تطبيق محول السيراميك الكهروإجهادي

تم استخدام السيراميك الكهرضغطي على نطاق واسع بسبب كهروضغطية والتنوع الناتج في الخواص الكهروميكانيكية. يمكن تقسيم هذه التطبيقات بشكل عام إلى فئتين عريضتين، وهما الهزازات الكهرضغطية. عندما يتم استخدامه كهزاز كهرضغطية، يجب أن تتمتع مادة السيراميك الكهرضغطية باستقرار جيد في درجة حرارة التردد وعامل جودة ميكانيكية عالي Q (يشير Q إلى درجة استهلاك الطاقة الداخلية للمادة أثناء تحويل الاهتزاز)؛ مطلوب لاستخدامه كمحول. عامل الاقتران الميكانيكي العالي K (التحويل الميكانيكي إلى طاقة كهربائية / طاقة ميكانيكية مدخلة، طاقة كهربائية إلى طاقة ميكانيكية / طاقة كهربائية مدخلة) وثابت عازل نسبي كبير، يرد أدناه تطبيق السيراميك الكهروضغطي.

1. نظرة عامة على
السيراميك الكهرضغطي هو عبارة عن فيلم متعدد البلورات ذو تأثير كهرضغطي، ويتم تسمية عملية إنتاجه على اسم عملية الإنتاج المماثلة (سحق المواد الخام، القولبة، تلبيد درجة الحرارة العالية). تخضع بعض البلورات متباينة الخواص للتشوه تحت القوة الميكانيكية، مما يتسبب في إزاحة جزيئات الشحن نسبيًا، مما يؤدي إلى ظهور الشحنات الإيجابية والسلبية على سطح البلورة. وتسمى هذه الظاهرة تأثير كهرضغطية. تسمى هذه الخاصية للبلورة بالكهرباء الضغطية. تم اكتشاف السيراميك الكهروضغطي في عام 1880 من قبل الأخوين ج. كوري وبي. كوري. وبعد بضعة أشهر، تحققوا تجريبيًا من التأثير الكهرضغطي العكسي، أي أنه عندما يتم تطبيق جهد على البلورة الانضغاطية، فإن البلورة الانضغاطية ستخضع لتشوه هندسي. قبل عام 1940، كان هناك نوعان فقط من الطاقة الكهربائية الحديدية المعروفة (ليس فقط الاستقطاب التلقائي في نطاق درجة حرارة معين، ولكن أيضًا الاستقطاب التلقائي للبلورات التي يمكن إعادة توجيهها بسبب قوة المجال الخارجي): أحدهما هو فوسفات ثنائي هيدروجين البوتاسيوم وما يعادله. الأول لديه كهرضغطية عند درجة الحرارة العادية، وله قيمة استخدام فنية، ولكن له عيبًا أنه سهل الذوبان؛ هذا الأخير يحتوي على سيراميك كهرضغطية عند درجة حرارة منخفضة (أقل من -14 درجة مئوية)، وقيمة الاستخدام الهندسي ليست كبيرة. تم العثور على تيتانات الباريوم (BaTiO) لديه ثابت عازل مرتفع بشكل غير طبيعي. وسرعان ما تم اكتشاف أنها كهرضغطية، وكان اكتشاف السيراميك BaTi O الكهرضغطية بمثابة قفزة نوعية للمواد الكهرضغطية. في السابق، لم يكن هناك سوى مادة بلورية كهرضغطية، وبعد ذلك ظهرت مادة متعددة البلورات كهرضغطية، وهي السيراميك الكهرضغطي وتم استخدامها على نطاق واسع. في عام 1947، استخدمت الولايات المتحدة سيراميك BaTiO لصنع التقاطات للفونوغرافات. استخدمته اليابان لمدة عامين. تتميز مادة BaTiO بالعيب المتمثل في أن الكهرباء الضغطية أضعف من الملح الخامل وأن الكهرباء الضغطية أكبر من بلورة الكوارتز مع درجة الحرارة. في عام 1954، اكتشف ب. جافي وآخرون نظام الحل الصلب PbZrO-PbTiO (PZT) الكهروضغطي، وهو حدث تاريخي جعل من المستحيل تصنيع الأجهزة في BaTiO. منذ ذلك الحين، تم تطوير السيراميك الكهرضغطي الشفاف PZT لتوسيع نطاق تطبيق السيراميك الكهرضغطي ليشمل مجال البصريات. حتى الآن، يعد تطبيق السيراميك الكهروضغطي، بدءًا من تطور الكون وحتى حياة الأسرة، واسع النطاق للغاية. بدأت أبحاث الصين في مجال السيراميك الكهرضغطي في أواخر الخمسينيات من القرن الماضي، أي بعد حوالي 10 سنوات من الدول الأجنبية. في الوقت الحاضر، هناك قوى قوية جدًا في الإنتاج التجريبي والإنتاج الصناعي للسيراميك الكهرضغطي. وصلت العديد من المواد إلى المستوى الدولي أو اقتربت منه.

