС-19*
290
1600
0.60
150
340
10.6
8.5
2.5
60
*Спекался методом горячего прессования;остальные материалы - по обычной керамической технологии

Материалы с высокой анизотропией пьезоэлектрических параметров. Пьезокерамические материалы указанного вида (табл. 5) предназначены для ультразвуковых дефектоскопов, акселерометров, пьезокерамических датчиков с повышенной чувствительностью к гидростатическому давлению и ряда других устройств.

Таблица 5. Параметры пьезокерамических материалов с высокой анизотропией
пьезоэлектрических коэффициентов
Материалы
Tk, C °
eT 33/e0
Kp
K 15
|d 31|,
пКл/Н
d 33,
пКл/Н
|g 31|,
мВ*м/Н
g 33,
мВ*м/Н
 tgδ*10 2
Qм
E=50, В/см
ПКР-40
440
180
0.07
0.44
5.0
5.2
3.2
33
1.0
2000
Японский аналог
460
190
0.10
0.43
-
-
-
-
-
1050
ПКР-69
350
170
0.04
0.57
3.5
90
2.3
60
2.2
50
ПКР-70
324
120
0
0.64
0
114
0
108
2.1
8
Японский аналог
260
255
0
0.51
0
-
0
-
2.3
18

Материалы с высокой стабильностью резонансной частоты . Материалы данной группы (табл. 6) предназначены для использования в фильтровых устройствах. Большинство материалов типа ПКР имеют высокую механическую добротность Qм. Большая часть материалов ПКР данной группы спекаются по обычной керамической технологии(ПКР-13,28,30,31,74,80,62), остальные - методом горячего прессования.

Таблица 6. Параметры пьзокерамических материалов с высокой стабильностью
резонансной частоты
Материалы
Tk, C °
 eT 33/e0
Kp
Kt
|d 31|,
пКл/Н

δf θ /fr,%

(-60 ÷ +85 °C)
C 33 D / C 44 E
tgδ*10 2
E=50, В/см  
ПКР-15
325
950
0.45
-
75
0.25
-
0.6
2500
ПКР-31
305
940
0.45
-
81
0.25
-
1.5
1100
ПКР-13
335
800
0.40
0.41
65
0.2-0.25
-
0.7
2800
ПКР-63
235
1170
0.37
0.38
60
<0.15
-
2.0
1100
ПКР-80
310
800
0.36
-
51
0.25
-
0.6
4000
ПКР-30
305
780
0.32
-
47
<0.15
-
1.3
2000
ПКР-62
300
660
0.32
0.35
42
<0.15
-
1.4
2700
ПКР-28
325
600
0.28
-
36
0.25
-
0.5
2000
ПКР-83
360
400
0.26
-
28
0.15
-
0.6
4000
ПКР-84
360
180
0.10
0.25
6
0.15
-
0.2
12000
ПКР-21
310
1400
0.53
0.45
100
0.25
-
0.7
300
ПКР-74
365
850
0.52
0.47
90
0.20*
6
1.6
400
Аналоги
PZT-6A
335
1050
0.42
0.39
80
<0.20
-
2.0
450
PZT-6B
350
460
0.25
0.30
27
<0.20
-
0.9
1300
ЦТС-35
300
1000
0.46
0.49
95
<0.5
-
2.0
700
ЦТС-35У
290
800
0.50
0.50
90
0.5*
6
2.5
650
* Измерения на толщинной моде

Материалы с низкой диэлектрической проницаемостью.Указанная группа материалов предназначена для использования в высокочастотных акустоэлектрических преобразователях. Приведенные в табл.7 материалы с высокой механической добротностью могут также эффективно использоваться в устройствах с высоким КПД.

Таблица 7. Параметры пьезокерамических материалов с низкой диэлектрической
проницаемостью
Материалы
Tk, C °
 eT 33/e0
Kp
K 15
|d 31|,
пКл/Н
|g 31|,
мВ*м/Н
tgδ*10 2
Qм
VR,км/с
E=50, В/см
ПКР-53
240
260
0.20
-
16
7.0
0.3
4500
4.20
ПКР-11
280
290
0.31
0.45
27
10.5
0.3
4000
4.05
ПКР-3
280
350
0.38
-
37
12.0
0.5
2000
3.95
ПКР-10
320
380
0.47
0.65
49
14.6
0.3
2500
3.80
ПКР-24
320
480
0.53
0.68
64
15.1
1.0
200
3.60
ПКР-20
315
510
0.54
0.72
70
15.5
0.8
700
3.60
Аналоги
РСМ -75
359
390
0.23
-
23.5
6.8
0.25
4520
-
PZT -2
370
450
0.47
0.70
60
15.1
0.5
680
-
Подгруппа с высокой скоростью звука, промышленных аналогов нет
ПКР-35
370
120
0.22
0.31
12
10.5
1.6
1000
5.90
ПКР-34
420
460
0.42
~0.60
45
10.0
2.5
150
5.40

