Lista de materiais piezoelétricos - List of piezoelectric materials

Esta página lista as propriedades de vários materiais piezoelétricos comumente usados .

Os materiais piezoelétricos (PMs) podem ser amplamente classificados como cristalinos, cerâmicos ou poliméricos. As cerâmicas piezoelétricas mais comumente produzidas são titanato de zirconato de chumbo (PZT), titanato de bário e titanato de chumbo. O nitreto de gálio e o óxido de zinco também podem ser considerados cerâmicos devido às suas lacunas de banda relativamente largas . Os PMs de semicondutores oferecem recursos como compatibilidade com circuitos integrados e dispositivos semicondutores. Os PMs de cerâmica inorgânica oferecem vantagens sobre os cristais únicos, incluindo facilidade de fabricação em uma variedade de formas e tamanhos, sem direções cristalográficas restritas. PMs de polímero orgânico , como PVDF , têm baixo módulo de Young em comparação com PMs inorgânicos. Polímeros piezoelétricos (PVDF, 240 mV-m / N) possuem constantes de tensão piezoelétricas mais altas ( g 33 ), um parâmetro importante em sensores, do que cerâmicas (PZT, 11 mV-m / N), que mostram que podem ser melhores sensores do que cerâmica. Além disso, sensores e atuadores poliméricos piezoelétricos, devido à sua flexibilidade de processamento, podem ser prontamente fabricados em grandes áreas e cortados em uma variedade de formas. Além disso, os polímeros também exibem alta resistência, alta resistência ao impacto, baixa constante dielétrica, baixa rigidez elástica e baixa densidade, portanto, uma alta sensibilidade de voltagem que é uma característica desejável junto com baixa impedância acústica e mecânica útil para aplicações médicas e subaquáticas.

Entre PMs, PZT cerâmica são populares porque têm uma elevada sensibilidade, uma elevada g 33 valor. No entanto, eles são frágeis. Além disso, eles apresentam baixa temperatura de Curie , levando a restrições em termos de aplicações em condições ambientais adversas. No entanto, é promissora a integração de discos de cerâmica em aparelhos industriais moldados em plástico. Isso resultou no desenvolvimento de compósitos de polímero PZT e na integração viável de compósitos PM funcionais em larga escala, por soldagem térmica simples ou por processos de conformação. Várias abordagens para PM de cerâmica sem chumbo foram relatadas, como cristais piezoelétricos únicos (langasita) e cerâmicas ferroelétricas com uma estrutura de perovskita e ferroelétricos estruturados por camada de bismuto (BLSF), que foram extensivamente pesquisados. Além disso, vários ferroelétricos com estrutura de perovskita (BaTiO 3 [BT], (Bi 1/2 Na 1/2 ) TiO 3 [BNT], (Bi 1/2 K 1/2 ) TiO 3 [BKT], KNbO 3 [ KN], (K, Na) NbO 3 [KNN]) foram investigados por suas propriedades piezoelétricas.

Propriedades piezoelétricas chave

A tabela a seguir lista as seguintes propriedades para materiais piezoelétricos

  • Os coeficientes piezoelétricos ( d 33 , d 31 , d 15 etc.) medem a deformação induzida por uma tensão aplicada (expressa em metros por volt). Coeficientes de d ij altos indicam deslocamentos maiores que são necessários para dispositivos transdutores de motorização. O coeficiente d 33 mede a deformação na mesma direção (eixo de polarização) do potencial induzido, enquanto d 31 descreve a resposta quando a força é aplicada perpendicular ao eixo de polarização. O coeficiente d 15 mede a resposta quando a tensão mecânica aplicada é devida à deformação por cisalhamento.
  • A permissividade relativa (ε r ) é a razão entre a permissividade absoluta do material piezoelétrico, ε, e a permissividade de vácuo, ε 0 .
  • O fator de acoplamento eletromecânico k é um indicador da eficácia com que um material piezoelétrico converte energia elétrica em energia mecânica, ou converte energia mecânica em energia elétrica. O primeiro subscrito para k denota a direção ao longo da qual os eletrodos são aplicados; a segunda denota a direção ao longo da qual a energia mecânica é aplicada ou desenvolvida.
  • O fator de qualidade mecânica Q m é uma importante propriedade de alta potência das cerâmicas piezoelétricas. É o inverso da perda mecânica tan ϕ.

