Nombre Parcourir:40 auteur:Éditeur du site publier Temps: 2023-09-06 origine:Propulsé
Le matériau composite piézoélectrique est un matériau composite composé de cristaux piézoélectriques et de matériaux non piezoélectriques, qui ont d'excellentes propriétés piézoélectriques et mécaniques.
Matériau composite piézoélectrique
L'effet piézoélectrique fait référence au phénomène que certains cristaux généreront une séparation de charge et une différence de potentiel lorsqu'ils sont soumis à une pression externe ou à un champ électrique. En utilisant cet effet, l'énergie mécanique peut être convertie en énergie électrique ou en énergie électrique peut être convertie en énergie mécanique. Le principe de base des matériaux composites piézoélectriques est qu'en combinant les cristaux piézoélectriques et les matériaux non piezoélectriques, l'effet piézoélectrique est amélioré et a des applications plus larges.
L'objectif de conception des composites piézoélectriques est d'améliorer leurs propriétés mécaniques, telles que la résistance, la ténacité et la résistance à la fatigue, tout en maintenant les propriétés piézoélectriques. Ce matériau composite est généralement composé de deux matériaux ou plus, dont l'un est un matériau cristallin piézoélectrique, tel que PZT (titanate de zirconate de baryum en plomb), PZN (plomb de zirconate de sodium), etc.; L'autre est un matériau non piezoélectrique, comme les polymères, la céramique, les métaux, etc.
Les méthodes de préparation des matériaux composites piézoélectriques comprennent la réaction à l'état solide, la méthode du sol-gel, le remplissage de la poudre de céramique piézoélectrique, etc. Grâce à ces méthodes, la distribution uniforme et l'intégration étroite des cristaux piézoélectriques et des matériaux non piézoélectriques peuvent être obtenus, améliorant ainsi les performances globales.
Les composites piézoélectriques sont utilisés dans un large éventail d'applications, telles que les capteurs, les actionneurs, les dispositifs d'ondes acoustiques et acoustiques, ainsi que la récolte et le stockage d'énergie. En ajustant le rapport et la conception structurelle des cristaux piézoélectriques et des matériaux non piezoélectriques dans le matériau composite, différentes propriétés piézoélectriques et propriétés mécaniques peuvent être obtenues pour répondre à différentes exigences d'application.
Le matériau composite piézoélectrique se compose de deux composants principaux: la céramique piézoélectrique et une matrice polymère. La céramique piézoélectrique est des matériaux en céramique spéciaux qui présentent l'effet piézoélectrique, c'est-à-dire la capacité de séparer les charges lorsque la contrainte mécanique ou un champ électrique est appliquée. Les matériaux en céramique piézoélectrique couramment utilisés sont le titanate de zirconate de baryum en plomb (PZT) et l'oxyde de barium (PBB). Une matrice polymère est un matériau polymère utilisé pour remplir et prendre en charge les particules de céramique piézoélectrique. Les matériaux polymères couramment utilisés sont le polyuréthane et le polyimide.
Les propriétés piézoélectriques spéciales des composites piézoélectriques résultent de l'interaction entre la céramique piézoélectrique et la matrice polymère. Lorsqu'une contrainte mécanique ou un champ électrique est appliquée, les particules piézocéramiques se déforment légèrement, provoquant une séparation des charges. Cette séparation des charges peut être récoltée et utilisée pour des applications telles que les capteurs, les actionneurs, la récolte d'énergie et la production d'électricité.
Les composites piézoélectriques présentent de nombreux avantages, notamment une sensibilité élevée, une sortie à haute tension, une plage de réponse à grande fréquence et une bonne durabilité. De plus, en raison de la flexibilité et de la plasticité de la matrice polymère, les composites piézoélectriques peuvent également réaliser une variété de formes et de modes de déformation tels que la flexion, l'étirement et l'extrusion, élargissant leurs champs d'application.
1. Capteur acoustique: le matériau composite piézoélectrique peut convertir le signal acoustique en signal électrique, il est donc largement utilisé dans le domaine du capteur acoustique. Par exemple, un matériau composite piézoélectrique peut être utilisé pour fabriquer des capteurs à ultrasons pour la détection et l'imagerie à ultrasons dans le domaine médical.
Transducteur de matériau composite à ultrasons
2 . Cette technologie de récolte d'énergie est largement utilisée dans les réseaux de capteurs sans fil, les appareils Internet des objets, etc., pour alimenter et prolonger la durée de vie des appareils.
3. Capteurs de pression: le matériau composite piézoélectrique peut être converti en signaux électriques en mesurant les changements de pression auxquels ils sont soumis. Cela les rend largement utilisés dans le domaine des capteurs de pression, par exemple dans l'automatisation industrielle, l'ingénierie automobile et les équipements médicaux pour mesurer les changements de pression.
