Piezokeramische Komposite
Kompositrohre, Komposithalbschalen, Kompositfokusschalen, Kompositscheiben
Piezokeramische Komposite sind eine Kombination aus einem piezoelektrischen Keramikanteil sowie einem Füllpolymer und vereinen die Vorteile beider Materialien. Die Verbundwerkstoffe stellen eine Alternative zu den bekannten Vollkeramikkomponenten dar. Neben der hervorragenden Adaptierbarkeit an spezifische Formen ergeben sich durch den Polymeranteil eine Vielzahl weiterer Vorteile gegenüber der Vollkeramik: So zeichnen sich Komposite beispielsweise durch eine einfache Anpassung an Umgebungsmedien mit unterschiedlicher akustischer Impedanz aus. Dies ermöglicht ein breites Anwendungsspektrum im Bereich >> Life Sciences, etwa in HIFU-Anwendungen oder zur diagnostischen Bildgebung sowie in >> industriellen Anwendungen wie der Durchflussmessung oder der zerstörungsfreien Messung. Komposite ermöglichen eine höhere Ultraschallsensitivität und Auflösung.
Spezifikationen für Komposite
Die Komposite von PI Ceramic werden mittels Dice & Fill-Technologie in einer 1-3-Anordnung, geschnitten zu einzelnen Pins, gefertigt. Abmessungen sowie >> Material sind gemäß der kundenspezifischen >> Piezokomponenten wählbar und können als Komposit umgesetzt werden. Als Füllpolymer stehen Epoxidharz für starre Komposite oder Polyurethan für flexible Verbundstrukturen zur Auswahl. Die Komposite von PI Ceramic befinden sich aktuell im Prototypen-Status.
Piezokomposite nutzen den d33-Effekt. Aufgrund der Polymerfüllung zeichnen sie sich durch eine Einschränkung in der radialen Auslenkung aus, die zu einer verkopplungsarmen Dickenschwingung führt. Die Pingröße der Komposite bestimmt die Kapazität (C). Die Funktionsweise entspricht Vollkeramiken desselben Designs.
| Resonanzfrequenz (Dicke) f [kHz] | Dicke TH (mm) | Pingröße PIN (mm) | Volumenanteil Piezokeramik (%) | Resonanzimpedanz I (Ω) | Elektrische Kapazität C* (nF) | Dielektrischer Verlustfaktor tan δ (x10-3) | Kopplungsfaktor keff (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 400 | 4,0 | 1,0 x 1,0 | 83 | <30 | 1,6 | <20 | >55 |
| 600 | 2,6 | 0,5 x 0,5 | 69 | <15 | 2,1 | <20 | >60 |
| 1500 | 1,1 | 0,4 x 0,4 | 69 | <5 | 5,0 | <20 | >55 |
| 2000 | 0,7 | 0,3 x 0,3 | 64 | <3 | 6,5 | <20 | >55 |
*1000 kHz
Prototyp-Spezifikationen für eine 1-3-Epoxidharz-Kompositscheibe mit OD 25 mm aus Piezomaterial PIC255
Beispielimpedanzkurve für eine 1-3-Epoxidharz-Kompositscheibe mit OD 25 mm x TH 1,1 mm, Pingröße 0,4 x 0,4 mm, Volumenanteil 69 % aus Piezomaterial PIC255 im Vergleich mit einer Piezoscheibe mit OD 25 mm x TH 1,4 mm aus Piezomaterial PIC255
Kundenspezifische Ausführungen auf Anfrage
PI Ceramic bietet umfassendes Know-how, von der Auswahl geeigneter Werkstoffe bis zur Entwicklung und Fertigung von Kompositen nach gewünschten Spezifikationen und Anwendungen. Neben der Auswahl der Komposite den Piezokomponenten entsprechend können folgende Parameter angepasst werden:
- Material
- Design
- Anordnung der Pins
- Elektroden
Komposite können aus weichem und hartem >> PZT sowie in unterschiedlichen Anordnungen gefertigt werden. So ist neben der 1-3-Variante mit einzelnen Pins etwa die 2-2-Anordnung in Keramikreihen erhältlich.
Elektroden und Kontaktierung der Komposite
Die Elektroden werden im Sputterverfahren auf die gefertigten Komposite aufgebracht. Neben Kupfer-Nickel (CuNi) sind weitere Verbindungen wie Gold (Au) möglich. Sowohl vollflächige Elektroden für z. B. Breitbandanwendungen als auch isolierte Einzelelektroden können gefertigt werden. Ist eine Kontaktierung gewünscht, werden Litzen oder flexible Leiterkarten auf die Komposite geklebt.
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Anwendungsbereiche von piezokeramischen Kompositen
Als Sensoren, Aktoren sowie in Ultraschall-Transducern können piezokeramische Komposite Piezovollkeramiken in vielen Anwendungen ersetzen.
