عملية الآلية الفيزيائية للسيراميك الكهرضغطية

السيراميك الكهرضغطي عبارة عن فيلم متعدد البلورات ذو تأثير كهروضغطي، وتم تسمية عملية إنتاجه على اسم عملية الإنتاج المماثلة (سحق المواد الخام، القولبة، تلبيد درجة الحرارة العالية). تخضع بعض البلورات الانضغاطية متباينة الخواص للتشوه تحت القوة الميكانيكية، مما يتسبب في إزاحة الجزيئات المشحونة نسبيًا،يؤدي قرص السيراميك الانضغاطي المصنوع من مادة PZT إلى شحنات موجبة وسالبة على سطح الكريستال الانضغاطي. وتسمى هذه الظاهرة تأثير كهرضغطية. تسمى هذه الخاصية للبلورة بالكهرباء الضغطية. تم اكتشاف الكهرباء الضغطية في عام 1880 من قبل الأخوين جي 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 يُعرف نوعان فقط من المواد الفيروكهربائية (ليس فقط الاستقطاب التلقائي في نطاق درجة حرارة معين، ولكن أيضًا الاستقطاب التلقائي للبلورات التي يمكن إعادة توجيهها بسبب قوة المجال الخارجي): أحدهما هو الملح المتبقي وبعض الطرطرات المرتبطة به بشكل وثيق؛ أحدهما 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 لديه 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 بين عامي 1942 و1945. وسرعان ما تبين أنه كهرضغطية، وكان اكتشاف السيراميك BaTi O الكهرضغطية قفزة نوعية في المواد الكهرضغطية. في السابق، لم يكن هناك سوى مادة بلورية أحادية 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 بعد عامين من الولايات المتحدة. لدى BaTiO عيب وهو أن الكهرباء الانضغاطية أضعف من ملح الراحة وأن الكهرباء الانضغاطية أكبر من بلورة الكوارتز الانضغاطية مع درجة الحرارة. في عام 1954، اكتشف بي. جافي وآخرون نظام الحل الصلب PbZrO-PbTiO (PZT) الكهروضغطي، وهو حدث تاريخي جعل من المستحيل تصنيع الأجهزة في عصر 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 للكهرباء الضغطية الخزفية

السيراميك الكهروضغطي عبارة عن بلورات متعددة يمكن تفسير كهرضغطية من خلال كهرضغطية أقراص كهرضغطية كريستالية . تحت تأثير القوة الميكانيكية، يتغير إجمالي عزم ثنائي القطب الكهربائي (الاستقطاب)، مما يؤدي إلى ظاهرة كهرضغطية. ترتبط الكهرباء الضغطية ارتباطًا وثيقًا بالاستقطاب والتشوه.

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. عند تطبيق مجال كهربائي، يتم محاذاة اتجاه المجال الكهربائي وتظهر عزم ثنائي القطب الكهربائي العياني.
بالنسبة للبلورات متباينة الخواص، العلاقة بين الاستقطاب والمجال الكهربائي

2. تأثير كهرضغطية

(1) تأثير كهرضغطية إيجابي
عندما يتشوه محول الطاقة الخزفي ذو الأقراص الكهرضغطية بواسطة قوة خارجية، ويتم 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 الانضغاطية، وستظهر البلورة استقطابًا متناسبًا في الاتجاهات الثلاثة X وY وZ، والتي تسمى ثابت الإجهاد الكهرضغطي وثابت الإجهاد الكهروضغطي، 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 بلورات مادة PZT كنموذج لتوضيح الآلية الفيزيائية للتأثير الكهرضغطي.

عندما لا يتم تطبيق أي ضغط، يتم توزيع مراكز الشحن الإيجابية والسلبية للبلورة الضغطية. في هذا الوقت، تتزامن مراكز الشحن الإيجابية والسلبية، وإجمالي اللحظة الكهربائية للبلورة الانضغاطية تساوي الصفر، ولا يتم شحن السطح البلوري (وليس كهرضغطية).

عندما يتم تطبيق مستشعر الضغط في الاتجاه x، تتشوه بلورة المادة، ويتم فصل مراكز الشحن الإيجابية والسلبية، أي يتغير ثنائي القطب الكهربائي، بحيث يحدث تراكم الشحنة على المستوى X.
عندما يتم تطبيق الضغط في اتجاه المحور Y، يظهر هنا توزيع مراكز الشحن الموجبة والسالبة للبلورة، عندما يتغير إجمالي عزم ثنائي القطب الكهربائي ويسبب تراكم الشحنة على المستوى X المقابل للأمام. ومن الواضح أن استبدال قوة الضغط السابقة بقوة شد يدل على عكس إشارة الشحنة. باختصار، عندما يتم تطبيق مستشعر الضغط على بلورة كهرضغطية، قد يحدث تأثير كهرضغطية.