Важныя вобласці прымянення п'езаэлектрычнай керамікі

                           Важныя вобласці прымянення п'езаэлектрычнай керамікі

П'езаэлектрычная кераміка шырока выкарыстоўваецца дзякуючы сваёй п'езаэлектрычнасці і разнастайнасці электрамеханічных уласцівасцей, выкліканых п'езаэлектрычнасцю. З-за шырокай разнастайнасці п'езаэлектрычных керамічных прылад і іх шырокага спектру прымянення іх цяжка строга класіфікаваць простым метадам. Агульныя вобласці прымянення можна падзяліць на дзве катэгорыі: п'езаэлектрычныя вібратары і п'езаэлектрычныя пераўтваральнікі.

1. Пераўтваральнік

Прымяненне п'езаэлектрычнага эфекту разнастайнае, і адным з найбольш важных з'яўляецца выкарыстанне яго характарыстык s пераўтваральнікаў  . Характарыстыка - пераўтварэння энергіі гэта  ;  ўздзеянне электрычнасці на п'езаэлектрычную кераміку. Электрычная энергія можа быць ператворана ў механічную праз эфект зваротнага напружання Электрычны эфект ператварае механічную энергію ў электрычную. Людзі выкарыстоўваюць гэтую фізічную ўласцівасць п'езаэлектрычнай керамікі для вытворчасці розных відаў п'езаэлектрычных прылад, якія шырока выкарыстоўваюцца ў падводнай сувязі, ультрагуку, высакавольтным запальванні і іншых галінах.

1, п'езаэлектрычны керамічны запальвальнік

Гэта прылада, якая пераўтворыць механічную сілу ў электрычныя іскры для запальвання гаручых рэчываў. Гэта электрамеханічны пераўтваральнік. У 1958 годзе ён стаў піянерам у выкарыстанні п'езаэлектрычнага эфекту керамікі з тытаната барыю (BaTiO3) для запальвання. Хуткасць узгарання гэтага п'езаэлемент п'езастрыжань не высокі, і шум вялікі. У 1962 г. п'езаэлектрычная кераміка з тытанату свінцу цырканату (PZT) была выкарыстана для вырабу запальнікаў. Гэты выгляд запальніка шырока выкарыстоўваецца ў паўсядзённым жыцці, прамысловай вытворчасці і ваеннай справе, і выкарыстоўваецца для запальвання і дэтанацыі газаў, розных выбуховых рэчываў і ракет.

(1) Асноўны прынцып: працоўны працэс запальвальніка падзелены на тры этапы: выпрацоўка высокага напружання, запальванне ад разраду і запальванне гаручага газу. Генерацыя высокага напружання - возьмем у якасці прыкладу цыліндрычныя п'езаэлектрычныя керамічныя элементы, калі механічная сіла F дзейнічае на цыліндр, крышталь будзе скажоны, у выніку чаго цэнтр станоўчых і адмоўных зарадаў у крышталі зрушыцца, так што на верхняй і ніжняй паверхнях цыліндра назапашваецца вялікая колькасць свабодных зарадаў, гэта стварае высокае напружанне. Выхадная напруга: V=ga3Fh/A, дзе A——плошча папярочнага сячэння цыліндра; h——вышыня цыліндра; ga3——канстанта п'езаэлектрычнага напружання. Запальванне разраду - пастаўце п'езаэлектрычны керамічны элемент у замкнёную ланцуг і пакіньце належны зазор. Калі напружанне падымаецца да напружання разраду зазору, у прамежку будзе генеравацца разрадная іскра. Запальванне гаручага газу - звычайны паліўны газ няпроста спаліць, таму ў асноўным выкарыстоўваецца этан, які лёгка газіфікуецца. Для таго, каб падоўжыць час разраду і прадухіліць занадта хуткае згасанне іскры, каб павялічыць хуткасць запальвання. Адпаведны рэзістар можна злучыць паслядоўна на разрадным канцы.

 

(2) Структура і прынцып працы запальвальніка , існуе мноства відаў запальвальнікаў, і бытавы п'езаэлектрычны запальвальнік узяты ў якасці прыкладу, каб праілюстраваць яго структуру і прынцып працы. Яго можна замацаваць на бытавой пліце, каб запаліць газ, павярнуць кулачковы пераключальнік, выкарыстоўваць  выступаючую частку кулачка, каб штурхнуць ударны блок, і сціснуць спружыну за ўдарным блокам. Калі выступаючая частка кулачка адрываецца ад ударнага блока, з-за сілы пругкасці спружыны ўдарны блок дае п'езакерамічнаму  п'езаэлектрычнаму элементу .ўдарную сілу, якая генеруе высокае напружанне на абодвух канцах п'езаэлектрычнага элемента і выдае высокае напружанне ад сярэдняга электрода для генерацыі электрычнай іскры для ўзгарання газу.