الآلية الفيزيائية للكهرضغطية
الخزفية يمكن تفسير مستشعر القرص الانضغاطي بواسطة الكهرباء الانضغاطية للبلورة الانضغاطية. تحت تأثير القوة الميكانيكية، يتغير إجمالي عزم ثنائي القطب الكهربائي (الاستقطاب)، مما يؤدي إلى ظاهرة كهرضغطية. ترتبط الكهرباء الضغطية ارتباطًا وثيقًا بالاستقطاب والتشوه وما شابه.

آلية الاستقطاب المجهرية

حالة الاستقطاب هي الحالة التي يمارس فيها المجال الكهربائي قوة إزاحة نسبية على النقطة المشحونة للعازل الكهربائي وتوازن مؤقت للتجاذب المتبادل بين الشحنات. هناك ثلاث آليات الاستقطاب الرئيسية.

(1) استقطاب إزاحة الإلكترون - لا تتطابق ذرة أو أيون العازل الكهربائي مع مركز الشحنة السالبة لنواة موجبة الشحنة وإلكترون غلافي تحت تأثير قوة المجال الكهربائي.

(2) استقطاب الإزاحة الأيونية - يتم إزاحة الأيونات الموجبة والسالبة للعازل الكهربائي نسبيًا تحت تأثير قوة المجال الكهربائي، وبالتالي توليد عزم ثنائي القطب الكهربائي.

(3) استقطاب الاتجاه - الجزيئات القطبية التي تشكل العازل الكهربائي لها لحظة كهربائية جوهرية (متأصلة). بسبب الحركة الحرارية، يتم اضطراب الاتجاه، وإجمالي العزم الكهربائي هو صفر. عندما يتم تطبيق مجال كهربائي، فإن عزم ثنائي القطب الكهربائي. يتم محاذاة اتجاه المجال الكهربائي وتظهر عزم ثنائي القطب الكهربائي العياني. بالنسبة للبلورات متباينة الخواص، يرتبط الاستقطاب بوجود مجال كهربائي.

2. تأثير كهرضغطية

(1) التأثير الكهرضغطي الإيجابي
عندما تتشوه البلورة الكهرضغطية بواسطة قوة خارجية، يتم إزاحة مراكز الشحن الموجبة والسالبة نسبيًا، وتتولد الشحنات المعاكسة على بعض الوجوه المقابلة، وتحدث شدة الاستقطاب. تسمى ظاهرة عدم وجود مجال كهربائي والاستقطاب عن طريق التشوه بالتأثير الكهرضغطي الإيجابي.

بالنسبة للبلورات متباينة الخواص، يتم تطبيق الضغط على البلورة؛ (السلالة المقابلة)، سيكون للبلورة استقطاب متناسب في الاتجاهات الثلاثة X وY وZ، والتي تسمى ثابت الإجهاد الكهرضغطي وثابت الإجهاد الكهرضغطي، على التوالي.

(2) التأثير الكهروضغطي العكسي
عندما يتم تطبيق مجال كهربائي على البلورة، لا يتم توليد الاستقطاب فحسب، بل يتولد أيضًا التشوه، وتسمى ظاهرة التشوه بواسطة المجال الكهربائي بالتأثير الكهرضغطي العكسي. وذلك لأنه عندما تتعرض البلورة لمجال كهربائي، يتم إنشاء إجهاد (إجهاد كهرضغطية) داخل البلورة، ويتم إنشاء إجهاد كهرضغطية بواسطة الإجهاد.

3. آلية تأثير الضغط
تم اكتشاف التأثير الكهرضغطي لأول مرة على البلورات الانضغاطية. الآن نستخدم البلورات الانضغاطية كنموذج لتوضيح الآلية الفيزيائية للتأثير الكهرضغطي.
عندما لا يتم تطبيق أي ضغط، يتم توزيع مراكز الشحن الإيجابية والسلبية للبلورة. في هذا الوقت، تتزامن مراكز الشحن الإيجابية والسلبية، وإجمالي اللحظة الكهربائية للبلورة تساوي الصفر، ولا يتم شحن سطح البلورة (وليس كهرضغطية).

