Прымяненне п'езаэлектрычнага керамічнага пераўтваральніка

П'езаэлектрычная кераміка атрымала шырокае прымяненне дзякуючы сваёй п'езаэлектрычнасці і, як вынік, разнастайнасці электрамеханічных уласцівасцей. Гэтыя прымянення ў цэлым можна падзяліць на дзве шырокія катэгорыі, а менавіта п'езаэлектрычныя вібратары. Пры выкарыстанні ў якасці п'езаэлектрычнага вібратара п'езаэлектрычны керамічны матэрыял павінен мець добрую тэмпературную стабільнасць частоты і высокі механічны каэфіцыент якасці Q (Q паказвае ступень унутранага спажывання энергіі матэрыялам падчас пераўтварэння вібрацыі); яго неабходна выкарыстоўваць у якасці пераўтваральніка. Высокі механічны каэфіцыент сувязі K (механічнае пераўтварэнне ў электрычную энергію / ўваходную механічную энергію, электрычную энергію ў механічную энергію / ўваходную электрычную энергію) і вялікую адносную дыэлектрычную пранікальнасць, прымяненне п'езаэлектрычнай керамікі прыведзена ніжэй.

I. Агляд
П'езаэлектрычная кераміка - гэта полікрышталічная плёнка з п'езаэлектрычным эфектам, і працэс яе вытворчасці названы ў гонар аналагічнага працэсу вытворчасці (распыленне сыравіны, фармаванне, высокатэмпературнае спяканне). Некаторыя анізатропныя крышталі падвяргаюцца дэфармацыі пад уздзеяннем механічнай сілы, што прыводзіць да адноснага зрушэння зараджаных часціц, у выніку чаго на паверхні крышталя з'яўляюцца дадатныя і адмоўныя звязаныя зарады. Гэта з'ява называецца п'езаэлектрычным эфектам. Гэта ўласцівасць крышталя называецца п'езаэлектрычнасцю. П'езаэлектрычная кераміка была адкрыта ў 1880 г. Ж. Кюры і братамі П. Кюры. Праз некалькі месяцаў яны эксперыментальна пацвердзілі зваротны п'езаэлектрычны эфект, гэта значыць, калі на п'езакрыстал падаецца напружанне, п'езакрышталь будзе падвяргацца геаметрычнай дэфармацыі. Да 1940 г. былі вядомыя толькі два тыпы сегнетоэлектрыкаў (не толькі спантанна палярызаваныя ў пэўным дыяпазоне тэмператур, але і спантанная палярызацыя крышталяў, якія могуць пераарыентавацца з-за напружанасці знешняга поля): адзін — дыгідрафасфат калію і яго эквівалент. Першы валодае п'езаэлектрычнасцю пры нармальнай тэмпературы і мае тэхнічную каштоўнасць выкарыстання, але мае той недахоп, што лёгка раствараецца; апошняя мае п'езаэлектрычную кераміку пры нізкай тэмпературы (менш за -14 C), і тэхнічнае выкарыстанне невялікае. Выяўлена, што тытанат барыю (BaTiO) мае анамальна высокую дыэлектрычную пранікальнасць. Неўзабаве было ўстаноўлена, што ён п'езаэлектрычны, і адкрыццё п'езаэлектрычнай керамікі BaTi O стала якасным скачком для п'езаэлектрычных матэрыялаў. Раней існаваў толькі п'езаэлектрычны крышталічны матэрыял, а пасля з'явіўся і шырока выкарыстоўваўся п'езаэлектрычны полікрышталічны матэрыял, п'езаэлектрычная кераміка. У 1947 годзе ў ЗША выраблялі гуказдымальнікі для фанографаў з керамікі BaTiO. Японія выкарыстоўвала яго два гады. Матэрыял BaTiO мае той недахоп, што п'езаэлектрычнасць слабейшая, чым соль у стане спакою, а п'езаэлектрычнасць большая, чым у крышталя кварца з тэмпературай. У 1954 г. Б. Джафэ і іншыя адкрылі п'езаэлектрычную сістэму цвёрдых раствораў PbZrO-PbTiO (PZT), што з'яўляецца эпахальнай падзеяй, якая зрабіла немагчымым выраб прылад на BaTiO. З тых часоў была распрацавана празрыстая п'езаэлектрычная кераміка PZT, каб пашырыць прымяненне п'езаэлектрычнай керамікі ў галіне оптыкі. Да гэтага часу прымяненне п'езаэлектрычнай керамікі - ад развіцця сусвету да жыцця сям'і - надзвычай шырокае. Даследаванні п'езаэлектрычнай керамікі ў Кітаі пачаліся ў канцы 1950-х гадоў, прыкладна на 10 гадоў пазней, чым у замежных краінах. У цяперашні час ёсць даволі моцныя сілы ў пробнай вытворчасці і прамысловай вытворчасці п'езаэлектрычнай керамікі. Многія матэрыялы дасягнулі або блізкія да міжнароднага ўзроўню.