 

2. Падводны акустычны пераўтваральнік

Падводны акустычны пераўтваральнік - гэта прылада пераўтваральніка, якая выкарыстоўваецца для падводнай сувязі і выяўлення. Людзі ведаюць, што паветраная сувязь і выяўленне ў асноўным абапіраюцца на электрамагнітныя хвалі, такія як радыёсувязь і радыёлакацыйнае абсталяванне і г.д., усё залежыць ад электрамагнітных хваль для перадачы інфармацыі ў паветры. Немагчыма выкарыстоўваць электрамагнітныя хвалі для падводнай сувязі і выяўлення. Гэта таму, што электрамагнітныя хвалі маюць вялікія страты пры распаўсюджванні ў вадзе, і яны будуць паглынуты тымі, хто не далёка падарожнічае. Аднак страты пры распаўсюджванні гукавых хваль у вадзе вельмі малыя, таму падводная сувязь і выяўленне ў асноўным выкарыстоўваюць Гукавыя хвалі выкарыстоўваюцца для перадачы інфармацыі, а прыборы, якія генеруюць і выяўляюць гукавыя хвалі, называюцца гідралакатнымі сістэмамі. Гідроакустычныя сістэмы з'яўляюцца незаменнымі інструментамі для падводнай навігацыі, сувязі, выяўлення падводных лодак і зграй рыб, а таксама марскіх даследаванняў. Людзі параўноўваюць гідралакатар у вадзе з радарам у паветры, а вочы і вушы гідралакатара з'яўляюцца падводнымі акустычнымі пераўтваральнікамі. Даследаванні падводных акустычных пераўтваральнікаў пачаліся ў Першую сусветную вайну. Француз Ланжэвен упершыню выкарыстаў крышталі кварца для вырабу падводных акустычных пераўтваральнікаў на аснове п'езаэлектрычнага эфекту. Хоць падводны акустычны пераўтваральнік, створаны Ланг Жыванам, быў абмежаваны тагачаснымі тэхнічнымі ўмовамі і фактычна не выкарыстоўваўся на глыбакаводных падводных лодках, ён унёс істотны ўклад у развіццё падводнай акустычнай навукі ў будучыні. Датчык Ланжэвена выкарыстоўвае эфект адваротнага напружання крышталя кварца для выпраменьвання гукавых хваль у ваду, п'езакерамічная трубка прымае гукавыя хвалі, якія вяртаюцца з вады праз станоўчы эфект напружання, і выконвае некаторыя падводныя вымярэнні ў адпаведнасці з часам зваротна-паступальнага руху пульсавых гукавых хваль.

Людзі правялі глыбокія і сістэматычныя даследаванні п'езаэлектрычныя падводныя акустычныя пераўтваральнікі , каб зрабіць іх практычнымі. Аднак асноўнымі п'езаэлектрычнымі матэрыяламі, якія выкарыстоўваліся ў той час, былі водарастваральныя п'езаэлектрычныя крышталі - соль Роша і дыяксіфасфат калію. У канцы 1950-х гадоў з'явілася п'езаэлектрычная кераміка. Выраб падводных акустычных пераўтваральнікаў з п'езаэлектрычнай керамікі амаль стаў асноўным п'езаэлектрычным матэрыялам, які выбіраюць людзі. Паколькі ён мае шмат характарыстык, якіх п'езаэлектрычныя крышталі не мелі ў мінулым, ён стаў самым ідэальным п'езаэлектрычным матэрыялам для вырабу падводных акустычных пераўтваральнікаў, і няма іншага матэрыялу, які мог бы параўнацца з ім. Асноўныя перавагі п'езаэлектрычных керамічных падводных акустычных пераўтваральнікаў:

(1) Няма неабходнасці ў напрузе зрушэння пастаяннага току і шпульцы, сістэма вібрацыі простая;

(2) П'езаэлектрычны керамічны пераўтваральнік мае невялікія памеры і выдатныя характарыстыкі;

(3) П'езаэлектрычныя керамічныя пераўтваральнікі могуць быць зроблены ў любой форме ў адпаведнасці з патрабаваннямі.

