Аналіз характарыстык п'езаэлектрычнай керамікі

 п'езаэлектрычны эфект і дыэлектрычны эфект п'езаэлектрычнай керамікі

 

П'езаэлектрычны эфект заключаецца ў тым, што калі некаторыя дыэлектрыкі дэфармуюцца знешняй сілай у пэўным кірунку, унутры адбываецца палярызацыя, і на дзвюх супрацьлеглых паверхнях з'яўляюцца станоўчыя і адмоўныя супрацьлеглыя зарады. Пры зняцці знешняй сілы ён вернецца ў незараджаны стан. Гэта з'ява называецца станоўчым п'езаэлектрычным эфектам. Пры змене напрамку сілы змяняецца і палярнасць зарада. Наадварот, калі электрычнае поле прыкладзена ў кірунку палярызацыі дыэлектрыка, гэтыя дыэлектрыкі таксама дэфармуюцца, і дэфармацыя дыэлектрыка знікае пасля зняцця электрычнага поля. Гэта з'ява называецца зваротным п'езаэлектрычным эфектам або электрастрыкцыяй. Адзін тып датчыка, распрацаваны на аснове дыэлектрычнага п'езаэлектрычнага эфекту, называецца датчыкам з п'езаэлектрычнымі крышталямі.

 

 

Любое асяроддзе ў электрычным полі выкліча дэфармацыю асяроддзя з-за эфекту індукаванай палярызацыі, і гэтая дэфармацыя адрозніваецца ад дэфармацыі, выкліканай зваротным п'езаэлектрычным эфектам. Дыэлектрык можа пругка дэфармавацца пад уздзеяннем знешняй сілы, п'езаэлектрычны керамічны датчык дэтанацыі можа дэфармавацца пад уздзеяннем палярызацыі знешняга электрычнага поля. Дэфармацыя з-за індукаванай палярызацыі прапарцыйная квадрату знешняга электрычнага поля, што з'яўляецца электрастрыкцыйным эфектам. Дэфармацыя, якую ён стварае, не залежыць ад напрамку вонкавага электрычнага поля. Дэфармацыя, выкліканая зваротным п'езаэлектрычным эфектам, прапарцыйная знешняму электрычнаму полю, і калі электрычнае поле змяняецца на адваротнае, дэфармацыя таксама змяняецца (напрыклад, зыходнае падаўжэнне можа быць скарочана, або зыходнае ўкарачэнне можа быць зменена на падаўжэнне). Акрамя таго, электрастрыкцыйны эфект прысутнічае ва ўсіх дыэлектрыках, незалежна ад таго, п'езаэлектрычныя або п'езаэлектрычныя маюць толькі электрастрыкцыйныя эфекты дыэлектрычных крышталяў рознай структуры. Зваротны п'езаэлектрычны эфект сустракаецца толькі ў крышталях п'езаэлектрычнай керамікі.

 

П'езакерамічны крышталь з матэрыялаў PZT, які стварае п'езаэлектрычны эфект, называецца п'езаэлектрычным крышталем. Адным з тыпаў п'езаэлектрычных крышталяў з'яўляюцца монакрышталі, такія як кварц (SiO2), тартрат калію (таксама вядомы як соль Лозера, NaKC4H4O6.H2O), рутэнат вісмута (Bi12GeO20). Іншы тып п'езаэлектрычнага крышталя называецца п'езаэлектрычнай керамікай, такой як тытанат барыю (BaTiO3), тытанат цырканата свінцу Pb(ZrxTirx)O3, тытанат цырканата свінцу, вісмута, магнію, выраблены ў Японіі, дададзены ў PZT, марганец вісмута, выраблены ў Кітаі. Тытанат цырканату свінцу Pb(Mn1/2Sb2/3)O3 быў дададзены ў PIT.

