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PI Piezomaterials
Übersicht

Piezoelektrische Materialien

Piezomaterialien auf Basis von Blei-Zirkonat-Titanat (PZT)

PI Ceramic bietet eine breite Auswahl piezoelektrischer Keramikmaterialien auf der Basis von Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) und Bariumtitanat an. Die Bezeichnungen "weiche" und "harte" Piezokeramiken beziehen sich auf die Dipol- bzw. Domänenbeweglichkeit und damit auch auf das Polarisations- und Depolarisationsverhalten. Für aktorische Anwendungen kommen ferroelektrisch weiche Piezokeramiken mit niedrigen Umpolfeldstärken zum Einsatz. Ferroelektrisch harte PZT-Materialien werden vorwiegend in Leistungsschallanwendungen eingesetzt. PI Ceramic bietet außerdem bleifreie Piezokeramiken an, die derzeit vor allem als Ultraschallwandler eingesetzt werden, sowie einen kristallinen Aktorwerkstoff.

Für anwendungsspezifische Eigenschaften können Aktoren und Wandler aus Sondermaterialien hergestellt werden, wobei die technische Umsetzung individuell geprüft werden muss.

Die Klassifizierung der Materialeigenschaften erfolgt nach der europäischen Norm EN 50324.

Weiche Materialien
piezoelektrische Materialien
 

Weiche Piezomaterialien

Ideal für Piezoaktoren und Sensoren

Ferroelektrisch weiche Piezomaterialien lassen sich bereits bei niedrigen Feldstärken relativ leicht polarisieren. Das liegt an der für sie typischen vergleichsweise hohen Domänenbeweglichkeit. Die Vorteile der weichen PZT-Materialien liegen im großen Piezomodul, in mittleren Permittivitäten, hohen induzierbaren Dehnungen und hohen Kopplungsfaktoren.

Anwendungsbereiche

Wichtige Einsatzgebiete für weiche Piezokeramiken sind Aktoren für die Mikro- und Nanopositionierung, Sensoren wie klassische Schwingungsaufnehmer, Ultraschallsender und -empfänger z. B. zur Durchfluss- oder Füllstandsmessung, Objektidentifikation bzw.
-überwachung sowie elektroakustische Anwendungen als Schallgeber und Mikrofone, bis hin zum Einsatz als Tonabnehmer an Musikinstrumenten.

Materialeigenschaften und Klassifizierung

PIC151 Standardmaterial für Aktoren der Serien >> PICA Stack/Thru und >> Piezorohre
Material                           Modifiziertes Blei-Zirkonat-Titanat
Eigenschaften Hohe Permittivität, hoher Kopplungsfaktor, hohe piezoelektrische Deformations- bzw. Ladungskonstante, relativ hohe Curie-Temperatur
Geeignet für Aktorik, Ultraschallwandler geringer Leistung, niederfrequente Schallwandler
Klassifizierung nach
EN 50324-1 50324-1
600
MIL-Standard
DOD-STD-1376A
II
PIC255 Standardmaterial für >> PICA Power, >> DuraAct, >> PICA Shear und >> Piezorohre
Material                           Modifiziertes Blei-Zirkonat-Titanat
Eigenschaften Sehr hohe Curie-Temperatur, moderate Permittivität, hoher Kopplungsfaktor, hohe Deformations- bzw. Ladungskonstante, niedriger mechanischer Gütefaktor, niedriger Temperaturkoeffizient, relativ hohe Umpolfeldstärke (>1 kV/mm)
Geeignet für Aktoranwendungen bei dynamischen Einsatzbedingungen und hohen Umgebungstemperaturen, Ultraschallwandler mit geringer Leistung, nichtresonante Breitbandsysteme, Kraft- und Schallsensoren
Klassifizierung nach
with EN 50324-1
200
MIL-Standard
DOD-STD-1376A
II
PIC252 Standardmaterial für >> PICMA® Stack/Chip, >> PICMA® Bender und >> DuraAct Power
Material                           Modifiziertes Blei-Zirkonat-Titanat
Eigenschaften Sehr hohe Curie-Temperatur, moderate Permittivität, hoher Kopplungsfaktor, hoher Deformations- bzw. Ladungskoeffizient, niedriger mechanischer Gütefaktor, niedriger Temperaturkoeffizient, relativ hohe Umpolfeldstärke (>1 kV/mm), niedrige Sintertemperatur für die Verwendung im Multilayer-Folienprozess
Geeignet für Aktoranwendungen bei dynamischen Einsatzbedingungen und hohen Umgebungstemperaturen, Ultraschallwandler mit geringer Leistung, nichtresonante Breitbandsysteme, Kraft- und Schallsensoren
Klassifizierung nach
EN 50324-1
200
MIL-Standard
DOD-STD-1376A
II
PIC155  
Material                           Modifiziertes Blei-Zirkonat-Titanat
Eigenschaften Sehr hohe Curie-Temperatur, moderate Permittivität, niedriger mechanischer Gütefaktor, niedriger Temperaturkoeffizient, hohe Empfindlichkeit (g-Konstanten)
Geeignet für Anwendungen, die eine hohe g-Konstante (piezoelektrische Spannungskonstante) erfordern, z. B. für Mikrophone und Schwingungsaufnehmer mit Vorverstärker, Schwingungsmessungen bei tiefen Frequenzen
Klassifizierung nach
EN 50324-1
200
MIL-Standard
DOD-STD-1376A
II
PIC153 Material für Sonderaktoren der Serien >> PICA Stack/Thru und für geklebte Biegeaktoren
Material                           Modifiziertes Blei-Zirkonat-Titanat
Eigenschaften Extrem hohe Werte für Permittivität und Kopplungsfaktor, hohe Deformations- bzw. Ladungskonstante, Curie-Temperatur ca. 185 °C
Geeignet für Hydrophone, Wandler in der medizinischen Diagnostik, Aktorik
Klassifizierung nach
EN 50324-1
600
MIL-Standard
DOD-STD-1376A
VI
PIC152  
Material                           Modifiziertes Blei-Zirkonat-Titanat
Eigenschaften Speziell niedriger Temperaturkoeffizient der Permittivität                                                                                  
Geeignet für Kraft- und Beschleunigungsaufnehmer
Klassifizierung nach
EN 50324-1
200
MIL-Standard
DOD-STD-1376A
II
Harte Materialien
Piezomaterial
 