П'езаэлектрычныя пераўтваральнікі з'яўляюцца найбольш шырока выкарыстоўваным тыпам пераўтваральнікаў у галіне падводнай акустычнай тэхнікі. Паказчыкі прадукцыйнасці падводных акустычных пераўтваральнікаў павінны мець толькі рабочую частату, электрамеханічны каэфіцыент сувязі, электрамеханічны каэфіцыент пераўтварэння, каэфіцыент якасці, частотныя характарыстыкі, характарыстыкі імпедансу, характарыстыкі накіраванасці, амплітудныя характарыстыкі, адчувальнасць перадачы, адчувальнасць прыёму, магутнасць перадатчыка, уласцівасці стабільнасці тэмпературы і часу, механічную трываласць і вагу і г.д. Аднак для практычнага пераўтваральніка неабавязкова выстаўляць так шмат патрабаванняў да паказчыкаў незалежна ад выпадку, але вылучаць розныя і рэпрэзентатыўныя патрабаванні да індэкса ў залежнасці ад яго выкарыстання і выпадкаў прымянення.

Па-другое, п'езаэлектрычны вібратар

Пасля з'яўлення П'езаэлектрычная кераміка PZT , можна вырабляць керамічныя фільтры. Керамічныя фільтры з рознымі частотамі можна вырабіць з дапамогай розных рэжымаў ваганняў п'езаэлектрычных вібратараў. Самым раннім рэжымам вібрацыі з'яўляецца радыяльная вібрацыя або контурная вібрацыя, што робіць фільтр 455 кГц. Пазней частата керамічных фільтраў павялічылася да абодвух канцоў, прычым высокі ўзровень дасягаў 10 МГц, а нізкі - ніжэй за 1 кГц. З-за прымянення рэжыму энергетычнай пасткі частата керамічнага фільтра дасягае 100 МГц, фільтр павярхоўнай акустычнай хвалі, узбуджанай межпальцевым пераўтваральнікам, дасягнуў вышэй за 1 ГГц, а самая высокая частата фільтра павярхоўнай акустычнай хвалі з выкарыстаннем у якасці падкладкі п'езаэлектрычнай керамікі дасягала да 630 МГц.

П'езаэлектрычны трансфарматар таксама з'яўляецца вібратарам з пункту гледжання яго прымянення, і яго асноўная структура складаецца ў тым, каб усталяваць два наборы электродаў на п'езаэлектрычным керамічным корпусе, каб утварыць чатыры клемы. Даданне электрычнага сігналу да першаснага боку прымушае яго рэзанаваць, а другасны бок мае выхад. Такім чынам, ён працуе як трансфарматар у момант рэзанансу. Раней пачаліся даследаванні п'езаэлектрычных трансфарматараў. Магутнасць і кіруючае напружанне п'езаэлектрычных трансфарматараў з маналітнай керамікі павялічыць няпроста. Шматслаёвы п'езаэлектрычны трансфарматар вырабляецца з той жа шматслаёвай кампазітнай тэхналогіяй, што і тэхналогія вытворчасці маналітнага кандэнсатара, і яго магутнасць і кіруючае напружанне значна палепшаны, што яшчэ больш пашырае дыяпазон прымянення п'езаэлектрычнага трансфарматара.

 

1. П'езаэлектрычны трансфарматар

П'езаэлектрычныя трансфарматары распрацоўваліся з 1950-х гадоў. У той час у якасці асноўнага матэрыялу выкарыстоўваўся тытанат барыю. Каэфіцыент наддуву нізкі (усяго 50~60 разоў). Выходная напруга складае каля 3000В. З з'яўленнем п'езаэлектрычных керамічных матэрыялаў з тытаната свінцу цырконату каэфіцыент павышэння павялічваецца да 300~500 разоў, і ён паступова папулярызуецца і выкарыстоўваецца ў тэлевізарах, электрастатычных капіравальных машынах і генератарах адмоўных іёнаў у якасці высакавольтных крыніц харчавання.

(1) Асноўныя прынцыпы. Энергія электрычнай вібрацыі, якая паступае ў п'езаэлектрычную кераміку, пераўтворыцца ў энергію механічнай вібрацыі праз зваротны п'езаэлектрычны эфект, а затым пераўтворыцца ў электрычную энергію праз станоўчы п'езаэлектрычны эфект. Пераўтварэнне імпедансу (ад нізкага імпедансу да высокага) ажыццяўляецца падчас гэтых двух пераўтварэнняў энергіі, так што высокі п'езаэлектрычны выхад можа быць атрыманы на рэзананснай частаце керамічнага ліста. Зараз возьмем у якасці прыкладу гарызантальны і вертыкальны трансфарматары з расцяжнай вібрацыяй, каб праілюстраваць прынцып трансфарматараў.