 

Дыэлектрык — ізалятар, які паддаецца электрадэзіі. Прымяненне дыэлектрыкаў даволі шырокае. Дыэлектрычная праводнасць п'езаэлектрычнага керамічнага элемента вельмі нізкая ў спалучэнні з добрымі ўласцівасцямі дыэлектрычнай трываласці, якія можна выкарыстоўваць для вырабу электрычных ізалятараў. Акрамя таго, дыэлектрык можа быць высока асаджаны і з'яўляецца выдатным кандэнсатарным матэрыялам. Вывучэнне дыэлектрычных уласцівасцей прадугледжвае захоўванне і рассейванне электрычнай і магнітнай энергіі ў матэрыяле. Гэта даследаванне надзвычай важна для тлумачэння розных з'яў электронікі, оптыкі і фізікі цвёрдага цела. Дыэлектрычныя ўласцівасці адносяцца да ўласцівасцей назапашвання і страты электрастатычнай энергіі пад дзеяннем электрычнага поля, якія звычайна выражаюцца праз дыэлектрычную пранікальнасць і дыэлектрычныя страты. Калі высокачашчынная тэхналогія прымяняецца да такіх матэрыялаў, як кампазітны падлогу з цвёрдай драўніны, дыэлектрычныя ўласцівасці вельмі важныя пры выкарыстанні высокачашчыннага гарачага прэсавання. Калі асяроддзе прыкладваецца з электрычным полем, утвараецца індукаваны зарад, які аслабляе электрычнае поле. Стаўленне зыходнага прыкладзенага электрычнага поля (у вакууме) да электрычнага поля ў канчатковым асяроддзі - гэта дыэлектрычная пранікальнасць, таксама вядомая як хуткасць індукаванага току.

 

У электрамагнетызме, калі электрычнае поле п'езаэлектрычных дыскаў-кнопак прыкладваецца да дыэлектрыка, утвараецца электрычны дыполь з-за адноснага зрушэння станоўчых і адмоўных зарадаў унутры дыэлектрыка. Гэта з'ява называецца электрычнай палярызацыяй. Прыкладзенае электрычнае поле можа быць знешнім электрычным полем або электрычным полем, якое ствараецца свабодным зарадам, убудаваным у дыэлектрык. Электрычны дыполь, які ствараецца палярызацыяй, называецца «індуктыўным электрычным дыполем», а яго электрычны дыпольны момант — індуктыўным электрычным дыпольным момантам. Пьезокерамика валодае здольнасцю фармаваць электрод пад дзеяннем электрычнага поля. Падзяляюцца на электраізаляцыю, кандэнсатары, п'езаэлектрычныя, піраэлектрычныя і сегнетаэлектрычныя керамікі ў залежнасці ад іх выкарыстання і прадукцыйнасці.

Палярызацыя п'езаэлектрычнага керамічнага дыэлектрыка

 

Крышталі п'езаэлектрычнай керамікі адначасова з'яўляюцца дыэлектрычнымі і анізатропнымі дыэлектрыкамі, таму дыэлектрычныя ўласцівасці п'езаэлектрычных крышталяў адрозніваюцца ад уласцівасцей ізатропных дыэлектрыкаў.

Дыэлектрык палярызуецца пад дзеяннем электрычнага поля, а стан палярызацыі - гэта стан, пры якім электрычнае поле аказвае сілу адноснага зрушэння на зарадную кропку дыэлектрыка і часовы баланс узаемнага прыцягнення паміж зарадамі. Электрычнае поле з'яўляецца знешняй прычынай палярызацыі. Унутраная прычына палярызацыі ляжыць унутры асяроддзя. З мікраскапічнымі працэсамі ўнутры асяроддзя існуе тры асноўных механізму палярызацыі.

 

(1) Атам або іон, які складае дыэлектрык. Пад дзеяннем электрычнага поля станоўча зараджанае ядро ​​не супадае з адмоўным цэнтрам электрона сваёй абалонкі, ствараючы тым самым электрычны дыпольны момант. Гэтая палярызацыя называецца палярызацыяй зрушэння электронаў.

(2) Станоўчыя і адмоўныя іёны, якія складаюць дыэлектрыкі, падвяргаюцца адноснаму зрушэнню пад дзеяннем электрычнага поля, у выніку чаго ўзнікае электрычны дыпольны момант, які называецца палярызацыяй іённага зрушэння.

