تطبيقات مهمة للسيراميك الكهرضغطي

                           تطبيقات مهمة للسيراميك الكهرضغطي

تم استخدام السيراميك الكهروضغطي على نطاق واسع بسبب كهرضغطية وتنوع الخواص الكهروميكانيكية الناتجة عن كهرضغطية. نظرًا للتنوع الكبير في أجهزة السيراميك الكهرضغطية ونطاق تطبيقاتها الواسع، فمن الصعب تصنيفها بدقة باستخدام طريقة بسيطة. يمكن تقسيم التطبيقات العامة على نطاق واسع إلى فئتين: الهزازات الكهرضغطية ومحولات الطاقة الكهرضغطية.

1. محول الطاقة

يتنوع تطبيق التأثير الكهروضغطي، وأحد أهمها هو استخدامه في خصائص s محولات الطاقة  . إنها الكهرباء خاصية تحويل الطاقة ، وهي أن  تأثير  يتم تطبيقه على السيراميك الكهرضغطي، ؛ ويمكن تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية من خلال تأثير الجهد العكسي التأثير الكهربائي يحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية. يستفيد الناس من هذه الخاصية الفيزيائية للسيراميك الكهرضغطي لتصنيع أنواع كثيرة من الأجهزة الكهرضغطية، والتي تستخدم على نطاق واسع في الاتصالات تحت الماء، والموجات فوق الصوتية، والإشعال عالي الجهد وغيرها من المجالات.

1 ، مشعل سيراميك كهرضغطية

هذا جهاز يحول القوة الميكانيكية إلى شرارات كهربائية لإشعال المواد القابلة للاحتراق. وهو محول الكهروميكانيكية. في عام 1958، كان رائدًا في استخدام التأثير الكهرضغطي لسيراميك تيتانات الباريوم (BaTiO3) للإشعال. معدل الاشتعال هذا قضيب بيزو عنصر بيزو ليست عالية، والضوضاء كبيرة. في عام 1962، تم استخدام السيراميك الكهرضغطي من تيتانات زركونات الرصاص (PZT) لصنع أجهزة الإشعال. يستخدم هذا النوع من أجهزة الإشعال على نطاق واسع في الحياة اليومية والإنتاج الصناعي والشؤون العسكرية، ويستخدم لإشعال وتفجير الغازات والمتفجرات المختلفة والصواريخ.

(1) المبدأ الأساسي: تنقسم عملية عمل جهاز الإشعال إلى ثلاث مراحل: توليد الجهد العالي، وإشعال التفريغ، وإشعال الغاز القابل للاحتراق. توليد الجهد العالي - خذ عناصر السيراميك الكهرضغطية الأسطوانية كمثال، عندما تعمل القوة الميكانيكية F على الأسطوانة، سوف يتم تشويه البلورة، مما يتسبب في تحول مركز الشحنات الموجبة والسالبة في البلورة، بحيث تظهر كمية كبيرة من الشحنات الحرة على الأسطح العلوية والسفلية للأسطوانة تتراكم، مما ينتج عنه خرج جهد عالي. جهد الخرج هو: V=ga3Fh/A، حيث A —— مساحة المقطع العرضي للأسطوانة؛ ح —— ارتفاع الاسطوانة. ga3 —— ثابت الجهد الكهرضغطي. إشعال التفريغ - ضع عنصر السيراميك الكهرضغطي في دائرة مغلقة واترك فجوة مناسبة. عندما يرتفع الجهد إلى جهد تفريغ الفجوة، سيتم إنشاء شرارة تفريغ في الفجوة. إشعال الغاز القابل للاحتراق - ليس من السهل حرق غاز الوقود العام، لذلك يتم استخدام الإيثان الذي يسهل تحويله إلى غاز. من أجل إطالة وقت التفريغ ومنع إطفاء الشرارة بسرعة كبيرة، لزيادة معدل الإشعال. يمكن توصيل المقاوم المناسب على التوالي عند نهاية التفريغ.

 

(2) هيكل ومبدأ عمل المشعل ، هناك أنواع كثيرة من المشعلات، ويتم أخذ المشعل الكهروضغطي المنزلي كمثال لتوضيح هيكله ومبدأ عمله. يمكن تثبيته على الطباخ المنزلي لإشعال الغاز، وتشغيل مفتاح الكامة، ويستخدم  الجزء البارز من الكامة لدفع كتلة التأثير، وضغط الزنبرك خلف كتلة التأثير. عندما ينفصل الجزء البارز من الكامة عن كتلة التصادم، بسبب القوة المرنة للزنبرك، فإن كتلة التصادم تعطي عنصر كهرضغطية  سيراميكي ضغطي .قوة تصادم، والتي تولد جهدًا عاليًا عند طرفي عنصر كهرضغطية، وتخرج جهدًا عاليًا من القطب الأوسط لتوليد شرارة كهربائية لإشعال الغاز.