 

Увесь керамічны чып падзелены на дзве часткі, левая частка з'яўляецца уваходным канцом (таксама вядомай як прывадная частка), на верхняй і ніжняй баках ёсць абпаленыя сярэбраныя электроды, палярызаваныя па напрамку таўшчыні, правая частка - гэта выхадны канец (таксама вядомы як частка выпрацоўкі электраэнергіі), а правая частка - гэта канец выхаду (таксама вядомы як частка выпрацоўкі электраэнергіі). На паверхні ёсць абпаленыя сярэбраныя электроды. Палярызаваны па даўжыні. Калі пераменнае напружанне падаецца на ўваходны канец, з-за эфекту зваротнага напружання, керамічны кавалак будзе вырабляць расцягваючыя вібрацыі ўздоўж напрамку даўжыні, якія будуць пераўтвараць ўваходную электрычную энергію ў механічную; у той час як частка вытворчасці электраэнергіі будзе пераўтвараць механічную энергію ў электрычную праз станоўчы эфект напружання, а затым перадаваць яе з выхаднога канца выхаднога напружання. Пры адсутнасці нагрузкі каэфіцыент наддуву пры разрыве ланцуга Qm з'яўляецца механічным каэфіцыентам якасці матэрыялу; К31, К33 — каэфіцыенты падоўжнага і папярочнага электрамеханічнага счаплення матэрыялу; L - даўжыня энергетычнай часткі; t - таўшчыня трансфарматара. П'езаэлектрычныя трансфарматары ў асноўным выкарыстоўваюцца ў выпадку высокага напружання, малой магутнасці і пераўтварэння сінусоіднай хвалі і маюць унікальныя перавагі, такія як высокае выхадное напружанне, малы вага, невялікія памеры, адсутнасць уцечкі магнітнага поля і адсутнасць гарэння. Каб атрымаць некалькі выхадных напружанняў, у адпаведнасці з выхадным напружаннем гарызантальна-вертыкальнага трансфарматара прапарцыянальна даўжыні, чым бліжэй да канца генеруючай часткі электраэнергіі, тым вышэй напружанне, і электроды могуць быць зроблены ў розных пазіцыях генеруючай часткі электраэнергіі ў якасці галовак вала для атрымання розных выходных напружанняў.

 

(2) Асноўны прынцып працы і характарыстыкі маналітных (шматслойных) п'езаэлектрычных керамічных трансфарматараў. П'езаэлектрычная кераміка - далікатны матэрыял. Каб забяспечыць механічную трываласць, п'езаэлектрычны трансфарматар павінен мець пэўную таўшчыню, а кіруючае напружанне вышэйзгаданага трансфарматара даволі абмежавана. Па гэтай прычыне з'явіўся праект маналітнага (шматслаёвага) п'езаэлектрычнага керамічнага трансфарматара. Пасля прыняцця маналітнай (шматслаёвай) структуры таўшчыню і колькасць слаёў кожнага асобнага пласта можна рэгуляваць, а напружанне ўзбуджальніка больш не абмяжоўваецца, таму можна зрабіць так, каб напружанне электрычных трансфарматараў працавала ў найлепшым стане, незалежна ад таго, у якім напружанні яны знаходзяцца.

Асноўнымі тэхналогіямі гэтага праекта з'яўляюцца субмікронныя нізкатэмпературныя спяканні п'езаэлектрычныя керамічныя матэрыялы , тэхналогія сумеснага спальвання ўнутраных электродаў, тэхналогія палярызацыйнай апрацоўкі і структурны дызайн. Маналітныя (шматслойныя) п'езаэлектрычныя керамічныя трансфарматары (МПТ) - трэцяе пакаленне электронных трансфарматараў з наступнымі характарыстыкамі.

① Ультратонкі: таўшчыня звычайна не перавышае 4 мм.

②Высокая эфектыўнасць пераўтварэння: больш за 97% пры поўнай нагрузцы (рэзістыўная нагрузка).

③ Ён мае функцыю самаабароны аўтаматычнага адключэння нагрузкі ад кароткага замыкання.

④Рэзанансны трансфарматар: ён можа рэалізаваць пераўтварэнне нулявога напружання і нулявога току.

⑤ Ён мае квазіпастаянныя выходныя характарыстыкі току для нагрузак з нізкім імпедансам.

⑥ Няма зваротнага пікавага напружання, надзейная абарона ланцуга ўзмацняльніка магутнасці.

⑦ Няма электрамагнітных перашкод.

⑧Няма паломкі шпулькі, паломкі цвілі.

