مبدأ التأثير الكهروضغطي وتطبيقاته على السيراميك الانضغاطي

عندما تتشوه بعض العوازل بفعل قوة خارجية في اتجاه معين، يحدث الاستقطاب بداخلها، وتظهر شحنات متعاكسة موجبة وسالبة على السطحين المتقابلين لها. عند إزالة القوة الخارجية، ستعود إلى الحالة غير المشحونة. وتسمى هذه الظاهرة التأثير الكهروإجهادي الإيجابي. عندما يتغير اتجاه القوة، تتغير قطبية الشحنة. على العكس من ذلك، عندما يتم تطبيق مجال كهربائي في اتجاه استقطاب العازل الكهربائي، تتشوه هذه العوازل أيضًا، ويختفي تشوه العازل الكهربائي بعد إزالة المجال الكهربائي. وتسمى هذه الظاهرة بالتأثير الكهروضغطي العكسي، أو الانقباض الكهربائي. السيراميك الكهرضغطي هو في الواقع سيراميك كهرضغطي مستقطب ذو تأثير كهرضغطي. إنها مادة جديدة للمعلومات. السيراميك الكهرضغطي هو نوع واحد من السيراميك الوظيفي.

أولاً مبدأ التأثير الكهرضغطي:
   مبدأ التأثير الكهرضغطي السيراميك الانضغاطي pzt هو أنه إذا تم تطبيق ضغط على المادة الكهرضغطية، فإنه يولد فرقًا محتملاً (يشار إليه بالتأثير الكهرضغطي الإيجابي)، والعكس بالعكس، يتم إنشاء إجهاد ميكانيكي (يسمى التأثير الكهرضغطي العكسي). إذا كان الضغط عبارة عن اهتزازات عالية 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. وهذا يعني أن السيراميك الكهروإجهادي له وظيفة التحويل والتحويل العكسي بين الطاقة الميكانيكية والطاقة الكهربائية، وهذه العلاقة المتبادلة مثيرة للاهتمام بالفعل. يمكن للمواد الكهرضغطية توليد مجالات كهربائية بسبب التشوه الميكانيكي، أو التشوه الميكانيكي بسبب المجال الكهربائي. إن تأثير الاقتران الميكانيكي الكهربائي المتأصل يجعل المواد الكهرضغطية تستخدم على نطاق واسع في الهندسة. على سبيل المثال، تم استخدام المواد الكهرضغطية لصنع هياكل ذكية. بالإضافة إلى قدرات الدعم الذاتي، تتمتع هذه الهياكل بوظائف مثل التشخيص الذاتي، والتكيف الذاتي، والشفاء الذاتي، وتلعب دورًا مهمًا في تصميم الطائرات المستقبلية.

2. المواد الكهرضغطية
التأثير الكهرضغطي للمواد الكهرضغطية مستشعر القرص الانضغاطي يرجع إلى الترتيب الخاص للذرات في الشبكة البلورية، مما يجعل المادة لها تأثير اقتران مجال الضغط والمجال الكهربائي. اعتمادًا على نوع المادة، يمكن تصنيف المواد الكهرضغطية إلى بلورات مفردة كهرضغطية، وبلورات متعددة كهرضغطية (سيراميك كهرضغطية)، وبوليمرات كهرضغطية، ومواد مركبة كهرضغطية. وفقًا لشكل المادة المحدد، يمكن تقسيمها إلى نوعين: مادة كهرضغطية وفيلم كهرضغطية.

