Piëso-elektriese keramiekkenmerke-analise

 piëzo-elektriese effek en diëlektriese effek van piëzo-elektriese keramiek

 

Die piëso-elektriese effek is dat wanneer sommige diëlektrika deur 'n eksterne krag in 'n sekere rigting vervorm word, polarisasie binne plaasvind, en positiewe en negatiewe teenoorgestelde ladings verskyn op die twee teenoorgestelde oppervlaktes daarvan. Wanneer die eksterne krag verwyder word, sal dit terugkeer na die ongelaaide toestand. Hierdie verskynsel word genoem op die positiewe piëso-elektriese effek. Wanneer die rigting van die krag verander, verander die polariteit van die lading ook. Inteendeel, wanneer 'n elektriese veld in die polarisasierigting van die diëlektrikum toegepas word, word hierdie diëlektrikum ook vervorm, en die vervorming van die diëlektrikum verdwyn nadat die elektriese veld verwyder is. Hierdie verskynsel word 'n omgekeerde piëso-elektriese effek of elektrostriksie genoem. Een tipe sensor wat ontwikkel is op grond van die diëlektriese piëso-elektriese effek word 'n piëso-elektriese kristalle sensor genoem.

 

 

Enige medium in die elektriese veld sal vervorming van die medium veroorsaak as gevolg van die effek van geïnduseerde polarisasie, en hierdie vervorming verskil van die vervorming wat veroorsaak word deur die omgekeerde piëso-elektriese effek. Die diëlektrikum kan elasties vervorm word deur 'n eksterne krag, piëzo-elektriese keramiek klop sensor kan vervorm word deur die polarisasie van die eksterne elektriese veld. Die vervorming as gevolg van die geïnduseerde polarisasie is eweredig aan die kwadraat van die eksterne elektriese veld, wat 'n elektrostrictiewe effek is. Die vervorming wat dit produseer, is onafhanklik van die rigting van die eksterne elektriese veld. Die vervorming wat deur die omgekeerde piëso-elektriese effek veroorsaak word, is eweredig aan die eksterne elektriese veld, en wanneer die elektriese veld omgekeer word, verander die vervorming ook (byvoorbeeld, die oorspronklike verlenging kan verkort word, of die oorspronklike verkorting kan na verlenging verander word). Daarbenewens is die elektrostriktiewe effek teenwoordig in alle diëlektrika, hetsy nie-piëzo-elektries of piëso-elektries, het slegs die elektrostriktiewe effekte van diëlektriese kristalle van verskillende strukture. Die omgekeerde piëso-elektriese effek word slegs in piëso-elektriese keramiekkristalle gevind.

 

'n PZT-materiaal piëzo-keramiekkristal wat 'n piëzo-elektriese effek produseer, word 'n piëzo-elektriese kristal genoem. Een tipe piëso-elektriese kristal is 'n enkelkristal soos kwarts (SiO2), natriumkaliumtartraat (ook bekend as Loser sout, NaKC4H4O6.H2O), bismutrutenaat (Bi12GeO20). Nog 'n tipe piëso-elektriese kristal word op piëzo-elektriese keramiek genoem, soos bariumtitanaat (BaTiO3), loodsirkonaattitanaat Pb(ZrxTirx)O3, loodbismutmagnesiumsirkonaattitanaat wat in Japan gemaak word, by PZT gevoeg, bismutmangaan gemaak in China. Loodsirkonaattitanaat Pb(Mn1/2Sb2/3)O3 is by PIT gevoeg.

 

Diëlektriese is 'n isolator wat geëlektrodeer kan word. Die gebruik van diëlektrika is redelik uitgebreid. Die diëlektriese geleidingsvermoë van piëzo-elektriese keramiekelement is baie laag, tesame met die goeie diëlektriese sterkte-eienskappe, wat gebruik kan word om elektriese isolators te maak. Daarbenewens kan die diëlektrikum hoogs geelektrodeponeer word en is dit 'n uitstekende kapasitormateriaal. Die studie van diëlektriese eienskappe behels die berging en verspreiding van elektriese en magnetiese energie binne die materiaal. Hierdie studie is uiters belangrik om die verskillende verskynsels van elektronika, optika en vastestoffisika te verduidelik. Diëlektriese eienskappe verwys na die eienskappe van berging en verlies van elektrostatiese energie onder die werking van 'n elektriese veld, gewoonlik uitgedruk deur diëlektriese konstante en diëlektriese verlies. Wanneer hoëfrekwensietegnologie toegepas word op materiale, soos soliede hout saamgestelde vloere, is diëlektriese eienskappe baie belangrik wanneer hoëfrekwensie warmpers gebruik word. Wanneer die medium met 'n elektriese veld toegedien word, word 'n geïnduseerde lading opgewek om die elektriese veld te verswak. Die verhouding van die oorspronklike toegepaste elektriese veld (in vakuum) tot die elektriese veld in die finale medium is die permittiwiteit, ook bekend as die geïnduseerde stroomtempo.