Mesa

Monocristais
Referência Material e heteroestrutura usados ​​para a caracterização (eletrodos / material, eletrodo / substrato) Orientação Coeficientes piezoelétricos, d (pC / N) Permissão relativa, ε r Fator de acoplamento eletromecânico, k Fator de qualidade
Hutson 1963 AlN d 15 = -4,07 ε 33 = 11,4
d 31 = -2
d 33 = 5
Cook et al. 1963 BaTiO 3 d 15 = 392 ε 11 = 2920 k 15 = 0,57
d 31 = -34,5 ε 33 = 168 k 31 = 0,315
d 33 = 85,6 k 33 = 0,56
Warner et al. 1967 LiNbO 3 (Au-Au) <001> d 15 = 68 ε 11 = 84
d 22 = 21 ε 33 = 30
d 31 = -1 k 31 = 0,02
d 33 = 6 k t = 0,17
Smith et al. 1971 LiNbO 3 <001> d 15 = 69,2 ε 11 = 85,2
d 22 = 20,8 ε 33 = 28,2
d 31 = -0,85
d 33 = 6
Yamada et al. 1967 LiNbO 3 (Au-Au) <001> d 15 = 74 ε 11 = 84,6
d 22 = 21 ε 33 = 28,6 k 22 = 0,32
d 31 = -0,87 k 31 = 0,023
d 33 = 16 k 33 = 0,47
Yamada et al. 1969 LiTaO 3 d 15 = 26 ε 11 = 53
d 22 = 8,5 ε 33 = 44
d 31 = -3
d 33 = 9,2
Cao Et. al 2002 PMN-PT (33%) d 15 = 146 ε 11 = 1660 k 15 = 0,32
d 31 = -1330 ε 33 = 8200 k 31 = 0,59
d 33 = 2820 k 33 = 0,94
k t = 0,64
Badel et al. 2006 PMN-25PT <110> d 31 = -643 ε 33 = 2560 k 31 = -0,73 362
Kobiakov 1980 ZnO d 15 = -8,3 ε 11 = 8,67 k 15 = 0,199
d 31 = -5,12 ε 33 = 11,26 k 31 = 0,181
d 33 = 12,3 k 33 = 0,466
Zgonik et al. 1994 ZnO (puro com dopante de lítio) d 15 = -13,3 k r = 8,2
d 31 = -4,67
d 33 = 12,0
Zgonik et al. 1994 Cristais simples de BaTiO 3 [001] (domínio único) d 33 = 90
Zgonik et al. 1994 Cristais simples de BaTiO 3 [111] (domínio único) d 33 = 224
Zgonik et al. 1994 Cristais simples de BaTiO 3 [111] neutro (tamanho de domínio de 100 ľm) d 33 = 235 ε 33 = 1984 k 33 = 54,4
Zgonik et al. 1994 Cristais simples de BaTiO 3 [111] neutro (tamanho de domínio de 60 ľm) d 33 = 241 ε 33 = 1959 k 33 = 55,9
Zgonik et al. 1994 Cristais simples de BaTiO 3 [111] (tamanho de domínio de 22 ľm) d 33 = 256 ε 33 = 2008 k 33 = 64,7
Zgonik et al. 1994 Cristais simples de BaTiO 3 [111] neutro (tamanho de domínio de 15 ľm) d 33 = 274 ε 33 = 2853 k 33 = 66,1
Zgonik et al. 1994 Cristais simples de BaTiO 3 [111] neutro (tamanho de domínio de 14 ľm) d 33 = 289 ε 33 = 1962 k 33 = 66,7
Zgonik et al. 1994 Cristais simples de BaTiO 3 [111] neutro d 33 = 331 ε 33 = 2679 k 33 = 65,2
Cristal LN d 31 = -4,5

d 33 = -0,27

Li et al. 2010 PMNT31 d 33 = 2.000 ε 33 = 5100 k 31 = 80
d 31 = -750
Zhang et al. 2002 PMNT31-A 1400 ε 33 = 3600
Zhang et al. 2002 PMNT31-B 1500 ε 33 = 4800
Zhang et al. 2002 PZNT4.5 d 33 = 2100 ε 33 = 4400 k 31 = 83
d 31 = -900
Zhang et al. 2004 PZNT8 d 33 = 2500 ε 33 = 6000 k 31 = 89
d 31 = -1300
Zhang et al. 2004 PZNT12 d 33 = 576 ε 33 = 870 k 31 = 52
d 31 = -217
Yamashita et al. 1997 PSNT33 ε 33 = 960 /
Yasuda Et. al 2001 PINT28 700 ε 33 = 1500 /
Guo et al. 2003 PINT34 2000 ε 33 = 5000 /
Hosono et al. 2003 PIMNT 1950 ε 33 = 3630 /
Zhang et al. 2002 PYNT40 d 33 = 1200 ε 33 = 2700 k 31 = 76
d 31 = -500
Zhang et al. 2012 PYNT45 d 33 = 2.000 ε 33 = 2.000 k 31 = 78
Zhang et al. 2003 BSPT57 d 33 = 1200 ε 33 = 3000 k 31 = 77
d 31 = -560
Zhang et al. 2003 BSPT58 d 33 = 1400 ε 33 = 3200 k 31 = 80
d 31 = -670
Zhang et al. 2004 BSPT66 d 33 = 440 ε 33 = 820 k 31 = 52
d 31 = -162
Ye et al. 2008 BSPT57 d 33 = 1150