3.
البلورات المفردة الكهرضغطية هي في الغالب ترانزستورات حديدية. يوجد أيضًا الكوارتز وكبريتيد الكادميوم وأكسيد الزنك ونيتريد الألومنيوم وبلورات أخرى. تشتمل هذه البلورات الكهروضوئية على ترانزستور أكسجين يحتوي على ثماني وجوه أكسجين، مثل بلورة تيتانات الباريوم، ونيوبات الليثيوم التي لها بنية نيوبات الليثيوم، وروتينات البزموت، وبلورة روثينات السترونتيوم التي لها بنية برونزية تنغستن. يحتوي الترانزستور الكهروضوئي على رابطة هيدروجينية، مثل فوسفات ثنائي هيدروجين البوتاسيوم، وفوسفات ثنائي هيدروجين الأمونيوم، وبلورات فوسفات هيدروجين الرصاص (وفوسفات السترونتيوم الرصاص). بلورة تيتانات الباريوم أو ما شابه ذلك لها تركيب متعدد الطبقات. في الوقت الحاضر، ترانزستور الكوارتز غير متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف الأكثر استخدامًا على نطاق واسع، ونيوبات الليثيوم ترانزستور الضغط النموذجي من الحديد والبزموت روثينات.

4. البوليمر الكهرضغطي
في وقت مبكر من عام 1940، اكتشف الاتحاد السوفييتي أن الخشب كان عبارة عن سيراميك كهرضغطية. وقد تم العثور على الكهرباء الضغطية في أنسجة مثل الرامي، وخيزران الحرير، وعظام الحيوانات، والجلد، والأوعية الدموية. في عام 1960، تم اكتشاف الطاقة الانضغاطية للبوليمرات الاصطناعية. في عام 1969، وجد أن فلوريد البولي فينيلدين بعد الترسيب الكهربائي لديه كهرضغطية قوية. تشمل المواد التي لها خصائص كهرضغطية قوية PVDF وبوليمراته المشتركة، وفلوريد البولي فينيل، وكلوريد البولي فينيل، وبولي-جا-ميثيل-L-غلوتامات، والنايلون-11.

5. المواد المركبة الكهرضغطية
المواد المركبة الكهرضغطية هي مواد كهرضغطية مركبة من مادتين أو أكثر. المركبات الكهرضغطية الشائعة هي مركبات ثنائية الطور من السيراميك الكهرضغطي والبوليمرات مثل إيبوكسي فلوريد البولي فينيلدين التفاعلي. تجمع هذه المادة المركبة بين قوة السيراميك والبوليمرات الكهرضغطية، وتتمتع بمرونة وخصائص معالجة ممتازة، كما أنها ذات كثافة منخفضة ومن السهل مطابقة المعاوقة الصوتية مع الهواء والماء والأنسجة البيولوجية. بالإضافة إلى ذلك، تحتوي المركبات الكهرضغطية أيضًا على ثابت كهرضغطية مرتفع. تتمتع المركبات الكهرضغطية بمجموعة واسعة من التطبيقات في مجالات الطب والاستشعار والقياس.

تطبيقات التأثير الكهروضغطي للسيراميك الانضغاطي

1. خصائص التصنيع
يتميز السيراميك الكهرضغطي بمعالجة استقطاب السيراميك الكهرضغطي تحت مجال كهربائي بتيار مباشر ليكون له تأثير كهرضغطي. بشكل عام، المجال الكهربائي للاستقطاب هو من 3 إلى 5 كيلو فولت/مم، ودرجة الحرارة من 100 إلى 150 درجة مئوية، والوقت من 5 إلى 20 دقيقة. هذه الثلاثة هي العوامل الرئيسية التي تؤثر على تأثير الاستقطاب. السيراميك الكهرضغطي ذو الأداء الأفضل، مثل سيراميك تيتانات زركونات الرصاص، لديه معامل اقتران كهروميكانيكي يصل إلى 0.313 إلى 0.694.

يستخدم السيراميك الكهرضغطي بشكل أساسي في تصنيع محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية، ومحولات الطاقة الصوتية المائية، ومحولات الطاقة الكهربائية الصوتية، والمرشحات الخزفية، والمحولات الخزفية، ومميزات السيراميك، ومولدات الجهد العالي، وكاشفات الأشعة تحت الحمراء، والأجهزة السطحية الصوتية، والأجهزة الكهربائية الضوئية، والمشعل والجيروسكوب الكهرضغطي.