4. Contrôle des vibrations: le matériau composite piézoélectrique peut être utilisé dans les systèmes de contrôle des vibrations, tels que le contrôle structurel des vibrations et les systèmes de réduction des vibrations adaptatifs dans le champ aérospatial. Un contrôle efficace des vibrations peut être obtenu en appliquant un champ électrique pour contrôler la forme et les propriétés mécaniques du matériau composite piézoélectrique.
Sonar d'évitement des collisions
5. Transmission d'énergie et production d'électricité: un matériau composite piézoélectrique peut être utilisé pour la transmission d'énergie et la production d'énergie. Par exemple, en utilisant son effet piézoélectrique, l'énergie électrique est générée sous contrainte mécanique, réalisant ainsi la transmission d'énergie et la production d'énergie. Cette technologie pourrait être appliquée dans des domaines tels que les structures intelligentes, la récolte d'énergie, etc.
Les matériaux composites piézoélectriques offrent plusieurs avantages par rapport aux autres matériaux dans diverses applications en raison de leur combinaison unique de propriétés. Cependant, ils ont également certaines limites qui doivent être prises en compte. Explorons à la fois les avantages et les limites potentielles des matériaux composites piézoélectriques:
Performances améliorées: des matériaux composites piézoélectriques peuvent être conçus pour présenter des propriétés piézoélectriques supérieures par rapport aux matériaux piézoélectriques monophasés. Cette performance améliorée comprend des coefficients piézoélectriques plus élevés, ce qui conduit à une meilleure conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique et vice versa.
Propriétés sur mesure: les composites piézoélectriques permettent la personnalisation des propriétés en ajustant la composition, la géométrie et la disposition des phases constituantes. Cette flexibilité permet aux ingénieurs de concevoir des matériaux qui répondent aux exigences d'application spécifiques, telles que la réponse en fréquence, la sensibilité et la stabilité de la température.
Flexibilité mécanique: Contrairement à certaines céramiques piézoélectriques traditionnelles qui sont cassantes et sujettes à la fissuration sous contrainte mécanique, les composites piézoélectriques peuvent être conçus pour être plus flexibles mécaniquement. Ceci est particulièrement avantageux dans les applications où le matériau doit subir une flexion ou un étirement sans compromettre ses performances piézoélectriques.
Plage de fréquences large: les composites piézoélectriques peuvent être conçus pour fonctionner efficacement sur une large plage de fréquences. Cette polyvalence les rend adaptés à diverses applications allant des actionneurs à haute fréquence aux récolteurs d'énergie à basse fréquence.
Réduction de l'impédance acoustique: dans l'imagerie médicale et les applications de sonar, les composites piézoélectriques peuvent être optimisés pour avoir une impédance acoustique plus faible, permettant une meilleure correspondance acoustique avec le milieu environnant. Il en résulte une amélioration de la transmission d'énergie et de la réception.
Fabrication complexe: la fabrication de composites piézoélectriques avec des dispositions précises des phases constituantes peut être difficile et coûteuse. Le processus de fabrication nécessite un contrôle minutieux des techniques de dépôt de matériaux, d'alignement et de liaison pour atteindre les propriétés souhaitées.
Les compromis entre les propriétés: la conception des composites piézoélectriques implique souvent des compromis entre diverses propriétés. Par exemple, l'amélioration d'un aspect, tel que le coefficient piézoélectrique, pourrait se produire au prix d'une résistance mécanique réduite ou d'une sensibilité accrue aux fluctuations de la température.
Anisotropie et sensibilité directionnelle: les composites piézoélectriques peuvent présenter un comportement anisotrope, ce qui signifie que leurs propriétés peuvent varier en fonction de la direction de la mesure ou de l'application du stress. Cette sensibilité directionnelle peut compliquer la caractérisation du matériau et la conception de l'appareil.
Stabilité de la température limitée: Certaines formulations composites piézoélectriques peuvent avoir une stabilité limitée à des températures élevées. Des températures élevées peuvent entraîner des changements dans les propriétés des matériaux, affectant leurs performances et leur longévité.
Coût et disponibilité: Selon le processus spécifique de composition et de fabrication, les composites piézoélectriques peuvent être plus chers à produire par rapport à la céramique piézoélectrique traditionnelle. De plus, toutes les variations des composites piézoélectriques ne peuvent pas être facilement disponibles sur le marché.
En conclusion, les matériaux composites piézoélectriques offrent une gamme d'avantages, y compris des performances améliorées, des propriétés sur mesure et une flexibilité mécanique. Cependant, ils sont également disponibles avec des défis liés à la complexité de la fabrication, aux compromis entre les propriétés et à la sensibilité directionnelle. Une attention particulière à ces facteurs est nécessaire lors de la sélection des composites piézoélectriques pour des applications spécifiques.
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