⑨Устойлівасць да распылення солі, добрая ўстойлівасць да надвор'я, асабліва падыходзіць для выкарыстання ў марскім клімаце.

 

2. П'езаэлектрычны керамічны гуказдымальнік і дынамік

П'езаэлектрычныя керамічныя пераўтваральнікі шырока выкарыстоўваюцца ў электраакустычным абсталяванні, такім як п'езаэлектрычныя керамічныя гуказдымальнікі і дынамікі.

(1) Вібратар з падвойнай дыяфрагмай (малюнак 6-16). Электраакустычнае абсталяванне патрабуе нізкага механічнага супраціўлення і можа адпавядаць крыніцы гуку або крыніцы вібрацыі, і п'езаэлектрычны вібратар з падвойнай дыяфрагмай можа адпавядаць гэтым патрабаванням. Ён зроблены з двух п'езаэлектрычных керамічных лістоў, якія расцягваюцца ў даўжыню. Калі адзін кавалак расцягваецца, другі кавалак скарачаецца, і ўвесь згінаецца.

 

Гэта дае прынцып працы вібратара з падвойнай дыяфрагмай. Калі кавалак п'езаэлектрычнай керамікі пэўнай таўшчыні згінаецца пад дзеяннем сілы, адзін бок яго таўшчыні падаўжаецца, а другі сціскаецца. У гэты час ўнутры керамічнага кавалка будуць утварацца зарады. , але паколькі кірунак палярызацыі ўсёй дыяфрагмы аднолькавы, верхні бок выцягнуты, а ніжні бок сціснуты, што прыводзіць да таго, што электрычны дыпольны момант супрацьлеглы, а верхні і ніжні бакі маюць аднолькавы знак зарада, таму розніцы патэнцыялаў няма, як паказана на малюнку 6-16 (a). Калі замест гэтага выкарыстоўваецца структура з падвойнай дыяфрагмай з двума накладзенымі адзін на аднаго лістамі, выхад напругі можа быць атрыманы, калі сіла выгінаецца. На малюнку 6-16(b) выкарыстоўваюцца дзве паслядоўна злучаныя дыяфрагмы з процілеглымі напрамкамі палярызацыі. Пры прыкладанні сілы верхні расцягваецца, а ніжні сціскаецца. Паколькі напрамкі палярызацыі процілеглыя, верхні і ніжні бакі падвойнай дыяфрагмы зараджаюцца з супрацьлеглымі знакамі, і можа быць атрымана выхадное напружанне. Малюнак 6-16(c) утвараецца шляхам паралельнага злучэння дзвюх дыяфрагм з аднолькавым напрамкам палярызацыі, і таксама можна атрымаць выхадное напружанне.

 

(2) Структура п'езаэлектрычнага керамічнага дынаміка і прынцып працы: п'езаэлектрычны керамічны дынамік - гэта простае і лёгкае электраакустычнае прылада з высокай адчувальнасцю, без пераліву магнітнага поля, без неабходнасці выкарыстання медных правадоў і магнітаў, нізкі кошт, нізкае энергаспажыванне, лёгкі рамонт, лёгкае масавае вытворчасць і г.д.

Яго сістэма прывада - гэта п'езаэлектрычная керамічная падвойная дыяфрагма, сістэма вібрацыі - папяровы конус, а злучальны элемент эфектыўна перадае энергію сістэмы прывада сістэме вібрацыі. Падчас працы электрычная энергія, дададзеная да п'езаэлектрычнай керамічнай падвойнай дыяфрагмы, пераўтворыцца ў механічную энергію, якая перадаецца на папяровы конус праз злучальны элемент, каб прымусіць яго вібраваць і гучаць. П'езаэлектрычная падвойная дыяфрагма мае адносна высокі імпеданс, які ўяўляе сабой прывад напружання. Сувязь паміж сілай F і напругай V такая: F=KV, а K — прапарцыянальны каэфіцыент. Калі механічны імпеданс вібрацыі, уключаючы супраціў выпраменьвання, роўны Z, хуткасць вібрацыі: v=F/Z, можна атрымаць гукавы ціск P у цэнтры r высокай дыяфрагмы. |P|=10fρS/r |v| дзе: f—частата; ρ—сярэдняя шчыльнасць; S—эфектыўная плошча цела пазванка. Акрамя таго, іншыя электраакустычныя пераўтваральнікі энергіі могуць быць зроблены ў адпаведнасці з п'езаэлектрычным эфектам п'езаэлектрычнай керамікі, такія як перадатчыкі, прыёмнікі, зуммеры і г.д.