Piezokeramische 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.
| 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 | 600 |
| MIL-Standard DOD-STD-1376A | II |
| PIC255 | Standardmaterial für PICMA® Stack/Chip, PICMA® Bender und DuraAct Power |
|---|---|
| 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 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 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 | |
|---|---|
| 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 | 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 piezoelektrische Materialien
![[] PI PIC700 Lead-Free Ceramics](/fileadmin/_processed_/1/8/csm_PI_PIC700_Lead-Free_Ceramics_01_7570542a1c.jpg "[Translate to German:] PI PIC700 Lead-Free Ceramics")
PI Ceramic bietet neben den Serienkomponenten aus PZT auch Komponenten aus >> bleifreien Werkstoffen der Systeme Bismut-Natrium-Titanat (BNT) und Kalium-Natrium-Niobat (KNN) an. Aktuell umfassen beide Systeme verschiedene Werkstoffe in unterschiedlichen technologischen Reifegraden. Diese stehen für kundenspezifische Anwendungsentwicklungen zur Verfügung.
Bei der Formgebung gibt es nur wenige Einschränkungen, sodass für eine Vielzahl an bleihaltigen Komponenten eine bleifreie Alternative in der entsprechenden Grundgeometrie möglich ist. Besonders in resonanten Anwendungen können bleifreie Piezokeramiken eine Alternative zu bleihaltigen Materialien darstellen. Erste positive Ergebnisse können zum Beispiel für Mikropumpen, Ultraschallvernebler und Leistungsultraschall-Transducer sowie Sensoren vorgewiesen werden. Die bisherigen Erfahrungen zeigen, dass bleifreie Materialien in den Anwendungen ein anderes Verhalten als PZT-Keramiken aufweisen. Aus diesem Grund ist es in der Regel notwendig, die Parameter und geometrischen Abmessungen anzupassen sowie die Langzeitstabilität für jede Anwendung erneut zu prüfen. So kann PI Ceramic gemeinsam mit unseren Kunden die besten anwendungsspezifischen Ergebnisse erreichen.
| Anwendung | BNT-Werkstoffe | KNN-Werkstoffe | |||
|---|---|---|---|---|---|
| PIC700 | PIC701 | PIC753 | PIC758 | ||
| Medizintechnik | Vernebler | xx | |||
| Sonikation & Lyse | xx | ||||
| Mischen & Dispersion | xx | ||||
| Therapeutischer & Chirurgischer Utraschall | x | ||||
| Luftblasendetektion | xx | x | |||
| Durchflussmessung | xx | x | |||
| Industrielle Anwendungen | Materialbearbeitung | x | |||
| Durchflussmessung | xx | x | |||
| Hydroakustik | x | x | |||
| Füllstandssensoren | x | ||||
| Ultraschallreinigung | x | ||||
| Zerstörungsfreie Prüfung | x | x | |||
| Ultraschallsensoren | x | ||||
| Ultraschallmotoren | x | ||||
Bismut-Natrium-Titanat (BNT)
BNT-Werkstoffe sind besonders für Anwendungen mit Dickenschwingung geeignet und zeigen gute Leistungen im Bereich der Luftblasendetektion und Durchflusssensorik. Für Anwendungen, die planare Schwingungen nutzen, sind BNT-Werkstoffe dagegen nicht geeignet. Die PI Ceramic BNT-Werkstoffe zeichnen sich durch eine hohe Depolarisationstemperatur aus. Anders als viele andere Werkstoffe auf dem Markt können sie deshalb durch niedrigschmelzendes Löten oder mit thermisch aushärtenden Klebern verarbeitet werden.
Kalium-Natrium-Niobat (KNN)
Auch Komponenten aus dem KNN-System lassen sich problemlos löten und kleben, weisen gegenüber Komponenten aus BNT jedoch zusätzlich gute Eigenschaften in planarer Richtung auf. Sie können daher in Luftultraschallsensoren, Leistungsultraschall-Transducern, Verneblereinheiten sowie in Multilayer-Aktoren und Ultraschallmotoren eine Alternative zu Komponenten aus PZT darstellen.
PI Ceramic verwendet für die Herstellung von Piezokomponenten aus KNN ausschließlich Materialien, die einen besseren ökologischen Fußabdruck als PZT aufweisen. Gemeinsam mit dem Kunden entwickelt PI Ceramic aus dem bleifreien Werkstoff die passenden Komponenten.
Werkstoffdaten
Werkstoffdaten
Thermische Eigenschaften am Beispiel der PZT-Keramik PIC255
![[] PI Thermal Strain in Polarization](/fileadmin/_processed_/5/d/csm_PI_Thermal_Strain_in_Polarization_01_3bf3c38cec.jpg "[Translate to German:] PI Thermal Strain in Polarization")
![[] PI Thermal Strain Perpendicular to Polarization](/fileadmin/_processed_/7/4/csm_PI_Thermal_Strain_Perpendicular_to_Polarization_01_9b6456099d.jpg "[Translate to German:] PI Thermal Strain Perpendicular to Polarization")
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.
| Materialart | PI Ceramic | Firma A | Firma B | Firma C | Firma D | Firma E | Firma F | Firma G |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Weich-PZT | PIC151 | Sonox P51 | 5600 | PZT5J-series | NCE56 | K500 | ||
| Weich-PZT | PIC152 | Sonox P502 | NCE53 | PZ23 | ||||
| Weich-PZT | PIC153 | 855 | Sonox P53 | 5700 | PZT5H1, PZT5H2 | NCE55 | PZ29 | K550 |
| Weich-PZT | PIC155 | |||||||
| Weich-PZT | PIC254 | Sonox P504 | ||||||
| Weich-PZT | PIC255 | 850 | Sonox P5 | 5500 | PZT5A-series | NCE51, NCE51f | PZ27, P188 | K350 |
| Hart-PZT | PIC144 | 840 | Sonox P4 | 5400 | PZT400 | NCE40, NCE41 | PZ26, P762 | K270 |
| Hart-PZT | PIC181 | 880 | Sonox P8, P88 | 5800 | PZT800 series | NCE80, NCE81 | PZ28, P189 | K278 |
| Hart-PZT | PIC184 | 840 | Sonox P4 | 5400 | PZT400 series | NCE40 | PZ26, P762 | K270 |
| Hart-PZT | PIC300 | Sonox P6 |
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Downloads
Piezokeramische Materialien und Bauelemente
Grundlagen, Eigenschaften und Anwendungen
PI Piezoelektrische Aktoren
Bauelemente, Technologie, Ansteuerung
PI Ceramic RoHS-Erklärung
Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten – RoHS 2011 / 65 / EU
Werkstoffdaten
PI Ceramic REACH-Verordnung
Kundeninformation gemäß Artikel 33 (1) REACH-Verordnung