تطبيق السيراميك الكهروإجهادي

مشعل السيراميك الكهرضغطي
هذا هو الجهاز الذي يحول القوة الميكانيكية إلى شرارة كهربائية لإشعال الاحتراق، وهو محول طاقة كهروميكانيكي. في عام 1958، تم استخدام التأثير الكهرضغطي لسيراميك تيتانات الباريوم (BaTiO) في الإشعال. ومع ذلك، فإن مادة PZT لديها معدل اشتعال منخفض وضوضاء عالية. في عام 1962، تم استخدام تجارب السيراميك الكهرضغطي تيتانات زركونات الرصاص (PZT) لصنع أجهزة الإشعال. تُستخدم أجهزة الإشعال على نطاق واسع في الحياة اليومية والإنتاج الصناعي والتطبيقات العسكرية لإشعال الغاز وأنواع مختلفة من المتفجرات والصواريخ.

(1) المبادئ الأساسية

توليد الجهد العالي —— لنأخذ مكون السيراميك الكهرضغطي الأسطواني كمثال، عندما تعمل القوة الميكانيكية F على الأسطوانة، فإن البلورة الانضغاطية تتشوه، مما يتسبب في تحول مركز الشحنات الموجبة والسالبة في البلورة، بحيث تتراكم كمية كبيرة من الشحنة على الأسطح العلوية والسفلية للأسطوانة و 

(2) انتاج الجهد العالي.

(3) هيكل الإشعال ومبدأ العمل

2. المحولات الكهرضغطية
منذ الخمسينيات من القرن الماضي، تم تطوير المحولات الكهروضغطية. في ذلك الوقت، تم استخدام تيتانات الباريوم كمادة رئيسية. التعزيز منخفض نسبيًا (50-60 مرة فقط). الجهد الناتج حوالي 3000 فولت. مع ظهور المواد السيراميكية الكهرضغطية من تيتانات زركونات الرصاص، تمت زيادة نسبة التعزيز إلى 300-500 مرة، وتم تطبيقها تدريجيًا على أجهزة التلفزيون وآلات النسخ الكهروستاتيكية ومولدات الأيونات السالبة كمصادر طاقة عالية الجهد.

(1) المبادئ الأساسية
يتم تحويل طاقة الاهتزاز الكهربائية المدخلة إلى لوح السيراميك الكهرضغطي إلى طاقة اهتزاز ميكانيكية عن طريق التأثير الكهرضغطي العكسي، ثم يتم تحويلها إلى طاقة كهربائية عن طريق التأثير الكهرضغطي الإيجابي. يتم تحقيق تحويل المعاوقة (من مقاومة منخفضة إلى مقاومة عالية) في تحويلي الطاقة هذين لتحقيق خرج جهد عالي عند تردد الرنين لشريحة السيراميك الضغطية. يتم شرح مبدأ التحويل من خلال أخذ محول أفقي ورأسي لاهتزاز التمدد كمثال.

تنقسم قطعة السيراميك الانضغاطية بأكملها إلى جزأين، الجزء الأيسر هو طرف الإدخال (يُسمى أيضًا جزء القيادة)، والجانبان العلوي والسفلي لهما القطب الفضي المتسلل، وهو مستقطب في اتجاه السُمك، والجزء الأيمن هو طرف الإخراج (يُسمى أيضًا جزء توليد الطاقة)، ​​والنهاية اليمنى. يوجد قطب فضي متسلل على السطح. مستقطبة على طول. عندما يتم تطبيق طرف الإدخال بجهد متناوب، بسبب التأثير الكهرضغطي العكسي، فإن لوح السيراميك الانضغاطي يولد اهتزازًا ممتدًا على طول اتجاه الطول، والذي يحول الطاقة الكهربائية المدخلة إلى طاقة ميكانيكية؛ ويقوم جزء توليد الطاقة بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية من خلال التأثير الكهرضغطي الإيجابي. حيث أن عامل الجودة الميكانيكية للمادة؛ - معاملات الاقتران الكهروميكانيكية الطولية والعرضية للمادة؛ طول الجزء المولد للطاقة L؛ T - سمك المحول.

(2) تطبيق المحولات الكهروإجهادية
تستخدم المحولات الكهروإجهادية بشكل أساسي في حالة الجهد العالي والطاقة المنخفضة وتحويل الموجة الجيبية، ولها مزايا فريدة من نوعها وهي جهد الخرج العالي، والوزن الخفيف، والحجم الصغير، وعدم وجود مجال مغناطيسي للتسرب، وعدم الاحتراق. من أجل الحصول على مخرجات جهد متعددة، وفقًا لجهد الخرج للمحول الأفقي العمودي يتناسب مع الطول، كلما اقتربنا من نهاية جزء توليد الطاقة، كلما زاد الجهد، يمكننا صنع أقطاب كهربائية كصنابير في مواضع مختلفة لجزء توليد الطاقة، وبالتالي الحصول على مخرجات الجهد المختلفة. .