Фізічны механізм п'езаэлектрычнасці п'езакерамікі
П'езакераміка - гэта полікрышталі, п'езаэлектрычнасць якіх Датчык п'езадыска можна растлумачыць п'езаэлектрычнасцю п'езакрышталя. Пад дзеяннем механічнай сілы агульны электрычны дыпольны момант (палярызацыя) змяняецца, у выніку чаго ўзнікае п'езаэлектрычная з'ява. П'езаэлектрычнасць цесна звязана з палярызацыяй, дэфармацыяй і да т.п.

Мікраскапічны механізм палярызацыі

Стан палярызацыі - гэта стан, пры якім электрычнае поле аказвае сілу адноснага зрушэння на зараджаную кропку дыэлектрыка і часовы баланс узаемнага прыцягнення паміж зарадамі. Ёсць тры асноўных механізму палярызацыі.

(1) Палярызацыя электроннага зрушэння — атам або іон дыэлектрыка не супадае з цэнтрам адмоўнага зарада дадатна зараджанага ядра і электрона абалонкі пад дзеяннем сілы электрычнага поля.

(2) Палярызацыя зрушэння іёнаў — станоўчыя і адмоўныя іёны дыэлектрыка адносна ссоўваюцца пад дзеяннем сілы электрычнага поля, у выніку чаго ствараецца электрычны дыпольны момант.

(3) Арыентацыйная палярызацыя — палярныя малекулы, якія складаюць дыэлектрык, маюць пэўны ўласны (уласны) электрычны момант. З-за цеплавога руху арыентацыя неўпарадкавана, агульны электрычны момант роўны нулю. Пры прыкладанні электрычнага поля ўзнікае электрычны дыпольны момант. Напрамак электрычнага поля выраўноўваецца і з'яўляецца макраскапічны электрычны дыпольны момант. Для анізатропных крышталяў палярызацыя звязана з наяўнасцю электрычнага поля.

2. П'езаэлектрычны эфект

(1) Станоўчы п'езаэлектрычны эфект
Калі п'езаэлектрычны крышталь дэфармуецца знешняй сілай, цэнтры станоўчага і адмоўнага зарадаў адносна ссоўваюцца, і на некаторых адпаведных гранях утвараюцца супрацьлеглыя зарады, і ўзнікае інтэнсіўнасць палярызацыі. Гэта з'ява адсутнасці электрычнага поля і палярызацыі шляхам дэфармацыі называецца станоўчым п'езаэлектрычным эфектам.

Для анізатропных крышталяў напружанне прыкладваецца да крышталя; (адпаведная дэфармацыя), крышталь будзе мець прапарцыйную палярызацыю ў трох кірунках X, Y і Z, якія называюцца пастаяннай п'езаэлектрычнага напружання і пастаяннай п'езаэлектрычнай дэфармацыі адпаведна.

(2) Зваротны п'езаэлектрычны эфект
Калі да крышталя прыкладваецца электрычнае поле, узнікае не толькі палярызацыя, але і дэфармацыя, і гэтая з'ява дэфармацыі пад дзеяннем электрычнага поля называецца зваротным п'езаэлектрычным эфектам. Гэта адбываецца таму, што калі крышталь падвяргаецца ўздзеянню электрычнага поля, напружанне (п'езаэлектрычнае напружанне) ствараецца ўнутры крышталя, а п'езаэлектрычнае напружанне ствараецца напружаннем.

3. Механізм уздзеяння ціску
П'езаэлектрычны эфект упершыню быў выяўлены на п'езакрышталях. Цяпер мы выкарыстоўваем п'езакрышталі ў якасці мадэлі для ілюстрацыі фізічнага механізму п'езаэлектрычнага эфекту.
Калі ціск не аказваецца, цэнтры дадатнага і адмоўнага зарадаў крышталя размяркоўваюцца. У гэты час станоўчы і адмоўны цэнтры зарадаў супадаюць, і поўны электрычны момант крышталя роўны нулю, а паверхня крышталя не зараджаная (не п'езаэлектрычная).

