Charakteristika ultrazvukovej piezoelektrickej keramiky
Ultrazvuková piezoelektrická keramika je trieda elektronických keramických materiálov s piezoelektrickými vlastnosťami. Hlavným rozdielom od typických piezoelektrických kryštálov kremeňa, ktoré neobsahujú feroelektrické zložky, je to, že kryštálové fázy, ktoré tvoria ich hlavné zložky, sú všetky feroelektrické zrná Keďže keramika sú polykryštalické agregáty s náhodne orientovanými zrnami, vektor spontánnej polarizácie každého feroelektrického zrna je tiež chaotický. orientovaný. Aby keramika vykazovala makroskopické piezoelektrické vlastnosti, musí byť vypálená v piezoelektrickej keramike. Po vytvarovaní a spojení s kompozitnou elektródou na čelnej strane je táto umiestnená pod silné jednosmerné elektrické pole na polarizačnú úpravu, takže príslušné polarizačné vektory pôvodnej neusporiadanej orientácie sú prednostne orientované v smere elektrického poľa. Piezoelektrická keramika po polarizačnej úprave po zrušení elektrického poľa zostane zachovaná určitá makroskopická remanentná polarizácia, takže keramika má určité piezoelektrické vlastnosti.
Dielektrické a elastické vlastnosti:
Dielektrická vlastnosť piezoelektrickej keramiky odráža stupeň odozvy keramického materiálu na vonkajšie elektrické pole, ktoré je zvyčajne reprezentované dielektrickou konštantou ε0. Ak vonkajšie elektrické pole nie je príliš veľké, na odozvu dielektrika na elektrické pole možno použiť lineárny vzťah:
Pre piezoelektrickú keramiku je P polarizačná sila, ε0 je permitivita vákua, E je elektrická susceptibilita a E je aplikované elektrické pole. Rôzne použitia piezoelektrických keramických komponentov majú rôzne požiadavky na dielektrickú konštantu piezoelektrickej keramiky. Napríklad zvukové komponenty, ako sú piezoelektrické keramické reproduktory, vyžadujú veľkú dielektrickú konštantu keramiky, zatiaľ čo vysokofrekvenčné piezoelektrické keramické komponenty vyžadujú malú dielektrickú konštantu materiálu.
Koeficient pružnosti piezoelektrickej keramiky je parameter, ktorý odráža vzťah medzi deformáciou keramiky a aplikovanou silou. Podobne ako iné elastoméry, aj piezoelektrické keramické materiály sa riadia Hookovým zákonom: Xmn=cmnpqxmnpq, kde cmnpq sa nazýva konštanta elastickej tvrdosti elastoméru, X je napätie a x je deformácia. Pre piezoelektrické telesá je v dôsledku piezoelektriky hodnota koeficientu pružnosti vo vzťahu k elektrickým okrajovým podmienkam.
Piezoelektrina piezoelektrickej keramiky:
Najväčšou charakteristikou piezoelektrickej keramiky je piezoelektrina, vrátane pozitívnej piezoelektriky a inverznej piezoelektriky. Pozitívna piezoelektrika sa týka relatívneho posunutia kladných a záporných nábojových centier v niektorých dielektrikách pôsobením mechanickej vonkajšej sily, ktorá spôsobuje polarizáciu, čo vedie k vzniku viazaných nábojov s opačnými znamienkami na povrchoch dielektrík. V prípade, že vonkajšia sila nie je príliš veľká, jej hustota náboja je úmerná vonkajšej sile podľa vzorca:
kde δ je hustota povrchového náboja, d je piezoelektrická deformačná konštanta a T je ťahové napätie. Naopak, keď sa na piezoelektrické dielektrikum aplikuje vonkajšie elektrické pole, stredy kladného a záporného náboja vo vnútri dielektrika podliehajú relatívnemu posunu a sú polarizované a posun spôsobí deformáciu dielektrika. Tento efekt sa nazýva inverzná piezoelektrina. Keď elektrické pole nie je príliš silné, deformácia má lineárny vzťah s vonkajším elektrickým poľom podľa vzorca:
dt je inverzná piezoelektrická deformačná konštanta, to znamená transponovaná matica d, E je aplikované elektrické pole a x je deformácia. Sila piezoelektrického efektu odráža stupeň väzby medzi elastickými vlastnosťami a dielektrickými vlastnosťami kryštálu, ktorý je reprezentovaný elektromechanickým väzbovým koeficientom K podľa vzorca:
kde u12 je piezoelektrická energia, u1 je elastická energia a u2 je dielektrická energia.