(3) Малекулы, якія складаюць дыэлектрык, з'яўляюцца палярнымі малекуламі з пэўным уласным электрычным момантам, але з-за цеплавога руху арыентацыя неўпарадкавана, і агульны электрычны момант усяго дыэлектрыка роўны нулю. Калі дзейнічае знешняе электрычнае поле, гэтыя электрычныя дыпольныя моманты будуць выраўноўвацца ўздоўж вонкавага поля, ультрагукавы п'езаэлектрычны крышталь стварае ў дыэлектрыку макраскапічны электрычны дыпольны момант, які называецца арыентацыйнай палярызацыяй.

 

1. Палярызацыя зрушэння бясконцай малекулы

 

Калі безэлектродны дыэлектрык знаходзіцца ў вонкавым электрычным полі пад дзеяннем сілы электрычнага поля, цэнтры дадатнага і адмоўнага зарадаў малекулы будуць вырабляць адносныя зрушэнні з адукацыяй электрычнага дыполя, а іх эквівалентныя электрычныя дыпольныя моманты Р арыентаваны ўздоўж напрамку электрычнага поля. Для дыэлектрычнага п'езаэлектрыка ў цэлым, паколькі кожная малекула ў дыэлектрыку ўтварае электрычныя дыполі, яны размешчаны ў дыэлектрыку. Станоўчыя і адмоўныя зарады суседніх электрычных дыполяў у дыэлектрыку блізкія адзін да аднаго. Калі дыэлектрык аднастайны, ён застаецца электрычна нейтральным на ўсім працягу, але на паверхні дыэлектрыка, якая перпендыкулярна напружанасці знешняга электрычнага поля E0. Будуць адпаведна дадатныя і адмоўныя зарады, якія не могуць пакінуць дыэлектрык і не могуць свабодна перамяшчацца ў дыэлектрыку. Гэтая з'ява палярызаваных зарадаў у дыэлектрыку пад дзеяннем знешняга электрычнага поля называецца палярызацыяй дыэлектрыка. Чым мацней знешняе электрычнае поле, тым большае адноснае зрушэнне паміж цэнтрамі станоўчага і адмоўнага зарадаў кожнай малекулы, чым большы электрычны дыпольны момант малекулы, тым больш палярызаваныя зарады з'яўляюцца на абедзвюх паверхнях дыэлектрыка і тым больш палярызаваныя высокія. Калі знешняе электрычнае поле рэзананснай частоты п'езаэлектрычнага пераўтваральніка выдаляецца, цэнтры станоўчых і адмоўных зарадаў зноў супадаюць (P = 0), таму гэты тып малекул можна разглядаць як пругкі электрычны дыполь, сіла пругкасці якога звязана двума эквівалентнымі эквівалентнымі электрычнымі зарадамі. Велічыня электрычнага дыпольнага моманту Р прапарцыйная напружанасці поля. Паколькі палярызацыя бясконцай малекулы заключаецца ў адносным зрушэнні цэнтра дадатнага і адмоўнага зарадаў, яе часта называюць бітам.

 

Арыентаваная палярызацыя палярных малекул

 