 

In elektromagnetisme, wanneer 'n elektriese veld van piëso-elektriese knoppieskywe op 'n diëlektrikum toegepas word, word 'n elektriese dipool gegenereer as gevolg van die relatiewe verplasing van die positiewe en negatiewe ladings binne die diëlektrikum. Hierdie verskynsel word genoem op elektriese polarisasie. Die toegepaste elektriese veld kan 'n eksterne elektriese veld of 'n elektriese veld wees wat gegenereer word deur 'n vrye lading wat in die diëlektrikum ingebed is. Die elektriese dipool wat deur die polarisasie gegenereer word, word 'induktiewe elektriese dipool' genoem, en sy elektriese dipoolmoment word op induktiewe elektriese dipoolmoment genoem. Piezo-keramiek het 'n elektrodevormende vermoë onder die werking van 'n elektriese veld. Verdeel in elektriese isolasie, kapasitors, piëzo-elektriese, piro-elektriese en ferro-elektriese keramiek volgens hul gebruik en werkverrigting.

Polarisasie van piëzo-elektriese keramiek diëlektrikum

 

Piëso-elektriese keramiekkristalle is beide diëlektriese en anisotropiese diëlektrika, so die diëlektriese eienskappe van piëso-elektriese kristalle verskil van dié van isotropiese diëlektrika.

Die diëlektrikum word onder die werking van 'n elektriese veld gepolariseer, en die polarisasietoestand is 'n toestand waarin die elektriese veld 'n relatiewe verplasingskrag op die ladingspunt van die diëlektrikum uitoefen en 'n tydelike balans van wedersydse aantrekking tussen die ladings. Die elektriese veld is die eksterne oorsaak van polarisasie. Die interne oorsaak van polarisasie lê in die binnekant van die medium. Met die mikroskopiese prosesse binne die medium, is daar drie hoofmeganismes van polarisasie.

 

(1) 'n Atoom of ioon wat 'n diëlektrikum uitmaak. Onder die werking van 'n elektriese veld val 'n positief gelaaide kern nie saam met die negatiewe middelpunt van sy dopelektron nie, en genereer daardeur 'n elektriese dipoolmoment. Hierdie polarisasie word elektronverplasingpolarisasie genoem.

(2) Die positiewe en negatiewe ione waaruit die diëlektrika bestaan, ondergaan relatiewe verplasing onder die werking van 'n elektriese veld, wat lei tot 'n elektriese dipoolmoment wat ioonverplasingpolarisasie genoem word.

(3) Die molekules waaruit die diëlektrikum bestaan, is polêre molekules met 'n sekere intrinsieke elektriese moment, maar as gevolg van termiese beweging is die oriëntasie versteurd, en die totale elektriese moment van die hele diëlektrikum is nul. Wanneer 'n eksterne elektriese veld inwerk, sal hierdie elektriese dipoolmomente langs die buitenste veld in lyn wees, ultraklank piëso-elektriese kristal produseer 'n makroskopiese elektriese dipoolmoment in die diëlektrikum, wat op oriëntasiepolarisasie genoem word.

 

1. Verplasingpolarisasie van 'n oneindige molekule

 

Wanneer die elektrodelose diëlektrikum in 'n eksterne elektriese veld is onder die werking van die elektriese veldkrag, sal die positiewe en negatiewe ladingsentrums van die molekule relatiewe verplasings produseer om 'n elektriese dipool te vorm, en hul ekwivalente elektriese dipoolmomente P is in die rigting van die elektriese veld georiënteer. Vir 'n diëlektriese piëso-elektriese as 'n geheel, aangesien elke molekule in die diëlektrikum elektriese dipole vorm, is hulle in die diëlektrikum gerangskik. Die positiewe en negatiewe ladings van aangrensende elektriese dipole in die diëlektrikum is naby aan mekaar. As die diëlektrikum uniform is, bly dit regdeur elektries neutraal, maar op die oppervlak van die diëlektrikum wat loodreg is op die eksterne elektriese veldsterkte E0. Daar sal onderskeidelik positiewe en negatiewe ladings wees wat nie die diëlektrikum kan verlaat nie en nie vrylik in die diëlektrikum kan beweeg nie. Hierdie verskynsel van gepolariseerde ladings in die diëlektrikum onder die werking van 'n eksterne elektriese veld word polarisasie van die diëlektrikum genoem. Hoe sterker eksterne elektriese veld, hoe groter is die relatiewe verplasing tussen die positiewe en negatiewe ladingsentrums van elke molekule, hoe groter is die elektriese dipoolmoment van die molekule, hoe meer gepolariseerde ladings verskyn op beide oppervlaktes van die diëlektrikum, en hoe meer gepolariseerde hoog. Wanneer die eksterne elektriese veld van resonansie frekwensie piëso-elektriese transducer verwyder word, is die middelpunte van die positiewe en negatiewe ladings weer saam (P = 0), dus kan hierdie tipe molekule beskou word as 'n elastiese elektriese dipool waarvan die elastiese krag verbind word deur twee ekwivalente ekwivalente elektriese ladings. Die grootte van die elektriese dipoolmoment P is eweredig aan die veldsterkte. Aangesien die polarisasie van die oneindige molekule in die relatiewe verplasing van die middelpunt van die positiewe en negatiewe ladings lê, word dit dikwels 'n bietjie genoem.