4. التقاطات ومكبرات الصوت من السيراميك الكهرضغطية

(1) هزاز من نوع الحجاب الحاجز المزدوج

تم تقديم مبدأ العمل للهزاز من نوع الحجاب الحاجز المزدوج. عندما يتم ثني السيراميك الكهروضغطي بسماكة معينة تحت القوة، فإنه يتم تمديده على أحد جانبي السماكة وضغطه على الجانب الآخر، ويتم توليد شحنة داخل لوح السيراميك الكهرضغطي. ومع ذلك، نظرًا لأن الحجاب الحاجز بأكمله له نفس اتجاه الاستقطاب، فإن الجانب العلوي ممدود، ويتم ضغط الجانب السفلي، بحيث تكون عزم ثنائي القطب الكهربائي معاكسًا، ورموز شحن الجانب العلوي والسفلي متماثلة، لذلك لا يوجد فرق محتمل، مثل التبديل إلى هيكلين متداخلين من الحجاب الحاجز المزدوج، عندما يتعرض لثني القوة، يمكن الحصول على خرج الجهد. يتم توصيل قطعتين من الأغشية باتجاهات استقطاب متعاكسة في السلسلة، وعندما يتم تطبيق القوة، تستطيل القطعة العلوية وتنضغط القطعة السفلية. وبما أن اتجاهي الاستقطاب متعاكسان، فإن الجانبين العلوي والسفلي للحجاب الحاجز المزدوج مشحونان بشكل متقابل بإشارة، ويمكن الحصول على خرج الجهد. يتم توصيل الحجابين اللذين لهما نفس اتجاه الاستقطاب بالتوازي لتكوين جهد الخرج.

(2) هيكل لاقط السيراميك الكهروإجهادي ومبدأ العمل

(3) هيكل مكبر الصوت الخزفي الكهرضغطي ومبدأ العمل
مكبر الصوت الخزفي الكهرضغطي هو جهاز كهروصوتي بسيط وخفيف الوزن، يتميز بمزايا الحساسية العالية، وعدم تشتت المجال المغناطيسي، وعدم وجود أسلاك نحاسية ومغناطيس، وتكلفة منخفضة، واستهلاك منخفض للطاقة، وإصلاح مريح وإنتاج ضخم.

نظام القيادة هو عناصر كهرضغطية من مادة PZT ذات غشاء مزدوج، ونظام الاهتزاز عبارة عن مخروط ورقي، ويقوم مكون الاقتران بنقل طاقة نظام القيادة إلى نظام الاهتزاز بكفاءة. أثناء التشغيل، يتم تحويل الطاقة الكهربائية المطبقة على الغشاء المزدوج الخزفي الكهرضغطي إلى طاقة ميكانيكية، والتي تنتقل إلى مخروط الورق من خلال عنصر التوصيل ليهتز ويصدر صوتًا. يتمتع الحجاب الحاجز المزدوج الكهرضغطي بمقاومة أعلى ويشكل محركًا للجهد. العلاقة بين القوة F والجهد V هي F=KV، K هو معامل متناسب، ومقاومة الاهتزاز الميكانيكية بما في ذلك مقاومة الإشعاع هي Z، وسرعة الاهتزاز هي
V=F/Z
يمكن الحصول على ضغط الصوت P في المركز r للفيلم عالي الاهتزاز.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن تصنيع محولات الطاقة الكهربائية الصوتية الأخرى مثل جهاز الإرسال، وجهاز الاستقبال، والجرس، وما إلى ذلك وفقًا للتأثير الكهرضغطي للسيراميك الكهرضغطي.

(4) مراوح ومرحلات السيراميك الكهرضغطية
يمكن تحويل السيراميك الكهرضغطي إلى مروحة سيراميك كهرضغطية صغيرة، والتي تتميز بمزايا الحجم الصغير، ولا يوجد توليد للحرارة، ولا همهمة، واستهلاك منخفض للطاقة وعمر طويل. إنه عبارة عن مشوه ثني سيراميك كهرضغطية، يتكون من لوحتين من السيراميك الكهروضغطي محصورتين برقائق معدنية، وتولد ورقة السيراميك الانضغاطية حركة تلسكوبية تحت تأثير مجال كهربائي خارجي. إذا تم تطبيق لوحتين من السيراميك الانضغاطي بجهد عكسي، فإن الجانب الآخر يتقلص للتمدد، وتنحني الصفائح المعدنية وتتشوه. إذا تم تطبيق الجهد المتناوب، فإن الصفائح المعدنية سوف تهتز بشكل دوري.