Прымяненне п'езаэлектрычнай керамікі

П'езаэлектрычны керамічны запальвальнік
Гэта прылада, якая пераўтворыць механічную сілу ў электрычную іскру для распальвання гарэння, і з'яўляецца электрамеханічным пераўтваральнікам. У 1958 годзе для запальвання быў выкарыстаны п'езаэлектрычны эфект керамікі з тытанату барыю (BaTiO). Аднак матэрыял PZT мае нізкую хуткасць узгарання і высокі ўзровень шуму. У 1962 г. былі праведзены выпрабаванні п'езаэлектрычнай керамікі з тытаната свінцу з цырканата свінцу (PZT) для вырабу запальнікаў. Запальвальнікі шырока выкарыстоўваюцца ў паўсядзённым жыцці, прамысловай вытворчасці і ваенных мэтах для распальвання газу і розных тыпаў выбуховых рэчываў і ракет.

(1) Асноўныя прынцыпы

Генерацыя высокага напружання——На прыкладзе цыліндрычнага п'езаэлектрычнага керамічнага кампанента, калі механічная сіла F дзейнічае на цыліндр, п'езакрышталь скажаецца, у выніку чаго цэнтр станоўчых і адмоўных зарадаў у крышталі ссоўваецца, так што вялікая колькасць зарада назапашваецца на верхняй і ніжняй паверхнях цыліндра і 

(2) выхад высокага напружання.

(3) структура запальвальніка і прынцып працы

2. П'езаэлектрычны трансфарматар
З 1950-х гадоў былі распрацаваны п'езаэлектрычныя трансфарматары. У той час у якасці асноўнага матэрыялу выкарыстоўваўся тытанат барыю. Буст адносна нізкі (усяго 50-60 разоў). Выходная напруга складае каля 3000 вольт. З з'яўленнем п'езаэлектрычных керамічных матэрыялаў з цырканата тытаната свінцу каэфіцыент павышэння быў павялічаны да 300-500 разоў, і ён паступова стаў прымяняцца да тэлевізараў, электрастатычных капіравальных машын і генератараў адмоўных іёнаў у якасці высакавольтных крыніц харчавання.

(1) Асноўныя прынцыпы
Электрычная вібрацыйная энергія, якая паступае ў п'езаэлектрычны керамічны ліст, пераўтворыцца ў механічную энергію вібрацыі з дапамогай адваротнага п'езаэлектрычнага эфекту, а затым пераўтворыцца ў электрычную энергію з дапамогай станоўчага п'езаэлектрычнага эфекту. Пераўтварэнне імпедансу (з нізкага імпедансу ў высокае) дасягаецца ў гэтых двух пераўтварэннях энергіі для дасягнення высокага выхаднога напружання на рэзананснай частаце п'езакерамічнага чыпа. Прынцып пераўтварэння тлумачыцца на прыкладзе гарызантальнага і вертыкальнага трансфарматара расцяжных ваганняў.

Увесь п'езакерамічны кавалак падзелены на дзве часткі, левая частка з'яўляецца ўваходным канцом (таксама званая кіруючай часткай), верхні і ніжні бакі маюць інфільтраваны сярэбраны электрод, які палярызаваны ў напрамку таўшчыні, а правая частка з'яўляецца выхадным канцом (таксама званая энергагенеравальнай часткай), і правы канец. На паверхні ёсць сярэбраны электрод, які інфільтраваны. Палярызаваныя па даўжыні. Калі на ўваходную клему падаецца пераменнае напружанне, з-за адваротнага п'езаэлектрычнага эфекту п'езакерамічны ліст стварае расцягваючыя вібрацыі ўздоўж напрамку даўжыні, якія пераўтвараюць ўваходную электрычную энергію ў механічную; і энергагенератарная частка пераўтворыць механічную энергію ў электрычную праз станоўчы п'езаэлектрычны эфект. Дзе механічны каэфіцыент якасці матэрыялу; - каэфіцыенты падоўжнага і папярочнага электрамеханічнага счаплення матэрыялу; даўжыня L - энергетычнай часткі; Т - таўшчыня трансфарматара.

(2) Прымяненне п'езаэлектрычнага трансфарматара
П'езаэлектрычныя трансфарматары ў асноўным выкарыстоўваюцца ў выпадку высокага напружання, малой магутнасці і пераўтварэння сінусоіднай хвалі і маюць унікальныя перавагі высокага выхаднога напружання, лёгкай вагі, малога аб'ёму, адсутнасці ўцечкі магнітнага поля, адсутнасці гарэння. Каб атрымаць некалькі выхадных напружанняў, у адпаведнасці з выхадным напружаннем гарызантальна-вертыкальнага трансфарматара прапарцыйнай даўжыні, чым бліжэй да канца генеруючай часткі электраэнергіі, тым вышэй напружанне, мы можам зрабіць электроды ў выглядзе адводаў у розных месцах генеруючай часткі электраэнергіі, такім чынам, атрымліваючы розныя выхады напружання. .