Што тычыцца палярнага малекулярнага дыэлектрыка, то цэнтр станоўчых і адмоўных зарадаў у малекуле эквівалентны электрычнаму дыполю. Пад дзеяннем знешняга электрычнага поля ён будзе падвяргацца моманту, так што электрычны дыпольны момант Р малекулы будзе павернуты да напрамку электрычнага поля. З-за ўмяшання малекулярнага цеплавога руху гэтае кіраванне невялікае, і немагчыма выраўнаваць электрычныя дыпольныя моманты ўсіх малекул уздоўж напрамку электрычнага поля. Чым мацней знешняе электрычнае поле п'езаэлектрычнага п'езаэлектрычнага электрода з керамікі, тым больш акуратны парадак кіравання электрычным дыпольным момантам малекулы. На макраскапічным узроўні чым больш палярызаваныя зарады з'яўляюцца на абедзвюх паверхнях, перпендыкулярных дыэлектрыку і знешняга электрычнага поля, тым вышэй ступень палярызацыі. Калі знешняе электрычнае поле здымаецца, кірунак электрычнага дыпольнага моманту малекулы становіцца нерэгулярным з-за цеплавога руху малекул, і дыэлектрык застаецца нейтральным. Палярызацыя палярных малекул ляжыць у напрамку, у якім эквівалентны электрычны дыполь паварочваецца да вонкавага электрычнага поля, таму яна называецца арыентацыйнай палярызацыяй. Увогуле, у той час як малекулы палярызаваны адначасова, існуе таксама палярызацыя зрушэння. Хоць мікраскапічныя працэсы палярызацыі двух тыпаў дыэлектрыкаў, палярныя розныя, але макраскапічныя эфекты аднолькавыя. На дзвюх процілеглых паверхнях дыэлектрыка з'яўляюцца палярызаваныя зарады розных лікаў п'езаэлектрычных пласцінак, і вонкавае электрычнае поле ўзмацняецца. тым больш з'яўляюцца палярызаваныя зарады. Такім чынам, калі ніжэй макраскапічна апісваецца з'ява палярызацыі дыэлектрыка, няма неабходнасці дзяліць дыэлектрыкі на два тыпы для абмеркавання.

3. Сегнетоэлектрычнасць крышталяў п'езаэлектрычнай керамікі

 

Палярызацыя некаторых дыэлектрыкаў вельмі асаблівая. У пэўным дыяпазоне тэмператур іх дыэлектрычная пранікальнасць не з'яўляецца пастаяннай, а змяняецца ў залежнасці ад напружанасці поля, і пасля зняцця вонкавага электрычнага поля гэтыя дыэлектрыкі не нейтральныя. Маецца рэшткавая палярызацыя. Для таго, каб быць аналагічным таму факту, што ферамагнітныя матэрыялы могуць заставацца намагнічанымі, гэтую ўласцівасць п'езакерамічнага пераўтваральніка часта называюць сегнетоэлектрычнасцю. Сегнетаэлектрычны дыэлектрык называецца сегнетоэлектрыкам. Сярод іх найбольш прыкметнымі з'яўляюцца кераміка тытаната барыю (BaTiO3), монакрышталі тартрату натрыю калію (NaKC4H4O6⋅H2O) і да т.п. Сегнетоэлектрики будуць дэманстраваць гістарэзіс падчас працэсу электраасаджэння. Пятля гістэрэзісу паказвае, што палярызацыя паміж сегнетоэлектрычным целам і прыкладзеным электрычным полем з'яўляецца нелінейнай, і палярызацыя змяняецца на адваротнае, калі з'яўляецца зваротным знешняе электрычнае поле. Інверсія палярызацыі з'яўляецца вынікам інверсіі дамена, таму пятля гістэрэзісу паказвае на наяўнасць даменаў у сегнетоэлектрике. Так званыя дамены - гэта невялікія вобласці, у якіх напрамкі спантаннай палярызацыі ў сегнетоэлектрыках аднастайныя, і дамены. Мяжа паміж імі называецца даменнай сценкай. Сегнетоэлектрычныя крышталі п'езаэлектрычных керамічных вырабаў звычайна складаюцца з некалькіх даменаў, спантанная палярызацыя ў кожным дамене мае аднолькавы кірунак, а спантанная палярызацыя ў розных даменах моцная.

 

Для полікрышталічных сегнетоэлектрыкаў няма заканамернасці паміж узаемнымі арыентацыямі спантаннай палярызацыі ў розных даменах для ўсяго полікрышталя з-за поўнай адвольнасці арыентацыі крышталічных восяў паміж зернямі.

