المواد الكهرضغطية هي مواد وظيفية تحقق التحويل بين الطاقة الميكانيكية والطاقة الكهربائية(1)

المواد الكهرضغطية هي مواد وظيفية تحقق التحويل بين الطاقة الميكانيكية والطاقة الكهربائية. تطورها له تاريخ طويل. منذ اكتشاف التأثير الكهرضغطي على بلورات الكوارتز من قبل الأخوين كوري في ثمانينيات القرن التاسع عشر، بدأت المواد الكهروضغطية تجتذب اهتمامًا واسع النطاق. مع تعميق البحث، ظهر عدد كبير من المواد الكهروضغطية بشكل مستمر، مثل المواد الخزفية الوظيفية الكهروضغطية، والفيلم الانضغاطي، والمواد المركبة الكهروضغطية، وما إلى ذلك. يتمتع القرص الخزفي الضغطي بمجموعة واسعة جدًا من الاستخدامات، ويلعب دورًا مهمًا في أجهزة التحويل الوظيفية مثل الكهرباء والمغناطيسية والصوت والضوء والحرارة والرطوبة والغاز والقوة.

فيلم PVDF كهرضغطية

الفيلم الكهرضغطي PVDF هو فيلم كهرضغطية من مادة البولي فينيلدين الفلورايد. في عام 1969، اكتشف اليابانيون مادة البوليمر فلوريد البولي فينيلدين (بوليمر فلوريد البولي فينيلدين) المشار إليها باسم PVDF، والتي لها تأثير كهرضغطية قوي جدًا. يحتوي فيلم PVDF بشكل أساسي على نوعين من البلورات، وهما النوع α والنوع β. لا تحتوي بلورة النوع α على كهرضغطية، ولكن بعد لف فيلم PVDF وتمديده، تصبح بلورة النوع α الأصلية في الفيلم بنية بلورية من النوع β. عندما يتعرض فيلم PVDF الممدود والمستقطب لقوة خارجية أو تشوه في اتجاه معين، فإن السطح المستقطب للمادة سيولد شحنة كهربائية معينة، وهي التأثير الكهرضغطي قرص سيراميك بيزو كريستال.

بالمقارنة مع السيراميك الكهروضغطي والبلورات الكهرضغطية، تتمتع الأفلام الكهرضغطية بالمزايا التالية:

(1) خفيفة الوزن، كثافتها هي فقط ربع السيراميك الكهرضغطي PZT المستخدم بشكل شائع، الملصق على كائن القياس ليس له أي تأثير تقريبًا على الهيكل الأصلي، مرونة مرنة عالية، يمكن معالجتها في شكل محدد يمكن أن يكون أي سطح قياس مجهز بالكامل، مع قوة ميكانيكية عالية ومقاومة التأثير؛

(2) خرج الجهد العالي، في ظل نفس ظروف الضغط، يكون جهد الخرج أعلى 10 مرات من السيراميك الكهرضغطي؛

(3) قوة عازلة عالية يمكن أن تصمد أمام تأثير المجال الكهربائي القوي (75 فولت / أم)، في هذا الوقت تم إزالة استقطاب معظم السيراميك الكهرضغطي؛

(4) المقاومة الصوتية منخفضة، فقط عُشر السيراميك الكهرضغطي PZT، قريب من الماء والأنسجة البشرية والجسم اللزج؛

(5) استجابة التردد واسعة، ويمكن تحويل التأثير الكهروميكانيكي من 10-3 هرتز إلى 109، ووضع الاهتزاز بسيط.

لذلك، يمكن قياس الإجهاد والانفعال في الميكانيكا، ويمكن صنع مقاييس التسارع وأجهزة استشعار الاهتزاز في الاهتزاز، ويمكن صنع أجهزة استشعار مشروطة للإشعاع الصوتي ومحولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية صوتيًا واستخدامها في التحكم النشط، ويمكن استخدامها في أبحاث الروبوتات المستخدمة كجهاز استشعار عن طريق اللمس، ولها أيضًا تطبيقات في قياس وزن المركبات الطبية،

في الوقت الحاضر، يتطور البحث عن مواد الأغشية الرقيقة في اتجاهات مختلفة، والأداء العالي، والعمليات الجديدة، وما إلى ذلك، كما أن أبحاثها الأساسية عميقة أيضًا في المستوى الجزيئي، والمستوى الذري، ومستوى النانو، والبنية المجهرية، وما إلى ذلك، لذا فإن البحث عن مواد الأغشية الرقيقة الوظيفية له أهمية كبيرة.