Harte Piezomaterialien

Leistungsstarkes Material für Ultraschallwandler

Ferroelektrische harte PZT-Materialien können hohen elektrischen und mechanischen Belastungen standhalten. Ihre Eigenschaften ändern sich dabei nur wenig.

Die Vorteile dieser Materialien liegen in der relativ niedrigen Permittivität, großen piezoelektrischen Kopplungsfaktoren, hohen mechanischen Güten und sehr guter Stabilität bei hohen mechanischen Belastungen und Betriebsfeldstärken. Niedrige dielektrische Verluste ermöglichen den Dauereinsatz im Resonanzbetrieb mit nur geringer Eigenerwärmung des Bauteiles.

Anwendungsbereiche

Vor allem Leistungsschallanwendungen profitieren von den Eigenschaften harter Piezomaterialien. Einsatzgebiete sind z. B. die Ultraschallreinigung (typischerweise kHz-Frequenzbereich), die Materialbearbeitung (Ultraschallschweißen, -bonden, -bohren, usw.), Ultraschallprozessoren (z. B. zum Dispergieren flüssiger Medien), der medizinische Bereich (Ultraschall-Zahnsteinentfernung, chirurgische Instrumente usw.) und auch die Sonartechnik.

Materialeigenschaften und Klassifizierung

PIC181  
Material                           Modifiziertes Blei-Zirkonat-Titanat
Eigenschaften Extrem hoher mechanischer Gütefaktor, gute Temperatur- und Zeitkonstanz der dielektrischen und elastischen Werte
Geeignet für Leistungsschallanwendungen, Anwendungen im Resonanzbetrieb
Klassifizierung nach
EN 50324-1
100
MIL-Standard
DOD-STD-1376A
I
PIC184  
Material                           Modifiziertes Blei-Zirkonat-Titanat
Eigenschaften Hohe elektromechanische Kopplung, moderat hohe Gütewerte, ausgezeichnete mechanische und elektrische Belastbarkeit
Geeignet für Leistungsschallanwendungen, Hydroakustik, Sonartechnik
Klassifizierung nach
EN 50324-1
100
MIL-Standard
DOD-STD-1376A
I
PIC144
Material                           Modifiziertes Blei-Zirkonat-Titanat
Eigenschaften Hohe elektromechanische Kopplung, hohe Gütewerte, ausgezeichnete mechanische und elektrische Belastbarkeit, hohe Druckfestigkeit
Geeignet für Leistungsschallanwendungen, Hydroakustik, Sonartechnik
Klassifizierung nach
EN 50324-1 50324-1
100
MIL-Standard
DOD-STD-1376A
I
PIC241  
Material                           Modifiziertes Blei-Zirkonat-Titanat
Eigenschaften Hoher mechanischer Gütefaktor, höhere Permittivität im Vergleich zu PIC181                                           
Geeignet für Leistungsschallanwendungen, Piezomotorantriebe
Klassifizierung nach
EN 50324-1
100
MIL-Standard
DOD-STD-1376A
I
PIC300  
Material                           Modifiziertes Blei-Zirkonat-Titanat
Eigenschaften Sehr hohe Curie-Temperatur
Geeignet für Anwendungen bei Temperaturen bis 250 °C (kurzzeitig bis 300 °C)                                                       
Klassifizierung nach
EN 50324-1
100
MIL-Standard
DOD-STD-1376A
I
Bleifreie Materialien
PI PIC700 Lead-Free Ceramics
 