d 31 = -520

ε 33 = 3000 k 31 = 0,52

k 33 = 0,91

Ye et al. 2008 BSPT66 d 33 = 440 ε 33 = 820 k 31 = 0,52

k 33 = 0,88

d 31 = -162
Ye et al. 2008 PZNT4.5 d 33 = 2.000

d 31 = -970

ε 33 = 5200 k 31 = 0,50

k 33 = 0,91

Ye et al. 2008 PZNT8 d 31 = -1455 ε 33 = 7700 k 31 = 0,60

k 33 = 0,94

Ye et al. 2008 PZNT12 d 33 = 576

d 31 = -217

ε 33 = 870 k 31 = 0,52

k 33 = 0,86

Ye et al. 2008 PMNT33 d 33 = 2820

d 31 = -1330

ε 33 = 8200 k 31 = 0,59

k 33 = 0,94

Matsubara et al. 2004 KNN modificado por KCN d 33 = 100

d 31 = -180

ε 33 = 220-330 k p = 33-39 1200
Ryu Et. al 2007 KZT modificado KNN d 33 = 126 ε 33 = 590 k p = 42 58
Matsubara et al. 2005 KCT modificado KNN d 33 = 190 ε 33 = k p = 42 1300
Wang et al. 2007 KNN dopado com Bi 2 O 3 d 33 = 127 ε 33 = 1309 k p = 28,3
Jiang anf al. 2009 dopado KNN-0,005BF d 33 = 257 ε 33 = 361 k p = 52 45
Cerâmica
Referência Material e heteroestrutura usados ​​para a caracterização (eletrodos / material, eletrodo / substrato) Orientação Coeficientes piezoelétricos, d (pC / N) Permissão relativa, ε r Fator de acoplamento eletromecânico, k Fator de qualidade
Berlincourt et al. 1958 BaTiO 3 d 15 = 270 ε 11 = 1440 k 15 = 0,57
d 31 = -79 ε 33 = 1680 k 31 = 0,49
d 33 = 191 k 33 = 0,47
Tang et al. 2011 BFO d 33 = 37 k t = 0,6
Zhang et al. 1999 PMN-PT d 31 = -74 ε 33 = 1170 k 31 = -0,312 283
PZT-5A d 31 = -171 ε 33 = 1700 k 31 = 0,34
d 33 = 374 k 33 = 0,7
PZT-5H d 15 = 741 ε 11 = 3130 k 15 = 0,68 65
d 31 = -274 ε 33 = 3400 k 31 = 0,39
d 33 = 593 k 33 = 0,75
PZT-5K d 33 = 870 ε 33 = 6200 k 33 = 0,75
Tanaka et al. 2009 PZN7% PT d 33 = 2.400 ε r = 6500 k 33 = 0,94

