圧電複合材料とは何ですか？

圧電複合材料の定義と基本原理

圧電複合材料は、圧電結晶と非圧電材料で構成される複合材料であり、優れた圧電および機械的特性を備えています。

圧電複合材料

圧電効果は、特定の結晶が外部圧力または電界にさらされると電荷分離と電位差を生成するという現象を指します。この効果を使用して、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換するか、電気エネルギーを機械的エネルギーに変換できます。圧電複合材料の基本原理は、圧電結晶と非圧電材料を組み合わせることにより、圧電効果が強化され、より広い用途があることです。

圧電複合材料の設計目標は、圧電特性を維持しながら、強度、靭性、疲労抵抗などの機械的特性を改善することです。この複合材料は通常、2つ以上の材料で構成されており、その1つはPZT（鉛ジルコン酸バリウムタイタン酸バリウム）、PZN（鉛ジルコン酸ナトリウム）などの圧電結晶材料です。もう1つは、ポリマー、セラミック、金属などの非ピエゾ電気材料です。

圧電複合材料の調製方法には、固体状態反応、ゾルゲル法、圧電セラミック粉末の充填などが含まれます。これらの方法により、ピエゾ電気結晶の均一な分布と密接な統合が達成され、それによって材料の全体的なパフォーマンスが向上します。

圧電複合材料は、センサー、アクチュエーター、音響波装置や音響波動装置、エネルギーの収穫と貯蔵などの幅広いアプリケーションで使用されます。複合材料における圧電結晶と非圧電材料の比率と構造設計を調整することにより、異なるアプリケーション要件を満たすために、異なる圧電特性と機械的特性を実現できます。

圧電複合材料は、圧電セラミックとポリマーマトリックスの2つの主要な成分で構成されています。 圧電セラミックは、圧電効果を示す特別なセラミック材料、つまり機械的応力または電界が適用されたときに電荷を分離する能力です。一般的に使用される圧電セラミック材料は、鉛ジルコン酸チタン酸バリウム（PZT）と酸化鉛（PBB）です。 ポリマーマトリックスは、圧電セラミック粒子を充填およびサポートするために使用されるポリマー材料です。一般的に使用されるポリマー材料は、ポリウレタンとポリイミドです。

圧電複合材料の特別な圧電特性は、圧電セラミックとポリマーマトリックスの間の相互作用に起因します。機械的応力または電界が適用されると、ピエゾセラミック粒子がわずかに変形し、電荷分離を引き起こします。この電荷分離は、センサー、アクチュエーター、エネルギー収穫、発電などの用途に収集および利用できます。

圧電複合材料には、高感度、高電圧出力、広い周波数応答範囲、良好な耐久性など、多くの利点があります。さらに、ポリマーマトリックスの柔軟性と可塑性により、圧電複合材料は、曲げ、伸縮、押出などのさまざまな形状とひずみモードを実現し、アプリケーションフィールドを拡大することもできます。

圧電複合材料のアプリケーションフィールド

1。音響センサー： 圧電複合材料は、音響信号を電気信号に変換できるため、音響センサーの分野で広く使用されています。たとえば、圧電複合材料を使用して、医療分野で超音波検出とイメージングのための超音波センサーを作成できます。

超音波複合材料トランスデューサー

2。振動エネルギー収穫： 圧電複合材料は、機械的振動を通じて電気エネルギーに変換され、環境の振動エネルギーを採取するために使用できます。このエネルギー収穫技術は、ワイヤレスセンサーネットワーク、モノのインターネットデバイスなどで広く使用されており、デバイスの寿命を促進し、拡張しています。

3。圧力センサー： 圧電複合材料は、受ける圧力変化を測定することにより、電気信号に変換できます。これにより、圧力センサー、たとえば産業用自動化、自動車工学、医療機器など、圧力変化を測定するための医療機器で広く使用されています。

