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 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

PIC151Standardmaterial für Aktoren der Serien PICA Stack/Thru und Piezorohre
MaterialModifiziertes 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 50324-1600
MIL-Standard DOD-STD-1376AII



 

 

PIC255Standardmaterial für PICMA® Stack/Chip, PICMA® Bender und DuraAct Power
MaterialModifiziertes Blei-Zirkonat-Titanat
EigenschaftenSehr hohe Curie-Temperatur, moderate Permittivität, hoher Kopplungsfaktor, hohe Deformations- bzw. Ladungskonstante, niedriger mechanischer Gütefaktor, niedriger Temperaturkoeffizient, relativ hohe Umpolfeldstärke (>1 kV/mm)
Geeignet fürAktoranwendungen bei dynamischen Einsatzbedingungen und hohen Umgebungstemperaturen, Ultraschallwandler mit geringer Leistung, nichtresonante Breitbandsysteme, Kraft- und Schallsensoren
Klassifizierung nach EN 50324-1200
MIL-Standard DOD-STD-1376AII



 

 

PIC252Standardmaterial für PICMA® Stack/Chip, PICMA® Bender und DuraAct Power
MaterialModifiziertes Blei-Zirkonat-Titanat
EigenschaftenSehr hohe Curie-Temperatur, moderate Permittivität, hoher Kopplungsfaktor, hoher Deformations- bzw. Ladungskoeffizient, niedriger mechanischer Gütefaktor, niedriger Temperaturkoeffizient, relativ hohe Umpolfeldstärke (>1kV/mm), niedrige Sintertemperatur für die Verwendung im Multilayer-Folilenprozess
Geeignet fürAktoranwendungen bei dynamischen Einsatzbedingungen und hohen Umgebungstemperaturen, Ultraschallwandler mit geringer Leistung, nichtresonante Breitbandsysteme, Kraft- und Schallsensoren
Klassifizierung nach EN 50324-1200
MIL-Standard DOD-STD-1376AII



 

 

PIC155
MaterialModifiziertes Blei-Zirkonat-Titanat
EigenschaftenSehr hohe Curie-Temperatur, moderate Permittivität, niedriger mechanischer Gütefaktor, niedriger Temperaturkoeffizient, hohe Empfindlichkeit (g-Konstanten)
Geeignet fürAnwendungen, die eine hohe g-Konstante (piezoelektrische Spannungskonstante) erfordern, z.B. für Mikrophone und Schwingungsaufnehmer mit Vorverstärker, Schwingungsmessungen bei tiefen Frequenzen
Klassifizierung nach EN 50324-1200
MIL-Standard DOD-STD-1376AII



 

 

PIC153Material für Sonderaktoren der Serien PICA Stack/Thru und für geklebte Biegeaktoren
MaterialModifiziertes Blei-Zirkonat-Titanat
EigenschaftenExtrem hohe Werte für Permittivität und Kopplungsfaktor, hohe Deformations- bzw. Ladungskonstante, Curie-Temperatur ca. 185 °C
Geeignet fürHydrophone, Wandler in der medizinischen Diagnostik, Aktorik
Klassifizierung nach EN 50324-1600
MIL-Standard DOD-STD-1376AVI



 

 

PIC152
MaterialModifiziertes Blei-Zirkonat-Titanat
EigenschaftenSpeziell niedriger Temperaturkoeffizient der Permittivität
Geeignet fürKraft- und Beschleunigungsaufnehmer
Klassifizierung nach EN 50324-1200
MIL-Standard DOD-STD-1376AII



 

 


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 Bauteils.

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
MaterialModifiziertes Blei-Zirkonat-Titanat
EigenschaftenExtrem hoher mechanischer Gütefaktor, gute Temperatur- und Zeitkonstanz der dielektrischen und elastischen Werte
Geeignet fürLeistungsschallanwendungen, Anwendungen im Resonanzbetrieb
Klassifizierung nach EN 50324-1100
MIL-Standard DOD-STD-1376AI



 

 

PIC184
MaterialModifiziertes Blei-Zirkonat-Titanat
EigenschaftenHohe elektromechanische Kopplung, moderat hohe Gütewerte, ausgezeichnete mechanische und elektrische Belastbarkeit
Geeignet fürLeistungsschallanwendungen, Hydroakustik, Sonartechnik

Klassifizierung nach EN 50324-1

100
MIL-Standard DOD-STD-1376AI



 

 

PIC144
MaterialModifiziertes Blei-Zirkonat-Titanat
EigenschaftenHohe elektromechanische Kopplung, hohe Gütewerte, ausgezeichnete mechanische und elektrische Belastbarkeit, hohe Druckfestigkeit
Geeignet fürLeistungsschallanwendungen, Hydroakustik, Sonartechnik
Klassifizierung nach EN 50324-1100
MIL-Standard DOD-STD-1376AI



 

 

PIC241
MaterialModifiziertes Blei-Zirkonat-Titanat
EigenschaftenHoher mechanischer Gütefaktor, höhere Permittivität im Vergleich zu PIC181
Geeignet fürLeistungsschallanwendungen, Piezomotorantriebe
Klassifizierung nach EN 50324-1100
MIL-Standard DOD-STD-1376AI



 

 

PIC300
MaterialModifiziertes Blei-Zirkonat-Titanat
EigenschaftenSehr hohe Curie-Temperatur
Geeignet fürAnwendungen bei Temperaturen bis 250 °C (kurzzeitig bis 300 °C)
Klassifizierung nach EN 50324-1100
MIL-Standard DOD-STD-1376AI



 

 


Bleifreie piezoelektrische 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
MaterialModifiziertes Barium-Natrium-Titanat
EigenschaftenMax. Einsatztemperatur 200 °C, niedrige Dichte, hoher Kopplungsfaktor der Dickenschwingung, niedriger planarer Kopplungsfaktor, geringere Permittivität und piezoelektrische Kopplungsfaktoren im Vergleich zu klassischen, bleihaltigen Werkstoffen
Geeignet fürUltraschallwandler >1MHz



 

 


Werkstoffdaten

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PI Werkstoffdaten

Spezifische Parameter der Standardmaterialien
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Temperaturabhängigkeit der Koeffizienten

Temperaturgang der Kapazität C

Temperaturgang der Resonanzfrequenz der Längsschwingung fs

Temperaturgang des Kopplungsfaktors der Längsschwinung k31

Temperaturgang der piezoelektrischen Ladungskonstante d31

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.

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Katalog: PI Piezoelektrische Aktoren

Bauelemente, Technologie, Ansteuerung
CAT128D
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Katalog: Piezokeramische Materialien und Bauelemente

Grundlagen, Eigenschaften und Anwendungen
CAT125
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PI Ceramic REACH-Verordnung

Kundeninformation gemäß Artikel 33 (1) REACH-Verordnung
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PI Ceramic RoHS-Erklärung

Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten – RoHS 2011 / 65 / EU
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