k t = 0,55

Pang et al. 2010 ANSZ d 33 = 295 1,61 45,5 84
Park et al. 2006 KNN-BZ d 33 = 400 2 57,4 48
Cho et al. 2007 KNN-BT d 33 = 225 1.06 36,0
Park et al. 2007 KNN-ST d 33 = 220 1,45 40,0 70
Zhao et al. 2007 KNN-CT d 33 = 241 1,32 41,0
Zhang et al. 2006 LNKN d 33 = 314 ~ 700 41,2
Saito et al. 2004 KNN-LS d 33 = 270 1,38 50,0
Saito et al. 2004 LF4 d 33 = 300 1,57
Tanaka et al. 2009 LF4 orientado d 33 = 416 1,57 61,0
Pang et al. 2010 ANSZ d 33 = 295 1,61 45,5 84
Park et al. 2006 KNN-BZ d 33 = 400 2 57,4 48
Cho et al. 2007 KNN-BT d 33 = 225 1.06 36,0
Park et al. 2007 KNN-ST d 33 = 220 1,45 40,0 70
Maurya et al. 2013 KNN-CT d 33 = 241 1,32 41,0
Maurya et al. 2013 NBT-BT (001) Amostras texturizadas d 33 = 322 ...
Gao et al. 2008 NBT-BT-KBT (001) Amostras texturizadas d 33 = 192
Zou et al. 2016 NBT-KBT (001) Amostras texturizadas d 33 = 134 k p = 35
Saito et al. 2004 NBT-KBT (001) Amostras texturizadas d 33 = 217 k p = 61
Chang et al. 2009 KNLNTS (001) Amostras texturizadas d 33 = 416 k p = 64
Chang Et. al 2011 KNNS (001) Amostras texturizadas d 33 = 208 k p = 63
Hussain et al. 2013 KNLN (001) Amostras texturizadas d 33 = 192 k p = 60
Takao et al. 2006 KNNT (001) Amostras texturizadas d 33 = 390 k p = 54
Li et al. 2012 KNN 1 CuO (001) Amostras texturizadas d 33 = 123 k p = 54
Cho et al. 2012 KNN-CuO (001) Amostras texturizadas d 33 = 133 k p = 46
Hao et al. 2012 NKLNT (001) Amostras texturizadas d 33 = 310 k p = 43
Gupta et al. 2014 KNLN (001) Amostras texturizadas d 33 = 254
Hao et al. 2012 KNN (001) Amostras texturizadas d 33 = 180 k p = 44
Bai et al. 2016 BCZT (001) Amostras texturizadas d 33 = 470 k p = 47
Ye et al. 2013 BCZT (001) Amostras texturizadas d 33 = 462 k p = 49
Schultheiß et al. 2017 BCZT-TH (001) Amostras texturizadas d 33 = 580
OMORI et al. 1990 BCT (001) Amostras texturizadas d 33 = 170
Chan et al. 2008 Pz34 (PbTiO 3 dopado ) d 15 = 43,3 ε 33 = 237 k 31 = 4,6 700
d 31 = -5,1 ε 33 = 208 k 33 = 39,6
d 33 = 46 k 15 = 22,8
k p = 7,4
Lee et al. 2009 BNKLBT d 33 = 163 ε r = 766 k 31 = 0,188 142
ε 33 = 444,3 k t = 0,524
k p = 0,328
Sasaki et al. 1999 KNLNTS ε r = 1156 k 31 = 0,26 80
ε 33 = 746 k t = 0,32
k p = 0,43
Takenaka et al. 1991 (Bi 0,5 Na 0,5 ) BNKT à base de TiO 3 (BNT) d 31 = 46 ε r = 650 k p = 0,27
d 33 = 150 k 31 = 0,165
Tanaka et al. 1960 (Bi 0,5 Na 0,5 ) BNBT à base de TiO 3 (BNT) d 31 = 40 ε r = 580 k 31 = 0,19
d 33 = 12,5 k 33 = 0,55
Hutson 1960 CdS d 15 = -14,35
d 31 = -3,67
d 33 = 10,65
Schofield et al. 1957 CdS d 31 = -1,53
d 33 = 2,56
Egerton et al. 1959 BaCaOTi d 31 = -50 k 15 = 0,19 400
d 33 = 150 k 31 = 0,49
k 33 = 0,325
Ikeda et al. 1961 Nb 2 O 6 Pb d 31 = -11 k r = 0,07 11
d 33 = 80 k 31 = 0,045
k 33 = 0,042
Ikeda et al. 1962 C 6 H 17 N 3 O 10 S d 23 = 84 k 21 = 0,18
d 21 = 22,7 k 22 = 0,18
d 25 = 22 k 23 = 0,44
Brown et al. 1962 BaTiO 3 (95%) BaZrO 3 (5%) k 15 = 0,15 200
d 31 = -60 k 31 = 0,40
d 33 = 150 k 33 = 0,28