 

Georiënteerde polarisasie van polêre molekules

 

Wat die polêre molekulêre diëlektrikum betref, is die middelpunt van die positiewe en negatiewe ladings in die molekule gelykstaande aan 'n elektriese dipool. Onder die werking van die eksterne elektriese veld sal dit aan 'n moment onderwerp word, sodat die elektriese dipoolmoment P van die molekule in die rigting van die elektriese veld gedraai word. As gevolg van die interferensie van molekulêre termiese beweging, is hierdie stuur klein, en dit is onmoontlik om die elektriese dipoolmomente van alle molekules in die rigting van die elektriese veld in lyn te bring. Hoe sterker eksterne elektriese veld van piëso-elektriese elektrode piëso-elektriese keramiek, hoe netjieser is die stuurorde van die elektriese dipoolmoment van die molekule. Op die makroskopiese vlak verskyn hoe meer gepolariseerde ladings op beide oppervlaktes loodreg op die diëlektriese en die eksterne elektriese veld, hoe hoër graad van polarisasie. Wanneer die eksterne elektriese veld verwyder word, word die rigting van die elektriese dipoolmoment van die molekule 'n onreëlmatige rangskikking as gevolg van die termiese beweging van die molekules, en die diëlektrikum is steeds neutraal. Polarisasie van polêre molekules lê in die rigting waarin die ekwivalente elektriese dipool na die eksterne elektriese veld draai, dus word dit oriëntasiepolarisasie genoem. Oor die algemeen, terwyl die molekules terselfdertyd gepolariseer is, is daar ook verplasingpolarisasie. Alhoewel die mikroskopiese prosesse van polarisasie van twee tipes diëlektrika, polêr verskil, maar die makroskopiese effekte is dieselfde. Gepolariseerde ladings van verskillende getalle piëso-elektriese plaatsensors verskyn op die twee teenoorgestelde oppervlaktes van die diëlektrikum, en die eksterne elektriese veld neem toe. hoe meer gepolariseerde ladings verskyn. Daarom, wanneer die polarisasie-verskynsel van die diëlektrikum hieronder makroskopies beskryf word, is dit nie nodig om in twee soorte diëlektrika vir bespreking te verdeel nie.

3. Ferroelektrisiteit van piëso-elektriese keramiekkristalle

 

Die polarisasie van sommige diëlektrika is baie spesiaal. In 'n sekere temperatuurreeks is hul diëlektriese konstantes nie konstant nie, maar wissel met veldsterkte, en nadat die eksterne elektriese veld verwyder is, is hierdie diëlektrika nie neutraal nie. Daar is oorblywende polarisasie. Ten einde analoog te wees aan die feit dat ferromagnetiese materiale gemagnetiseer kan bly, word hierdie eienskap van piëzo-keramiek-omskakelaar dikwels na verwys as ferro-elektrisiteit. 'n Ferro-elektriese diëlektrikum word 'n ferro-elektrikum genoem. Onder hulle is bariumtitanaat-keramiek (BaTiO3), natriumkaliumtartraat-enkelkristal (NaKC4H4O6⋅H2O) en dies meer die mees prominente. Ferroelektrika sal histerese vertoon tydens die elektrodeposisieproses. Die histerese lus toon dat die polarisasie tussen die ferro-elektriese liggaam en die toegepaste elektriese veld nie-lineêr is, en die polarisasie word omgekeer soos die eksterne elektriese veld omgekeer word. Die polarisasie-inversie is die resultaat van domein-inversie, dus dui die histerese-lus die teenwoordigheid van domeine in die ferro-elektriese aan. Die sogenaamde domeine is klein streke waarin die spontane polarisasierigtings in die ferro-elektrika uniform is, en die domeine. Die grens tussen hulle word die domeinmuur genoem. Ferro-elektriese kristalle van piëso-elektriese keramiekprodukte is gewoonlik multi-domeine, die spontane polarisasie in elke domein het dieselfde rigting, en die spontane polarisasie in die verskillende domeine is sterk.