 

Таблица 8. Параметры распространения ПАВ в пьезокерамических материалах
Материалы
V*,м/с
Ks

α ** p ,

дБ/см(f МГц)

ТКЗ*10 6,

K -1 (-10+70 °C)

 eT 33/e0
ПКР-35
3450
0.11
1.3 (17МГц)
130
120
ПКР-36
2440
0.12
0.8(12МГц)
60
360
ПКР-53
2440
0.16
0.7(12МГц)
50
240
V* - скорость распределения ПАВ Рэлея; α**p - потери на распространение ПАВ

Пироэлектрические материалы. Большинство материалов предыдущей группыобладают высоким пирокоэффициентом γ и могут использоваться в качестве рабочих элементов датчиков пироэлектических приемниках лучистой (тепловой) энергии. Пироприемники используются для дистанционного измерения температуры нагретых тел, в том числе движущихся, для измерения тепловых потоков, в системах защиты. Датчики пироприемников должны обладать высокой чувствительностью к слабым тепловым излучениям в достаточно широком температурном интервале, быть механически прочными и стабильными во времени.

Таблица 9. Параметры пироэлектрических материалов
Материалы
 eT 33/e0
|d 31|,
пКл/Н

γ*10 4,

Кл/(м2*K)

(γ*eT 33/e0)*10 6,

Кл/(м2*K)

(γ*d 31)*10 -6,

Н/(м2*K)

ПКР-3
350
37
5.5
1.6
14.9
ПКР-3М
420
48
5.5
1.3
11.5
ПКР-11
290
27
5.0
1.7
18.5
ПКР-10
380
49
5.0
1.3
10.4
Аналоги
PZT -4
1300
123
3.7
0.3
3.0
PZT -5А
1700
171
4.7
0.3
2.8
ЦТС-23
1330
100
2.1
0.2
2.1
ПКД-233/18
360
-
3.0
0.8
-

Высокотемпературные материалы.Материалы эти отличаются высокими значениями точки Кюри и рабочих температур. Они могу эффективно использоваться в таких устройствах, как ультразвуковые дефектоскопы и толщиномеры для неразрушающего контроля нагретых тел, расходомеры и уровнемеры жидкостей и газов в нагретых трубопроводах и баках, датчики контроля процессов, происходящих в различных промышленных энергетических установках. Материалы в таблице расположены в порядке возрастания их температур Кюри (Tk) .Все они имеют пониженные или низкие величины диэлектрической проницаемости, что благоприятно при использовании их в высокочастотных устройствах.

Таблица 10. Параметры высокотемпературных пьезокерамических материалов
Материалы
Tk, C °
Tраб, C °
eT 33/e0
tgδ*10 2
Kp
K t
|d 31|,пКл/Н
d 33, пКл/Н
g 33,
мВ*м/Н
Qм
E=50, В/см
ПКР-26
400
300
455
1.0
0.32
-
35
90
22.5
200
ПКР-45
420
350
380
0.1
0.26
0.46
30
100
30.0
3000
ПКР-40
440
350
180
1.0
0.07
0.44
5
52
33.0
2000
ПКР-50
670
500
150
0.4
0.04
0.32
3
25
19.0
4000
ПКР-61
≥1200
950
48
1.9
0.015
0.29
0.51
12
28.5
<100
Аналоги
ЦТС-21
400
300
420
1.8
0.27
-
30
75
20.0
100
ТНаВ-1
670
500
130
1.0
-
-
-
14-16
13.0
~2000
ТНВ-1
~920
750
100
1.0
-
-
-
7
8.0
-

Электрофизические параметры пьезоматериалов
(E-диэлектрическая проницаемость, d -пьезомодуль, g- пьезочувствительность, Q -механическая добротность, k- коэффициенты связи, обозначения по ANSI/IEEE Std176-1987 An american National Standard IEEE Standard on Piezoelertrisity)