 

2. محول صوتي تحت الماء

محول الطاقة الصوتي تحت الماء هو جهاز محول يستخدم للاتصال والكشف تحت الماء. يعرف الناس أن الاتصالات والكشف الجوي يعتمد بشكل أساسي على الموجات الكهرومغناطيسية، مثل الاتصالات الراديوية ومعدات الرادار وغيرها، وكلها تعتمد على الموجات الكهرومغناطيسية لنقل المعلومات في الهواء. لا يمكن استخدام الموجات الكهرومغناطيسية للاتصال والكشف تحت الماء. وذلك لأن الموجات الكهرومغناطيسية لها فقدان كبير في الانتشار في الماء، وسيتم امتصاصها من قبل شخص لا يسافر بعيدًا. ومع ذلك، فإن فقدان انتشار الموجات الصوتية في الماء صغير جدًا، لذا فإن الاتصال والكشف تحت الماء يستخدم بشكل أساسي الموجات الصوتية لنقل المعلومات، وتسمى الأدوات التي تولد وتكشف الموجات الصوتية بأنظمة السونار. تعد أنظمة السونار أدوات لا غنى عنها للملاحة تحت الماء، والاتصالات، والكشف عن الغواصات ومدارس الأسماك، والأبحاث البحرية. يقارن الناس السونار في الماء بالرادار في الهواء، وعيون وآذان نظام السونار عبارة عن محولات صوتية تحت الماء. بدأت الأبحاث حول محولات الطاقة الصوتية تحت الماء في الحرب العالمية الأولى. استخدم لانجفان الفرنسي لأول مرة بلورات الكوارتز لصنع محولات الطاقة الصوتية تحت الماء بناءً على التأثير الكهرضغطي. على الرغم من أن محول الطاقة الصوتية تحت الماء الذي ابتكره لانغ زيوان كان محدودًا بالظروف التقنية في ذلك الوقت ولم يتم استخدامه فعليًا في غواصات أعماق البحار، إلا أنه قدم مساهمة كبيرة في تطوير العلوم الصوتية تحت الماء في المستقبل. يستخدم محول لانجفين تأثير الجهد العكسي لكريستال الكوارتز لإصدار موجات صوتية في الماء، يستقبل أنبوب السيراميك الضغطي الموجات الصوتية العائدة من الماء من خلال تأثير الجهد الإيجابي، ويقوم ببعض القياسات تحت الماء وفقًا للوقت الترددي لموجات الصوت النبضية.

لقد أجرى الناس بحثًا متعمقًا ومنهجيًا حول محولات الطاقة الصوتية الكهرضغطية تحت الماء لجعلها عملية. ومع ذلك، كانت المواد الكهرضغطية الرئيسية المستخدمة في ذلك الوقت عبارة عن بلورات كهرضغطية قابلة للذوبان في الماء - ملح روش وثنائي أوكسي فوسفات البوتاسيوم. في أواخر الخمسينيات، ظهر السيراميك الكهرضغطي. لقد أصبح تصنيع محولات الطاقة الصوتية تحت الماء باستخدام السيراميك الكهرضغطي المادة الكهروضغطية الرئيسية التي يختارها الناس تقريبًا. نظرًا لامتلاكها العديد من الخصائص التي لم تكن تتمتع بها البلورات الكهرضغطية في الماضي، فقد أصبحت المادة الكهرضغطية الأكثر مثالية لصنع محولات الطاقة الصوتية تحت الماء، ولا توجد مادة أخرى يمكن أن تضاهيها. المزايا الرئيسية لمحولات الطاقة الصوتية تحت الماء الخزفية الكهرضغطية هي:

(1) لا حاجة لجهد التيار المستمر والملف، نظام الاهتزاز بسيط؛

(2) محول الطاقة الخزفي الكهرضغطي صغير الحجم وله خصائص ممتازة؛

(3) يمكن تصنيع محولات الطاقة الخزفية الكهرضغطية بأي شكل حسب الحاجة.