2. خصائص السيراميك
يتميز السيراميك الكهرضغطي بخصائص حساسة ويمكنه تحويل الاهتزازات الميكانيكية الضعيفة للغاية إلى إشارات كهربائية، والتي يمكن استخدامها في أنظمة السونار، والكشف عن الطقس، والقياس عن بعد، وحماية البيئة، والأجهزة المنزلية، وما إلى ذلك. الزلازل هي كوارث مدمرة، ويبدأ مصدر الزلزال في أعماق القشرة الأرضية. كان من الصعب التنبؤ من قبل، وكان البشر في موقف محرج. إن حساسية السيراميك الكهروضغطي للقوة الخارجية تجعل من الممكن استشعار اضطراب الهواء من خلال رفرفة الحشرات الطائرة لمسافة تزيد عن عشرة أمتار. ويمكن استخدامه لصنع جهاز قياس الزلازل الكهرضغطية، والذي يمكنه قياس شدة الزلزال بدقة والإشارة إلى اتجاه الزلزال ومسافته. لا يمكن أن يكون هذا إنجازًا عظيمًا للسيراميك الكهرضغطي. ينتج السيراميك الكهرضغطي كمية صغيرة من التشوه تحت تأثير المجال الكهربائي، تصل إلى جزء من المليون من حجمه. لا تقلل من أهمية هذا التغيير البسيط، فإن آلية التحكم الدقيقة القائمة على هذا المبدأ - المحرك الكهرضغطي، للأجهزة الدقيقة والتحكم الميكانيكي، والإلكترونيات الدقيقة، والهندسة الحيوية وغيرها من المجالات هي نعمة عظيمة. تعد أجهزة التحكم في التردد مثل الرنانات والمرشحات من الأجهزة الرئيسية التي تحدد أداء أجهزة الاتصال. يتمتع السيراميك الكهرضغطي بمزايا واضحة في هذا الصدد. يتميز باستقرار تردد جيد، ودقة عالية، ونطاق تردد واسع، وصغير الحجم، وغير استرطابي، وطويل العمر. خاصة في معدات الاتصال متعددة القنوات، يمكنها تحسين القدرة المضادة للتداخل، بحيث لا يمكن الرجوع إلى المعدات الكهرومغناطيسية السابقة.

3. التطبيقات:
السيراميك الكهرضغطي عبارة عن مواد إلكترونية وظيفية جديدة ذات ذكاء عالي. مع البحث المستمر وتحسين المواد والعمليات، أصبح تطبيق السيراميك الكهرضغطي أكثر اتساعًا. كآلة، والكهرباء، والصوت، والضوء، والمواد الحساسة للحرارة، والمواد الكهرضغطية لقد تم استخدام محول الطاقة القرصي الخزفي الضغطي على نطاق واسع في أجهزة الاستشعار ومحولات الطاقة والاختبارات غير المدمرة وتقنيات الاتصالات. تتشكل البلورات المتعددة عن طريق تفاعل الطور الصلب في بلدان مختلفة حول العالم. والاسم العام للسيراميك الكهرضغطي ذو التأثير الكهرضغطي عن طريق معالجة الاستقطاب عالي الجهد DC هو نوع من البحث والتطوير الذي يمكن أن يعلق أهمية كبيرة على الطاقة الميكانيكية للمواد الخزفية الكهرضغطية. مع تطور التكنولوجيا العالية، سيصبح تطبيق السيراميك الكهرضغطي أكثر اتساعًا. بالإضافة إلى استخدامها في مجالات التكنولوجيا المتقدمة، فهي تتعلق أكثر بخدمة الناس في الحياة اليومية وخلق حياة أفضل للناس.

خمسة تطبيقات شائعة للسيراميك الكهرضغطي في حياتنا اليومية:
1: تطبيق التأثير الكهرضغطي الإيجابي والسلبي
2: طنان السيراميك الكهرضغطي | المتحدث
3: لاقط السيراميك الكهرضغطي
4: محول كهرضغطية
5: مشعل السيراميك الكهرضغطي
يمكن القول أنه على الرغم من أن السيراميك الكهرضغطي مادة جديدة، إلا أنه مدني تمامًا. يتم استخدامه في التكنولوجيا الفائقة، ولكنه أكثر في الحياة لخلق حياة أفضل للناس.