4. П'езаэлектрычныя керамічныя гуказдымальнікі і дынамікі

(1) Вібратар з падвойнай дыяфрагмай

Прыведзены прынцып працы вібратара з падвойнай дыяфрагмай. Калі п'езаэлектрычная кераміка пэўнай таўшчыні згінаецца пад уздзеяннем сілы, яна падаўжаецца з аднаго боку таўшчыні і сціскаецца з другога боку, і ўнутры п'езакерамічнага ліста генеруецца зарад. Аднак, паколькі ўся дыяфрагма мае аднолькавы кірунак палярызацыі, верхні бок выцягнуты, а ніжні бок сціснуты, так што электрычны дыпольны момант супрацьлеглы, а сімвалы зарада верхняга і ніжняга бакоў аднолькавыя, таму няма ніякай розніцы патэнцыялаў, напрыклад, пераключэння на структуру з дзвюма перакрываючыміся падвойнымі дыяфрагмамі, калі яна падвяргаецца сілавым выгібам, можна атрымаць выходную напругу. Дзве часткі дыяфрагмы з процілеглымі напрамкамі палярызацыі злучаныя паслядоўна, і пры прыкладанні сілы верхняя частка падаўжаецца, а ніжняя частка сціскаецца. Паколькі напрамкі палярызацыі процілеглыя, верхні і ніжні бакі падвойнай дыяфрагмы зараджаны процілегла знакам, і можна атрымаць выхад напругі. Дзве дыяфрагмы з аднолькавым напрамкам палярызацыі злучаны паралельна для фарміравання выхаднога напружання.

(2) Структура і прынцып працы п'езаэлектрычнага керамічнага гуказдымальніка

(3) Структура п'езаэлектрычнага керамічнага дынаміка і прынцып працы
П'езаэлектрычны керамічны дынамік - гэта простая і лёгкая электраакустычная прылада, якая мае такія перавагі, як высокая адчувальнасць, адсутнасць рассейвання магнітнага поля, адсутнасць меднага дроту і магніта, нізкі кошт, нізкае энергаспажыванне, зручны рамонт і масавая вытворчасць.

Сістэма кіравання - гэта a П'езаэлектрычныя элементы з матэрыялу PZT, падвойная дыяфрагма, вібрацыйная сістэма ўяўляе сабой папяровы конус, а злучальны кампанент эфектыўна перадае энергію прываднай сістэмы сістэме вібрацыі. Падчас працы электрычная энергія, якая падаецца на п'езаэлектрычную керамічную двайную дыяфрагму, пераўтворыцца ў механічную энергію, якая перадаецца на папяровы конус праз злучальны элемент для вібрацыі і гуку. П'езаэлектрычная падвойная дыяфрагма мае больш высокі супраціў і ўяўляе сабой прывад напружання. Сувязь паміж сілай F і напружаннем V роўная F=KV, K — прапарцыянальны каэфіцыент, механічны супраціў вібрацыі, уключаючы супраціў выпраменьвання, роўны Z, а хуткасць вібрацыі —
V=F/Z.
Можна атрымаць гукавы ціск P у цэнтры r плёнкі з высокай вібрацыяй.

Акрамя таго, іншыя электраакустычныя пераўтваральнікі энергіі, такія як перадатчык, прыёмнік, гукавы сігнал і г.д., могуць быць зроблены ў адпаведнасці з п'езаэлектрычным эфектам п'езаэлектрычнай керамікі.

(4) П'езаэлектрычныя керамічныя вентылятары і рэле
П'езаэлектрычны керамічны вентылятар можа быць ператвораны ў невялікі п'езаэлектрычны керамічны вентылятар, які мае такія перавагі, як невялікі аб'ём, адсутнасць выдзялення цяпла, шуму, нізкае энергаспажыванне і працяглы тэрмін службы. Гэта п'езаэлектрычны керамічны дэфарматар для выгібу, які складаецца з двух п'езаэлектрычных керамічных лістоў, заціснутых металічнай фальгой, і п'езакерамічны ліст стварае тэлескапічны рух пад дзеяннем знешняга электрычнага поля. Калі да двух п'езакерамічных лістоў прыкласці зваротнае напружанне, другі бок сціскаецца, каб расцягнуць, і металічны ліст згінаецца і дэфармуецца. Калі падаць пераменнае напружанне, металічны ліст будзе перыядычна вібраваць.