Працэс п'езаэлектрычнага керамічнага фізічнага механізму

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 п'езакрышталі падвяргаюцца дэфармацыі пад уздзеяннем механічнай сілы, што прыводзіць да адноснага зрушэння зараджаных часціц,П'езакерамічны дыск з матэрыялу PZT прыводзіць да станоўчых і адмоўных звязаных зарадаў на паверхні п'езакрышталя. Гэта з'ява называецца п'езаэлектрычным эфектам. Гэта ўласцівасць крышталя называецца п'езаэлектрычнасцю. П'езаэлектрычнасць 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 быць пераарыентаваны з-за напружанасці знешняга поля): адзін - гэта астатняя соль і некаторая колькасць блізкароднасных тартратаў; адзін - дигидрофосфат калія і яго эквівалент. Першы валодае п'езаэлектрычнасцю пры нармальнай тэмпературы і мае тэхнічнае прымяненне, але мае той недахоп, што лёгка раствараецца; апошняя мае п'езаэлектрычнасць пры нізкай тэмпературы (менш за -14 C), а тэхнічнае выкарыстанне невялікае. Было ўстаноўлена, што тытанат барыю (BaTiO) мае анамальна высокую дыэлектрычную пранікальнасць паміж 1942 і 1945 гадамі. Неўзабаве было ўстаноўлена, што ён з'яўляецца п'езаэлектрычным, і адкрыццё п'езаэлектрычнай керамікі BaTi O стала квантавым скачком у п'езаэлектрычных матэрыялах. Раней існаваў толькі п'езаэлектрычны монакрышталічны 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 выкарыстала яго на два гады пазней, чым ЗША. Недахопам BaTiO з'яўляецца тое, што п'езаэлектрычнасць слабейшая, чым соль у стане спакою, а п'езаэлектрычнасць большая, чым у п'езакрышталя 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 у эпоху 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'езакерамічнага п'езаэлектрычнасці

П'езаэлектрычная кераміка - гэта полікрышталі, п'езаэлектрычнасць якіх можна растлумачыць п'езаэлектрычнасцю крышталь п'езаэлектрычных дыскаў . 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.

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 іённага зрушэння — 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. Калі прымяняецца электрычнае поле, кірунак электрычнага поля выраўноўваецца і з'яўляецца макраскапічны электрычны дыпольны момант.
Для анізатропных крышталяў — сувязь паміж палярызацыяй і электрычным полем

2. П'езаэлектрычны эфект

(1) Станоўчы п'езаэлектрычны эфект
, калі керамічны пераўтваральнік пеізаэлектрычных дыскаў дэфармуецца знешняй сілай, цэнтры станоўчага і адмоўнага зарадаў адносна ссоўваюцца, а супрацьлеглыя зарады генеруюцца на некаторых адпаведных гранях, і адбываецца інтэнсіўнасць палярызацыі. Гэта з'ява адсутнасці электрычнага поля і палярызацыі шляхам дэфармацыі называецца станоўчым п'езаэлектрычным эфектам.

Для анізатропных крышталяў напружанне прыкладваецца да п'езакрышталя, і крышталь будзе дэманстраваць 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 быў упершыню выяўлены на пьезокристаллях. Цяпер мы выкарыстоўваем крышталі матэрыялу PZT у якасці мадэлі для ілюстрацыі фізічнага механізму п'езаэлектрычнага эфекту.

Калі ціск не аказваецца, цэнтры станоўчага і адмоўнага зарадаў п'езакрышталя размяркоўваюцца. У гэты час станоўчы і адмоўны цэнтры зарадаў супадаюць, і агульны электрычны момант п'езакрышталя роўны нулю, а паверхня крышталя не зараджаная (не п'езаэлектрычная).

Калі датчык ціску прыкладваецца ў напрамку х, крышталь матэрыялу дэфармуецца, а цэнтры станоўчага і адмоўнага зарадаў раздзяляюцца, гэта значыць электрычны дыполь змяняецца, так што назапашванне зарада адбываецца ў плоскасці Х.
Калі ціск аказваецца ў напрамку восі Y, тут паказана размеркаванне цэнтраў станоўчага і адмоўнага зарадаў крышталя, калі агульны электрычны дыпольны момант змяняецца і выклікае назапашванне зарада ў плоскасці X, процілеглай пярэдняй частцы. Відавочна, што замена папярэдняй сілы сціску сілай расцяжэння сведчыць аб тым, што знак зарада зменены. Карацей кажучы, калі датчык ціску прыкладваецца да п'езаэлектрычнага крышталя, можа ўзнікнуць п'езаэлектрычны эфект.