Fyzikálne mechanizmy piezoelektrických vlastností:
Dva konce polarizovanej piezoelektrickej keramickej dosky budú mať viazané náboje, takže vrstva voľných nábojov z vonkajšieho sveta je adsorbovaná na povrchu elektródy. Keď sa na keramickú dosku pôsobí vonkajším tlakom F, na oboch koncoch dosky dochádza k výboju. Naopak, ak sa zatiahne, dôjde k javu nabíjania. Jav, pri ktorom sa tento mechanický efekt transformuje na elektrický, patrí medzi pozitívny piezoelektrický efekt.
Okrem toho má piezoelektrická keramika vlastnosť spontánnej polarizácie a spontánna polarizácia môže byť transformovaná pôsobením vonkajšieho elektrického poľa. Preto, keď sa na piezoelektrické dielektrikum aplikuje vonkajšie elektrické pole, dôjde k zmene, ako je znázornené na obrázku, a piezoelektrická keramika sa zdeformuje. Avšak dôvod, prečo sa piezoelektrická keramika deformuje, je ten, že keď sa aplikuje rovnaké vonkajšie elektrické pole ako spontánna polarizácia, je to ekvivalentné zvýšeniu polarizačnej sily. Zvýšením polarizačnej sily sa piezoelektrický keramický plát predĺži v smere polarizácie. Naopak, ak sa použije reverzné elektrické pole, keramický plát sa skráti v smere polarizácie. Tento jav, ktorý sa v dôsledku elektrického efektu mení na mechanický efekt, je inverzný piezoelektrický efekt.
Ďalšie vlastnosti:
Piezoelektrická keramika má citlivé vlastnosti a dokáže premeniť extrémne slabé mechanické vibrácie na elektrické signály, čo je možné použiť v sonarových systémoch, detekcii počasia, telemetrii, ochrane životného prostredia, domácich spotrebičoch atď. Citlivosť piezoelektrickej keramiky na vonkajšie sily dokonca umožňuje snímanie rušenie vzduchu spôsobené lietajúcim hmyzom mávajúcim krídlami vo vzdialenosti viac ako desať metrov. Jeho použitím na výrobu piezoelektrických seizmometrov je možné presne merať intenzitu zemetrasení a indikovať azimut a vzdialenosť zemetrasení. Treba povedať, že ide o skvelý výkon piezoelektrickej keramiky.
Deformácia piezoelektrickej keramiky pôsobením elektrického poľa je veľmi malá, nanajvýš nie väčšia ako jedna desaťmilióntina vlastnej veľkosti. Nepodceňujte túto malú zmenu. Veľkým prínosom je ovládanie presných prístrojov a strojov, mikroelektronické technológie, bioinžinierstvo a ďalšie oblasti.
Zariadenia na riadenie frekvencie, ako sú rezonátory a filtre, sú kľúčovými komponentmi, ktoré určujú výkon komunikačného zariadenia. Piezoelektrická keramika má v tomto smere zjavné výhody. Má dobrú frekvenčnú stabilitu, vysokú presnosť, široký použiteľný frekvenčný rozsah, malú veľkosť, žiadnu absorpciu vlhkosti a dlhú životnosť. Najmä vo viackanálových komunikačných zariadeniach môže zlepšiť výkon proti rušeniu, čo spôsobí, že predchádzajúce elektromagnetické zariadenia sa nedokážu pozrieť späť a čelia problému preťaženia. Alternatívny osud.