4。振動制御： 圧電複合材料は、航空宇宙界の構造振動制御や適応振動還元システムなどの振動制御システムで使用できます。電界を適用して圧電複合材料の形状と機械的特性を制御することにより、振動の効果的な制御を実現できます。

衝突回避ソナー

5。エネルギー伝達と発電： 圧電複合材料は、エネルギー伝達と発電に使用できます。たとえば、その圧電効果を使用することにより、機械的応力の下で電気エネルギーが生成され、それによってエネルギー伝達と発電が実現されます。この技術は、スマート構造、エネルギー収穫などの分野で適用できます。

圧電複合材料は、特性の独自の組み合わせにより、さまざまな用途の他の材料よりもいくつかの利点を提供します。ただし、考慮する必要がある特定の制限もあります。圧電複合材料の利点と潜在的な制限の両方を探りましょう。

圧電複合材料の特徴

圧電複合材料の利点：

パフォーマンスの向上： 圧電複合材料は、単相圧電材料と比較して優れた圧電特性を示すように設計できます。この強化された性能には、より高い圧電係数が含まれ、機械的エネルギーの電気エネルギーへの変換が改善され、その逆も含まれます。

テーラードプロパティ： 圧電複合材料により、構成相の構成、形状、および配置を調整することにより、プロパティのカスタマイズが可能になります。この柔軟性により、エンジニアは、周波数応答、感度、温度安定性など、特定のアプリケーション要件を満たす材料を設計できます。

機械的柔軟性： 機械的ストレス下で脆くて亀裂が発生しやすい従来の圧電セラミックとは異なり、圧電複合材料をより機械的に柔軟にするように設計できます。これは、材料が圧電性能を損なうことなく曲げたり伸ばす必要があるアプリケーションで特に有利です。

広い周波数範囲： 圧電複合材料は、広い周波数範囲で効率的に動作するように設計できます。この汎用性により、高周波アクチュエーターから低周波エネルギーハーベスターに至るまでのさまざまなアプリケーションに適しています。

音響インピーダンスの削減： 医療イメージングおよびソナーアプリケーションでは、圧電複合材料を最適化して音響インピーダンスを低くすることができ、周囲の培地との音響マッチングを改善できます。これにより、エネルギーの伝達と受信が改善されます。

圧電複合材料の制限：

複雑な製造： 構成相の正確な配置を伴う圧電複合材料の製造は、挑戦的で高価な場合があります。製造プロセスでは、材料の堆積、アラインメント、および結合技術を慎重に制御して、望ましい特性を実現する必要があります。

プロパティ間のトレードオフ： 圧電複合材料の設計には、多くの場合、さまざまなプロパティ間のトレードオフが含まれます。たとえば、圧電係数などの1つの側面を強化すると、機械的強度の低下や温度変動に対する感受性の増加が犠牲になる可能性があります。

異方性と方向感度： 圧電複合材料は異方性の挙動を示す可能性があります。つまり、その特性は、ストレスの測定または適用の方向によって異なる場合があります。この方向感度は、材料の特性評価とデバイスの設計を複雑にすることができます。

限られた温度安定性： 一部の圧電複合配合は、高温での安定性が限られている可能性があります。温度の上昇は、材料特性の変化につながり、パフォーマンスと寿命に影響を与えます。

コストと可用性： 特定の組成と製造プロセスに応じて、圧電複合材料は、従来の圧電セラミックと比較して生成するのに費用がかかります。さらに、圧電複合材料のすべてのバリエーションが市場で容易に利用できるわけではありません。

結論として、圧電複合材料は、パフォーマンスの向上、テーラードプロパティ、機械的柔軟性など、さまざまな利点を提供します。ただし、製造の複雑さ、プロパティ間のトレードオフ、方向感度に関連する課題もあります。これらの要因を慎重に検討する必要があります。特定のアプリケーション用の圧電複合材料を選択する場合は、必要です。