Bleifreie Materialien

Erste Schritte zum industriellen Einsatz bleifreier Piezomaterialien

PI Ceramic stellt mit dem Werkstoff PIC700 eine erste bleifreie Piezokeramik aus der Laborfertigung zur Verfügung. PIC700 basiert auf Bismut-Natrium-Titanat (BNT) und zeigt sehr ähnliche Eigenschaften wie Bariumtitanat-Werkstoffe. PIC700 ist geeignet für Ultraschallwandler im MHz-Bereich sowie für Sonar- und Hydrophonanwendungen.

PIC700  
Material                           Modifiziertes Barium-Natrium-Titanat
Eigenschaften Max. Einsatztemperatur 200 °C, niedrige Dichte, hoher Kopplungsfaktor der Dickenschwingung, niedriger planarer Kopplungsfaktor, geringere Permittivität und piezoelektrische Kopplungsfaktoren im Vergleich zu klassischen, bleihaltigen Werkstoffen
Geeignet für Ultraschallwandler >1 MHz
Werkstoffdaten

Werkstoffdaten

Die Daten und piezoelektrischen Koeffizienten der Standardmaterialien können Sie als PDF herunterladen:

Werkstoffdaten
Spezifische Parameter der Standardmaterialien
Pdf 432 K

Bei Fragen zur Interpretation der Materialkennwerte >> sprechen Sie uns an!

>> Mehr zu: Piezoelektrische Koeffizienten

Temperaturabhängigkeit der Koeffizienten

Temperaturgang der Kapazität C

PI Temperature Curve Capacitance

Temperaturgang der Resonanzfrequenz der Längsschwingung fs

PI Temperature Curve Resonance Frequency

Temperaturgang des Kopplungsfaktors der Längsschwingung k31

PI Temperature Curve Coupling Factor

Temperaturgang der piezoelektrischen Ladungskonstante d31

PI Temperature Curve Piezoelectric Charge Coefficient

Thermische Dehnung in Polungsrichtung
Thermische Dehnung in Polungsrichtung Δ L/L (%)
Thermische Dehnung senkrecht zur Polung
Thermische Dehnung senkrecht zur Polung Δ L/L (%)

Spezifische Eigenschaften

 

Thermische Eigenschaften am Beispiel der PZT-Keramik PIC255

Die thermische Dehnung zeigt in Polungsrichtung und senkrecht zur Polungsachse unterschiedliches Verhalten.

Nicht gepolte Piezokeramik ist isotrop. Der Ausdehnungskoeffizient ist annähernd linear mit einem Temperaturkoeffizienten (TK) von ca. 2 × 10-6 / K.

Die Vorzugsorientierung der Domänen in einem gepolten PZT-Körper führt zur Anisotropie und ist Ursache für das unterschiedliche Wärme-Ausdehnungsverhalten.

Der Einfluss von aufeinander folgenden Temperatureinwirkungen ist in der Anwendung zu beachten. Speziell im ersten Temperaturzyklus können große Änderungen im Verlauf auftreten.

Abhängig vom Werkstoff können die Verläufe stark von den dargestellten abweichen.

Downloads

Downloads

Katalog: Piezokeramische Materialien und Bauelemente
Grundlagen, Eigenschaften und Anwendungen
Pdf 3.1 M CAT125D
Katalog: PI Piezoelektrische Aktoren
Bauelemente, Technologie, Ansteuerung
Pdf 5 M CAT128D
PI Ceramic REACH-Verordnung
Kundeninformation gemäß Artikel 33 (1) REACH-Verordnung
Pdf 174 K
PI Ceramic RoHS-Erklärung
Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten – RoHS 2011 / 65 / EU
Pdf 164 K