خصائص فيلم بيزو

1. ثابت العزل الكهربائي

على الرغم من أن الفيلم الكهرضغطي عبارة عن فيلم بلوري واحد أو فيلم متعدد البلورات ذو اتجاه مفضل، إلا أن التعبئة الذرية فيه ليست ضيقة ومرتبة كما هو الحال في البلورة، وبالتالي فإن قيمة ثابت العزل الكهربائي للفيلم الكهرضغطي تختلف عن قيمة البلورة. بالإضافة إلى ذلك، هناك أيضًا ضغوط داخلية كبيرة متبقية غالبًا ما توجد في الأغشية الرقيقة وأسباب القياس، والتي تتسبب أيضًا في اختلاف قيمة ثابت العزل للفيلم الرقيق عن القيمة المقابلة للبلورة.

أظهرت الدراسات الحالية أن ثابت العزل الكهربائي للفيلم الكهرضغطي لا يرتبط فقط بالاتجاه البلوري، ولكنه يعتمد أيضًا على ظروف الاختبار. إن ثابت العزل الكهربائي للفيلم الكهرضغطي له تشتت كبير. بالإضافة إلى الاختلاف في الإجهاد الداخلي وظروف الاختبار، يُعتقد عمومًا أن الفرق بين نسبة التركيب الكيميائي وسمك الفيلم لتركيبة الفيلم يتناقص مع سمك الفيلم. بالإضافة إلى ذلك، فإن ثابت العزل الكهربائي للفيلم الكهرضغطي سيتغير أيضًا بشكل ملحوظ مع تغير درجة الحرارة والتردد.

2. حجم المقاومة

من منظور تقليل فقدان العزل الكهربائي وتردد الاسترخاء للفيلم الكهرضغطي، من المتوقع أن يتمتع بمقاومة عالية، على الأقل ρv≥108Ω•cm. تبلغ مقاومة فيلم AlN 2×1014~1×1015Ω·cm، وهي أعلى بكثير من 108Ω·cm، لذلك في هذا الصدد، يعتبر AlN فيلمًا ممتازًا للغاية. بالإضافة إلى ذلك، فإن التغير في التوصيل الكهربائي لأغشية AlN الكهرضغطية مع درجة الحرارة يتبع أيضًا قانون 1nσ∝1/T. لا تحتوي أي من البلورات ذات التأثير الكهرضغطي على مركز تناظر، لذا فإن حركتها الإلكترونية تكون أيضًا متباينة الخواص وموصليتها الكهربائية مختلفة أيضًا. تختلف الموصلية الكهربائية للفيلم الكهرضغطي AlN على طول اتجاه المحور C عن الاتجاه العمودي على المحور C. الأول أصغر بحوالي 1 إلى 2 أوامر.

3. فقدان زاوية الظل

ظل فقدان العزل الكهربائي للفيلم الكهرضغطي AlN هو tanδ=0.003～0.005، وtanδ لفيلم ZnO أكبر، وهو 0.005～0.01. السبب وراء كون tanδ لهذه الأفلام كبيرًا جدًا هو أنه بالإضافة إلى عملية التوصيل، فإن هذه الأفلام تحتوي أيضًا على ظواهر استرخاء كبيرة. على غرار الغشاء الرقيق العازل، فإن تان δ للفيلم السميك الكهرضغطي يزداد تدريجيًا مع زيادة درجة الحرارة والتردد وزيادة الرطوبة. بالإضافة إلى ذلك، مع انخفاض سمك الفيلم، يميل tan δ إلى الزيادة. من الواضح أن الزيادة في tanδ مع درجة الحرارة ترجع إلى زيادة التوصيل وزيادة المرخيات. ويزداد مع التكرار لأن عدد مرات الاسترخاء يزداد بمرور الوقت.

4. قوة الانهيار

لأن قوة مجال انهيار العزل الكهربائي هي معلمة قوة، وعيوب مختلفة لا يمكن تجنب محول الطاقة لنصف الكرة الكهرضغطية في الفيلم، وتكون قوة مجال الانهيار للفيلم الكهرضغطي مشتتة تمامًا؛ نظرية انهيار العوازل الكهربائية، للحصول على فيلم كامل وسليم، يجب أن تزداد شدة مجال الانهيار تدريجياً مع انخفاض سمك الفيلم. ولكن في الواقع، نظرًا لأن الفيلم يحتوي على العديد من العيوب، فإن تأثير العيب يكون أكثر أهمية حيث أن السمك أصغر، لذلك عندما يتم تقليل السمك إلى قيمة معينة، تصبح قوة مجال الانهيار للفيلم أصغر بشكل حاد. بالإضافة إلى سبب الفيلم نفسه، تتأثر أيضًا قوة مجال انهيار الفيلم بحافة القطب الكهربائي أثناء الاختبار. نظرًا لأنه كلما كان الفيلم أكثر سماكة، كلما كان المجال الكهربائي غير متساوٍ عند حافة القطب، وبالتالي مع زيادة سماكة الفيلم، تنخفض قوة مجال الانهيار تدريجيًا.