تعد محولات الطاقة الكهرضغطية أكثر أنواع محولات الطاقة استخدامًا في مجال التكنولوجيا الصوتية تحت الماء. تحتاج مؤشرات أداء محولات الطاقة الصوتية تحت الماء فقط إلى تردد التشغيل، ومعامل الاقتران الكهروميكانيكي، ومعامل التحويل الكهروميكانيكي، وعامل الجودة، وخصائص التردد، وخصائص المعاوقة، وخصائص الاتجاه، وخصائص السعة، وحساسية الإرسال، وحساسية الاستقبال، وقدرة المرسل، وخصائص استقرار درجة الحرارة والوقت، والقوة الميكانيكية والوزن وما إلى ذلك. ومع ذلك، بالنسبة لمحول طاقة عملي، ليس من الضروري طرح الكثير من متطلبات الفهرس بغض النظر عن المناسبة، ولكن طرح متطلبات مؤشر مختلفة وتمثيلية وفقًا لمناسبات الاستخدام والتطبيق.

ثانيا، الهزاز الكهروضغطي

بعد ظهور السيراميك الكهرضغطي PZT ، من الممكن صنع مرشحات السيراميك. يمكن تصنيع المرشحات الخزفية ذات الترددات المختلفة باستخدام أوضاع اهتزاز مختلفة للهزازات الكهرضغطية. أول وضع اهتزاز تم تطبيقه هو الاهتزاز الشعاعي أو الاهتزاز الكنتوري، مما يجعل مرشح 455 كيلو هرتز. وفي وقت لاحق، تطور تردد المرشحات الخزفية إلى كلا الطرفين، حيث وصل الطرف الأعلى إلى 10 ميجا هرتز والطرف المنخفض إلى أقل من 1 كيلو هرتز. نظرًا لتطبيق وضع مصيدة الطاقة، يصل تردد مرشح السيراميك إلى 100 ميجا هرتز، وقد وصل مرشح الموجة الصوتية السطحية المثار بواسطة محول الطاقة بين الرقمي إلى أكثر من 1 جيجا هرتز، وأعلى تردد لمرشح الموجة الصوتية السطحية باستخدام السيراميك الكهرضغطي حيث كانت الركيزة تصل إلى 630 ميجا هرتز.

المحول الكهرضغطي هو أيضًا هزاز من حيث تطبيقه، وهيكله الأساسي هو وضع مجموعتين من الأقطاب الكهربائية على الجسم الخزفي الكهرضغطي لتشكيل أربع أطراف. إضافة إشارة كهربائية إلى الجانب الأساسي يجعلها يتردد صداها، والجانب الثانوي له مخرج. وبهذه الطريقة يعمل كمحول في وقت الرنين. بدأ البحث عن المحولات الكهرضغطية في وقت سابق. ليس من السهل زيادة الطاقة والجهد الدافع للمحولات الكهرضغطية المصنوعة من السيراميك المتجانس. يتم تصنيع المحول الكهروضغطي متعدد الطبقات بنفس التكنولوجيا المركبة متعددة الطبقات مثل تكنولوجيا تصنيع المكثفات المتجانسة، وقد تم تحسين قوتها وجهد القيادة بشكل كبير، مما يزيد من توسيع نطاق تطبيق المحول الكهرضغطي.

 

1. المحول الكهرضغطي

تم تطوير المحولات الكهرضغطية منذ الخمسينيات من القرن الماضي. في ذلك الوقت، تم استخدام تيتانات الباريوم كمادة رئيسية. نسبة التعزيز منخفضة (50 إلى 60 مرة فقط). الجهد الناتج حوالي 3000 فولت. مع ظهور مواد السيراميك الكهرضغطية من تيتانات زركونات الرصاص، زادت نسبة التصعيد إلى 300 إلى 500 مرة، وتم تعميمها تدريجيًا واستخدامها في أجهزة التلفزيون وآلات النسخ الكهروستاتيكية ومولدات الأيونات السالبة كإمدادات طاقة عالية الجهد.

(1) المبادئ الأساسية. يتم تحويل طاقة الاهتزاز الكهربائية المدخلة إلى السيراميك الكهرضغطي إلى طاقة اهتزاز ميكانيكية من خلال التأثير الكهرضغطي العكسي، ثم يتم تحويلها إلى طاقة كهربائية من خلال التأثير الكهرضغطي الإيجابي. يتم تحقيق تحويل المعاوقة (من مقاومة منخفضة إلى مقاومة عالية) خلال تحويلي الطاقة هذين، بحيث يمكن الحصول على خرج كهرضغطية عالي عند تردد الرنين للوحة السيراميك. الآن خذ المحولات الأفقية والرأسية ذات الاهتزازات الممتدة كمثال لتوضيح مبدأ المحولات.