 

Vir polikristallyne ferroelektrika is daar geen reëlmaat tussen die relatiewe oriëntasies van spontane polarisasie in die verskillende domeine vir die hele polikristal nie as gevolg van die volledige willekeur van die oriëntasie van die kristal-asse tussen die korrels.

Ferroelektrika vorm oor die algemeen nie spontaan enkeldomeine nie, maar multidomeinkristalle kan onder 'n sterk eksterne elektriese veld gemonodomeiniseer word. Onder die werking van 'n sterk eksterne elektriese veld sal die domeinvolume van die spontane polarisasie in die multi-domein kristal parallel of naby aan die eksterne veld rigting vinnig uitbrei as gevolg van die vorming van nuwe domein kerne en die beweging van die domein mure, en die domein volume in ander rigtings sal vinnig afneem. Klein verdwyn, wat die hele kristal in 'n enkele domein verander. Onder die werking van eksterne elektriese veld word die dinamiese proses van nuwe domeinkern en domeinwandbeweging die domeinomkeerproses genoem. Hierdie omkering het 'n paar histerese-eienskappe, so die ferro-elektriese vertoon die voorgenoemde histerese-lus.

 

Om 'n enkele piëzo-kristal te oorweeg, is die veronderstelling dat die oriëntasie van spontane polarisasie slegs twee moontlikhede het. dit is positief en negatief langs 'n sekere kristal-as; die rigting van die eksterne elektriese veld is parallel aan die polarisasie-as. Wanneer die eksterne elektriese veld nul is, is die polarisasie van aangrensende domeine in die kristal teenoorgesteld, en die totale elektriese moment van die kristal is nul. Wanneer die eksterne elektriese veld geleidelik verhoog word, sal die domeinvolume van die spontane polarisasierigting teenoor die rigting van die elektriese veld geleidelik afneem as gevolg van die inversie van die domein, en daardie domeine het dieselfde rigting as wat die elektriese veld geleidelik sal uitbrei, sodat die kristal in die rigting van die eksterne veld is. Die intensiteit neem toe met die toename van die elektriese veld. Wanneer die elektriese veld van piëso-elektriese skyfelement genoeg toeneem om al die omgekeerde domeine in die kristal na die eksterne veld om te keer, word die kristal 'n enkele domein, die polarisasie van die kristal bereik versadiging, en dan neem die elektriese veld toe. Die polarisasie sal lineêr met die elektriese veld toeneem (dieselfde as die polarisasie van 'n tipiese diëlektrikum) en 'n maksimum waarde Pmax bereik, wat 'n funksie is van die hoogste polarisasie elektriese veld. Wanneer die lineêre gedeelte geëkstrapoleer word na nul elektriese veld, word die gevolglike afsnit Ps op die vertikale as die versadigde polarisasie genoem, wat eintlik die spontane polarisasie van elke domein is.Wanneer die elektriese veld vanaf C begin afneem, sal die polarisasie geleidelik langs die CB-kromme afneem. Wanneer die elektriese veld van piëso-elektriese keramiekkomponent tot nul verminder word, verminder die polarisasie tot 'n sekere waarde Pr, wat die residuele polarisasie van die ferro-elektriese genoem word. Wanneer die elektriese veld van rigting verander en toeneem na Ec in die negatiewe rigting, verminder die polarisasie tot nul, die omgekeerde elektriese veld bly toeneem, en die polarisasie word omgekeer. Ec word die dwingende veldsterkte van die ferro-elektriese genoem. Soos die omgekeerde elektriese veld aanhou toeneem, neem die polarisasie steeds toe in die negatiewe gradiëntrigting en bereik 'n versadigingswaarde (-Pr) in die negatiewe rigting, en die ultrasoniese piëso-elektriese transduktor word 'n enkeldomeinkristal wat 'n negatiewe polarisasie het. As die elektriese veld voortdurend verander van 'n hoë negatiewe waarde na 'n hoë positiewe waarde, begin die positiewe domein vorm en weer groei totdat die hele kristal weer 'n enkeldomein kristal word met voorwaartse polarisasie. Tydens hierdie proses word die polarisasie teruggestuur na punt C langs die FGH-gedeelte van die terugkeerlyn. Dus, onder die werking van 'n groot afwisselende elektriese veld, verander die elektriese veld met een week, en die bogenoemde proses word een keer herhaal, wat die histerese lus wys. Die area wat deur die terugvoerlyn ingesluit word, is die energie wat benodig word om die polarisasie twee keer om te keer.