Huston 1960 BaNb 2 O 6 (60%) Nb 2 O 6 Pb (40%) d 31 = -25 k r = 0,16
Baxter et al. 1960 BaNb 2 O 6 (50%) Nb 2 O 6 Pb (50%) d 31 = -36 k r = 0,16
Pullin 1962 BaTiO 3 (97%) CaTiO 3 (3%) d 31 = -53 ε 33 = 1390 k 15 = 0,39
d 33 = 135 k 31 = 0,17
k 33 = 0,43
Berlincourt et al. 1960 BaTiO 3 (95%) CaTiO 3 (5%) d 15 = -257 ε 33 = 1355 k 15 = 0,495 500
d 31 = -58 k 31 = 0,19
d 33 = 150 k 33 = 0,49
k r = 0,3
Berlincourt et al. 1960 BaTiO 3 (96%) PbTiO 3 (4%) d 31 = -38 ε 33 = 990 k 15 = 0,34
d 33 = 105 k 31 = 0,14
k 33 = 0,39
Jaffe et al. 1955 PbHfO 3 (50%) PbTiO 3 (50%) d 31 = -54 k r = 0,38
Kell 1962 Nb 2 O 6 Pb (80%) BaNb 2 O 6 (20%) d 31 = 25 k r = 0,20 15
Brown et al. 1962 Nb 2 O 6 Pb (70%) BaNb 2 O 6 (30%) d 31 = -40 ε 33 = 900 k 31 = 0,13 350
d 33 = 100 k 33 = 0,3
k r = 0,24
Berlincourt et al. 1960 PbTiO 3 (52%) PbZrO3 (48%) d 15 = 166 k 15 = 0,40 1170
d 31 = -43 k 31 = 0,17
d 33 = 110 k 33 = 0,43
k r = 0,28
Berlincourt et al. 1960 PbTiO 3 (50%) Zirconato de chumbo (50%) d 15 = 166 k 15 = 0,504 950
d 31 = -43 k 31 = 0,23
d 33 = 110 k 33 = 0,546
k r = 0,397
Egerton et al. 1959 KNbO 3 (50%) NaNbO 3 (50%) d 31 = -32 140
d 33 = 80 k 31 = 0,21
k 33 = 0,51
Brown et al. 1962 NaNbO 3 (80%) Cd 2 Nb 2 O 7 (20%) d 31 = -80 ε 33 = 2.000 k 31 = 0,17
d 33 = 200 k 33 = 0,42
k r = 0,30
Schofield et al. 1957 BaTiO 3 (95%) CaTiO 3 (5%) CoCO3 (0,25%) d 31 = -60 ε 33 = 1605 k r = 0,33
Pullin 1962 BaTiO 3 (80%) PbTiO 3 (12%) CaTiO 3 (8%) d 31 = -31 k 31 = 0,15 1200
d 33 = 79 k 33 = 0,41
k r = 0,24
Defaÿ 2011 AlN (Pt-Mo) d 31 = -2,5
Shibata et al. 2011 KNN (Pt-Pt) <001> d 31 = -96,3 ε r = 1100
d 33 = 138,2
Sessler 1981 PVDF d 31 = 17,9 k 31 = 10,3
d 32 = 0,9 k 33 = 12,6
d 33 = -27,1
Ren et al. 2017 PVDF d 31 = 23 ε r = 106
d 32 = 2
d 33 = -21
Tsubouchi et al. 1981 Epi AlN / Al 2 O 3 <001> d 33 = 5,53 ε 33 = 9,5 k t = 6,5 2490
Nanomateriais
Referência Material Estrutura Coeficientes piezoelétricos, d (pC / N) Método de caracterização Tamanho (nm)
Ke et al. 2008 NaNbO 3 nanofio d 33 = 0,85-4,26 pm / V PFM d = 100
Wang et al. 2008 KNbO 3 nanofio d 33 = 0,9 pm / V PFM d = 100
Zhang et al. 2004 PZT nanofio PFM d = 45
Zhao et al. 2004 ZnO nanobelt d 33 = 14,3-26,7 pm / V PFM w = 360 t = 65
Luo et al. 2003 PZT nanoconcha d 33 = 90 pm / V PFM d = 700 t = 90
Yun et al. 2002 BaTiO3 nanofio d 33 = 0,5 pm / V PFM d = 120
Lin et al. 2008 CdS nanofio Dobrando com ponta AFM d = 150
Wang et al. 2007 PZT nanofibra constante de tensão piezoelétrica ~ 0,079 Vm / N Dobrando usando uma sonda de tungstênio d = 10
Wang et al. 2007 BaTiO 3 - d 33 = 45 pC / N Teste de tração direta d ~ 280
Jeong et al. 2014 Niobato alcalino (KNLN) filme d 33 = 310 pC / N -
Park et al. 2010 BaTiO 3 Filme fino d 33 = 190 pC / N
Stoppel et al. 2011 AlN Filme fino d 33 = 5 pC / N AFM
Lee et al. 2017 WSe2 Nanofolha 2D d 11 = 3,26 pm / V
Zhu et al. 2014 MoS2 Camada autônoma e 11 = 2900pc / m AFM
Zhong et al. 2017 PET / EVA / PET filme d 33 = 6300 pC / N

Referências