Сегнетоэлектрыкі звычайна не ўтвараюць адзінкавыя дамены спантанна, але шматдаменныя крышталі могуць быць монадаменнымі пад моцным знешнім электрычным полем. Пад дзеяннем моцнага знешняга электрычнага поля аб'ём дамена спантаннай палярызацыі ў шматдаменным крышталі, паралельным або блізкім да кірунку знешняга поля, будзе хутка пашырацца за кошт адукацыі новых ядраў дамена і руху сценак дамена, а аб'ём дамена ў іншых напрамках будзе хутка памяншацца. Малы знікае, што ператварае ўвесь крышталь у адзіную вобласць. Пад дзеяннем знешняга электрычнага поля дынамічны працэс руху ядра новага дамена і даменнай сценкі называецца працэсам развароту дамена. Гэты зварот мае некаторыя характарыстыкі гістарэзісу, таму сегнетоэлектрык дэманструе вышэйзгаданую пятлю гістарэзісу.

 

Разгляд асобнага п'езакрышталя прадугледжвае, што арыентацыя спантаннай палярызацыі мае толькі дзве магчымасці: яна дадатная і адмоўная ўздоўж пэўнай восі крышталя; кірунак знешняга электрычнага поля паралельны восі палярызацыі. Калі вонкавае электрычнае поле роўна нулю, палярызацыя суседніх даменаў у крышталі процілеглая, і поўны электрычны момант крышталя роўны нулю. Калі знешняе электрычнае поле паступова павялічваецца, аб'ём дамена спантаннай палярызацыі, процілеглага напрамку электрычнага поля, будзе паступова памяншацца з-за інверсіі дамена, і гэтыя дамены маюць той жа кірунак, што і электрычнае поле, будуць паступова пашырацца, так што крышталь знаходзіцца ў напрамку вонкавага поля. Інтэнсіўнасць расце з павелічэннем электрычнага поля. Калі электрычнае поле п'езаэлектрычнага дыскавага элемента ўзрастае настолькі, каб ператварыць усе зваротныя дамены ў крышталі ў знешняе поле, крышталь становіцца адзіным даменам, палярызацыя крышталя дасягае насычэння, а затым электрычнае поле павялічваецца. Палярызацыя будзе ўзрастаць лінейна з электрычным полем (гэтак жа, як палярызацыя тыповага дыэлектрыка) і дасягае максімальнага значэння Pmax, якое з'яўляецца функцыяй электрычнага поля самай высокай палярызацыі. Калі лінейная частка экстрапалюецца да нулявога электрычнага поля, выніковы адрэзак Ps на вертыкальнай восі называецца насычанай палярызацыяй, якая насамрэч з'яўляецца спантаннай палярызацыяй кожнага дамена. Калі электрычнае поле пачынае змяншацца ад C, палярызацыя будзе паступова змяншацца ўздоўж крывой CB. Калі электрычнае поле п'езаэлектрычнага керамічнага кампанента зніжаецца да нуля, палярызацыя памяншаецца да пэўнага значэння Pr, якое называецца рэшткавай палярызацыяй сегнетоэлектрика. Калі электрычнае поле змяняе кірунак і павялічваецца да Ec у адмоўным кірунку, палярызацыя памяншаецца да нуля, зваротнае электрычнае поле працягвае павялічвацца, а палярызацыя змяняецца. Ec называецца напружанасцю каэрцытыўнага поля сегнетоэлектрыка. Калі адваротнае электрычнае поле працягвае павялічвацца, палярызацыя працягвае павялічвацца ў адмоўным кірунку градыенту і дасягае значэння насычэння (-Pr) у адмоўным кірунку, і ультрагукавой п'езаэлектрычны пераўтваральнік становіцца аднадаменным крышталем, які мае адмоўную палярызацыю. Калі электрычнае поле бесперапынна змяняецца ад высокага адмоўнага значэння да высокага дадатнага значэння, станоўчы дамен пачынае фармавацца і расці зноў, пакуль увесь крышталь зноў не стане адзінкавым крышталем з прамой палярызацыяй. Падчас гэтага працэсу палярызацыя вяртаецца ў кропку C уздоўж FGH часткі зваротнай лініі. Такім чынам, пад дзеяннем вялікага пераменнага электрычнага поля, электрычнае поле змяняецца на адзін тыдзень, і вышэйапісаны працэс паўтараецца адзін раз, паказваючы пятлю гістарэзісу, паказаную. Плошча, акружаная зваротнай лініяй, - гэта энергія, неабходная для інвертавання палярызацыі ў два разы.