المبدأ وتصنيف المواد لمحول الطاقة الخزفي الكهرضغطي بالموجات فوق الصوتية

مبدأ التأثير الكهرضغطي للوحة السيراميك الكهرضغطية بالموجات فوق الصوتية هو أنه إذا تم تطبيق الضغط على مادة كهرضغطية، فسوف يولد فرق جهد (يسمى التأثير الكهرضغطي الإيجابي)، وإذا تم تطبيق الجهد، فإنه سيولد إجهادًا ميكانيكيًا (يسمى التأثير الكهرضغطي العكسي حلقة عناصر بيزوسيراميك ). إذا كان الضغط عبارة عن اهتزاز عالي التردد، فسيتم توليد تيار عالي التردد. عندما يتم تطبيق إشارة كهربائية عالية التردد على السيراميك الكهرضغطي، يتم إنشاء إشارة صوتية عالية التردد (اهتزاز ميكانيكي)، وهو ما نسميه عادة إشارة الموجات فوق الصوتية. وبعبارة أخرى، فإن السيراميك الكهرضغطي لديه وظيفة التحويل والتحويل العكسي بين الطاقة الميكانيكية والطاقة الكهربائية. هذه العلاقة المتبادلة مثيرة للاهتمام للغاية.

وهي مقسمة إلى بلورات سيراميك كهرضغطية و عناصر بيزوسيراميك بالموجات فوق الصوتية . تشير البلورات الكهرضغطية عادة إلى بلورات مفردة كهرضغطية، ويشير السيراميك الكهرضغطي عادة إلى البلورات المتعددة الكهرضغطية. السيراميك الكهرضغطي هو نوع من البلورات المتعددة التي يتم تشكيلها عن طريق خلط وقولبة وتلبيد المواد الخام ذات درجة الحرارة العالية مع المكونات الضرورية، بالإضافة إلى الجسيمات الدقيقة غير المنتظمة التي يتم الحصول عليها عن طريق تفاعل الطور الصلب والتلبيد بين الجسيمات. تسمى الألواح الخزفية الانضغاطية ذات الخصائص الكهرضغطية بالسيراميك الكهرضغطي، وهي في الواقع سيراميك كهرضغطية. تحتوي حبيبات هذا الخزف الخزفي على مجالات كهروضوئية. تتكون المجالات الكهروضوئية من 180 مجالًا ذات اتجاهات استقطاب عفوية غير متوازية و90 مجالًا ذات اتجاهات استقطاب عفوية متعامدة. في حالة الاستقطاب الاصطناعي (تطبيق المجال الكهربائي المعزز للتيار المستمر)، تتم محاذاة هذه المجالات بشكل مثالي في اتجاه المجال الكهربائي الخارجي، ويتم الحفاظ على قوة الاستقطاب المتبقية بعد إزالة المجال الكهربائي الخارجي، لذلك تتمتع بخصائص كهرضغطية عيانية. على سبيل المثال، تيتانات الباريوم Bt، تيتانات زركونات الرصاص PZT، تيتانات زركونات الرصاص المعدلة، ميتانيوبات الرصاص، نيوبات الرصاص الليثيوم باريوم pbln، تيتانات الرصاص المعدلة pt، وما شابه. لقد ساهم التطوير الناجح لمادة PZT في تحسين وتعزيز أداء الأجهزة الكهرضغطية المختلفة من محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية الصوتية وأجهزة الاستشعار الكهرضغطية.

إن التأثير الكهرضغطي للصفائح الخزفية الكهرضغطية بالموجات فوق الصوتية يعني أن بنية بعض المواد البلورية الانضغاطية المفردة لها خصائص غير متماثلة. عندما تتعرض مواد PZT هذه للضغط والانفعال المطبق، فإن التغييرات (التشوه) في بنية الشبكة الداخلية ستدمر أصالة الحياد الكهربائي. تولد الحالة العيانية مجالًا كهربائيًا مستقطبًا (الاستقطاب)، ويتناسب المجال الكهربائي المولد (كثافة الاستقطاب) مع حجم الإجهاد. تسمى هذه الظاهرة بالتأثير الكهرضغطي الإيجابي، والذي اكتشفه الأخوان كوري في عام 1880. وفي وقت لاحق، في عام 1881، تم اكتشاف أن هذه المادة البلورية المفردة لها أيضًا تأثير كهرضغطية عكسي. عندما تتعرض مادة ذات تأثير كهرضغطية إيجابي إلى مجال كهربائي خارجي، سيتم توليد الإجهاد والانفعال، ويتناسب الانفعال مع حجم المجال الكهربائي الخارجي. التأثير الكهرضغطي هو سمة من سمات البنية البلورية، والتي ترتبط بعدم تناسق البنية البلورية، ويرتبط حجم وطبيعة التأثير الكهرضغطي باتجاه الضغط المطبق أو المجال الكهربائي بالنسبة لمحور البلورة. هناك مجموعة متنوعة من PZT واحد مواد كريستال سيراميك بيزو عالية الطاقة ذات تأثيرات كهرضغطية، مثل بلورات الكوارتز الطبيعية (SiO 2) والمواد البلورية الاصطناعية الفردية، مثل كبريتات الليثيوم (Li2SO4)، نيوبات الليثيوم (LiNbO3)، وما شابه.