بالإضافة إلى العوامل المذكورة أعلاه، تعتمد قوة مجال الانهيار للفيلم العازل أيضًا على بنية الفيلم. بالنسبة للفيلم الكهرضغطي، تعتمد شدة مجال الانهيار أيضًا على اتجاه المجال الكهربائي، أي أنه أيضًا متباين الخواص في شدة مجال الانهيار. نظرًا لوجود حدود الحبوب في الفيلم متعدد البلورات، فإن قوة مجال الانهيار أقل من قوة الفيلم غير المتبلور؛ ولأسباب مماثلة، تكون شدة مجال الانهيار للفيلم الكهرضغطي الموجه بشكل تفضيلي في اتجاه الاتجاه أعلى من تلك الموجودة في الاتجاه العمودي. وتكون شدة مجال الانهيار أقل.

مثل الأفلام العازلة الأخرى، تعتمد قوة مجال الانهيار للفيلم الكهرضغطي أيضًا على بعض العوامل الخارجية، مثل شكل موجة الجهد والتردد ودرجة الحرارة والأقطاب الكهربائية. نظرًا لأن شدة مجال الانهيار للفيلم الكهرضغطي مرتبطة بالعديد من العوامل، بالنسبة للفيلم نفسه، غالبًا ما تكون قيم شدة مجال الانهيار الواردة في الأدبيات ذات الصلة غير متسقة، بل وتختلف بشكل كبير. على سبيل المثال، قوة مجال الانهيار لفيلم ZnO هي 0.01 ~ 0.4MV/cm، فيلم AlN هو 0.5 ~ 6.0MV/cm.

5. أداء الموجات الصوتية السائبة

أهم المعلمات المميزة لمحولات الطاقة الكهرضغطية ذات الموجة الصوتية السائبة هي تردد الرنين f0 والمقاومة الصوتية Za ومعامل الاقتران الكهروميكانيكي K، وبالتالي فإن سرعة الصوت υ ومعامل درجة الحرارة للفيلم الكهرضغطي والمقاومة الصوتية ومعامل الاقتران الكهروميكانيكي صارمة بشكل خاص. لا تعتمد خصائص الفيلم هذه فقط على المرونة والخصائص العازلة والكهرضغطية والحرارية للحبيبات البلورية في الفيلم، ولكنها ترتبط أيضًا ارتباطًا وثيقًا ببنية الفيلم الكهرضغطي مثل درجة انضغاط الحبوب ودرجة الاتجاه المفضل. في الفيلم الكهرضغطي، نظرًا للعيوب والإجهاد في الحبوب البلورية، فهي ليست بلورة بيزو واحدة جيدة، وبالتالي فإن الثابت الفيزيائي للفيلم يختلف قليلاً عن القيمة البلورية.

نظرًا لأن هيكل الفيلم الكهرضغطي يرتبط ارتباطًا وثيقًا بعملية التحضير، حتى بالنسبة لنفس الفيلم الكهرضغطي، فإن قيم الأداء الواردة في الأدبيات المختلفة غالبًا ما تكون غير متسقة. من بين جميع الأفلام الكهرضغطية غير العضوية وغير الحديدية، يتمتع فيلم AlN بثبات مرن كبير، ولكنه ذو كثافة منخفضة وأعلى سرعة صوت. ولذلك، فإن الفيلم هو الأكثر ملاءمة لأجهزة UHF والميكروويف.

6. أداء الموجات الصوتية السطحية

عندما تنتشر الموجة الصوتية السطحية في الوسط الكهرضغطي، فإن سعة إزاحة الجسيمات تضعف بسرعة مع زيادة المسافة من سطح الوسط، وبالتالي فإن طاقة الموجة الصوتية السطحية تتركز بشكل أساسي في الطولين الموجيين التاليين على السطح.

يمكن التعبير عن أداء الموجة الصوتية السطحية للمواد الرقيقة بالصيغة الوظيفية التالية: أداء الموجة الصوتية السطحية = F (المادة الخام، الركيزة، بنية الفيلم، وضع الموجة، اتجاه الانتشار، شكل القطب المتداخل، منتج رقم موجة السمك)

لذلك، لا يمكن تمثيل أي معلمة أداء موجة صوتية سطحية للفيلم الكهرضغطي بقيمة واحدة. خاصية الموجات الصوتية الأخرى للأفلام الكهرضغطية هي فقدان الإرسال. نظرًا لأن الأفلام الكهرضغطية تُستخدم غالبًا كوسائط نقل صوتية في أجهزة الموجات السطحية، فإن مصدر فقدان الإرسال هو بشكل أساسي تشتت الموجات الصوتية في الفيلم الكهرضغطي والركيزة.