 

تنقسم شريحة السيراميك بأكملها إلى جزأين، الجزء الأيسر هو طرف الإدخال (المعروف أيضًا باسم جزء القيادة)، وهناك أقطاب كهربائية فضية محترقة على الجانبين العلوي والسفلي، مستقطبة على طول اتجاه السُمك، والجزء الأيمن هو طرف الإخراج (المعروف أيضًا باسم جزء توليد الطاقة)، ​​والجزء الأيمن هو طرف الإخراج (المعروف أيضًا باسم جزء توليد الطاقة). توجد أقطاب كهربائية فضية محترقة على السطح. مستقطبة على طولها. عندما يتم تطبيق الجهد المتناوب على طرف الإدخال، بسبب تأثير الجهد العكسي، فإن القطعة الخزفية سوف تنتج اهتزازات ممتدة على طول اتجاه الطول، والتي ستحول الطاقة الكهربائية المدخلة إلى طاقة ميكانيكية؛ بينما يقوم جزء توليد الطاقة بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية من خلال تأثير الجهد الإيجابي، ثم ينقلها من طرف الخرج إلى جهد الخرج. عندما لا يكون هناك تحميل، فإن نسبة تعزيز الدائرة المفتوحة، Qm هي عامل الجودة الميكانيكية للمادة؛ K31، K33 هي معاملات الاقتران الكهروميكانيكية الطولية والعرضية للمادة؛ L هو طول جزء توليد الطاقة؛ t هو سمك المحول. تستخدم المحولات الكهرضغطية بشكل رئيسي في حالة الجهد العالي والطاقة المنخفضة وتحويل الموجة الجيبية، ولها مزايا فريدة مثل 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 اقتربت نهاية جزء توليد الطاقة، كلما زاد الجهد، ويمكن عمل أقطاب كهربائية في مواضع مختلفة لجزء توليد الطاقة كرؤوس عمود للحصول على مخرجات جهد مختلفة.

 

(2) مبدأ العمل الأساسي وخصائص محولات السيراميك الكهرضغطية المتجانسة (متعددة الطبقات). السيراميك الكهرضغطي مادة هشة. من أجل ضمان قوتها الميكانيكية، يجب أن يكون للمحول الكهرضغطي سماكة معينة، ويكون جهد القيادة للمحول المذكور أعلاه محدودًا تمامًا. ولهذا السبب، ظهر مشروع المحول الخزفي الكهروضغطي الأحادي (متعدد الطبقات) إلى حيز الوجود. بعد اعتماد الهيكل المتجانس (متعدد الطبقات)، يمكن تعديل سمك وعدد طبقات كل طبقة واحدة، ولم يعد جهد القيادة محدودًا، لذلك يمكن صنع الجهد. يمكن للمحولات الكهربائية أن تعمل في أفضل حالة بغض النظر عن جهد القيادة الموجود فيها.

التقنيات الأساسية لهذا المشروع هي ملبدة بدرجة حرارة منخفضة دون الميكرون المواد الخزفية الكهرضغطية ، وتقنية الإشعال المشترك للأقطاب الكهربائية الداخلية، وتكنولوجيا معالجة الاستقطاب، والتصميم الهيكلي. المحولات الخزفية الكهرضغطية المتجانسة (متعددة الطبقات) هي الجيل الثالث من المحولات الإلكترونية التي تتميز بالميزات التالية.

① رفيع للغاية: لا يتجاوز السمك عمومًا 4 مم.

②كفاءة تحويل عالية: أكثر من 97% عند التحميل الكامل (الحمل المقاوم).

③ لديها ميزة الحماية الذاتية للقطع التلقائي لدائرة قصر الحمل.

④محول الرنين: يمكنه تحقيق تحويل جهد صفري وتحويل تيار صفري.

⑤ يتميز بخصائص خرج تيار شبه ثابتة لأحمال المعاوقة المنخفضة.

⑥ لا يوجد جهد ذروة عكسي، حماية موثوقة لدائرة مكبر كهربائي.

⑦ لا يوجد تداخل كهرومغناطيسي.

⑧لا يوجد انهيار للملف، وكسر العفن.

⑨مقاومة رش الملح، ومقاومة جيدة للطقس، ومناسبة خاصة للاستخدام في المناخات البحرية.

 

2. لاقط ومكبر صوت من السيراميك الكهرضغطي

تُستخدم محولات الطاقة الخزفية الكهرضغطية على نطاق واسع في المعدات الكهروصوتية، مثل الالتقاطات ومكبرات الصوت الخزفية الكهرضغطية.

(1) هزاز مزدوج الحجاب الحاجز (الشكل 6-16). تتطلب المعدات الكهروصوتية مقاومة ميكانيكية منخفضة ويمكن أن تتطابق مع مصدر الصوت أو مصدر الاهتزاز، ويمكن للهزاز الكهرضغطي مزدوج الحجاب الحاجز تلبية هذه المتطلبات. إنها مصنوعة من لوحتين من السيراميك الكهرضغطي قابلة للتمدد في الطول. عندما يتم تمديد قطعة واحدة، يتم تقصير القطعة الأخرى، وينحني كله.

 

إنه يعطي مبدأ عمل الهزاز ذو الحجاب الحاجز المزدوج. عندما يتم ثني قطعة من السيراميك الكهرضغطي بسماكة معينة تحت القوة، يتم تمديد أحد جوانب سمكها، ويتم ضغط الجانب الآخر. في هذا الوقت، سيتم توليد الشحنات داخل قطعة السيراميك. ولكن لأن اتجاه استقطاب الحجاب الحاجز بأكمله هو نفسه، فإن الجانب العلوي ممدود، والجانب السفلي مضغوط، مما يجعل عزم ثنائي القطب الكهربائي معاكسًا، والجانبان العلوي والسفلي لهما نفس إشارة الشحن، لذلك لا يوجد فرق محتمل، كما هو موضح في الشكل 6-16 (أ) الموضح. إذا تم استخدام هيكل مزدوج الحجاب الحاجز مع ورقتين متراكبتين بدلاً من ذلك، فيمكن الحصول على خرج جهد عند ثني القوة. يستخدم الشكل 6-16(ب) أغشية ذات اتجاهين استقطابيين متعاكسين متصلين على التوالي. عند تطبيق قوة ما، يتمدد الجزء العلوي وينضغط الجزء السفلي. وبما أن اتجاهي الاستقطاب متعاكسان، فإن الجانبين العلوي والسفلي للحجاب الحاجز المزدوج مشحونان بإشارات متعاكسة، ويمكن الحصول على خرج جهد. يتم تشكيل الشكل 6-16(ج) عن طريق توصيل غشائين بنفس اتجاه الاستقطاب على التوازي، ويمكن أيضًا الحصول على جهد الخرج.

 

(2) هيكل مكبر الصوت الخزفي الكهروإجهادي ومبدأ العمل: مكبر الصوت الخزفي الكهرضغطي هو جهاز كهربائي صوتي بسيط وخفيف الوزن ذو حساسية عالية، لا يوجد امتداد للمجال المغناطيسي، لا حاجة للأسلاك النحاسية والمغناطيس، تكلفة منخفضة، استهلاك منخفض للطاقة، إصلاح سهل، إنتاج ضخم سهل، إلخ.

نظام القيادة الخاص به عبارة عن غشاء مزدوج من السيراميك الكهرضغطي، ونظام الاهتزاز عبارة عن مخروط ورقي، ويقوم عنصر الاقتران بنقل طاقة نظام القيادة بشكل فعال إلى نظام الاهتزاز. عند العمل، يتم تحويل الطاقة الكهربائية المضافة إلى الحجاب الحاجز الخزفي المزدوج الكهرضغطي إلى طاقة ميكانيكية، والتي تنتقل إلى مخروط الورق من خلال عنصر التوصيل لجعله يهتز ويصدر صوتًا. يتمتع الحجاب الحاجز المزدوج الكهرضغطي بمقاومة عالية نسبيًا، مما يشكل محرك جهد. العلاقة بين القوة F والجهد V هي F=KV، وK هو المعامل التناسبي. إذا كانت مقاومة الاهتزاز الميكانيكية بما في ذلك مقاومة الإشعاع هي Z، فإن سرعة الاهتزاز هي: v=F/Z، ويمكن الحصول على ضغط الصوت P في المركز r للحجاب الحاجز العالي. |P|=10fρS/r |v| حيث: f - التردد؛ ρ — كثافة متوسطة؛ S - المنطقة الفعالة للجسم الفقري. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تصنيع محولات الطاقة الكهربائية الصوتية الأخرى وفقًا للتأثير الكهرضغطي للسيراميك الكهروضغطي، مثل أجهزة الإرسال، وأجهزة الاستقبال، وأجهزة الإنذار، وما إلى ذلك.