Analýza piezoelektrických keramických charakteristik

 piezoelektrický jev a dielektrický jev piezoelektrické keramiky

 

Piezoelektrický efekt spočívá v tom, že když jsou některá dielektrika deformována vnější silou v určitém směru, dochází uvnitř k polarizaci a na jejich dvou protilehlých površích se objevují kladné a záporné opačné náboje. Po odstranění vnější síly se vrátí do nenabitého stavu. Tento jev se nazývá pozitivní piezoelektrický jev. Když se změní směr síly, změní se i polarita náboje. Naopak při působení elektrického pole ve směru polarizace dielektrika dochází také k deformaci těchto dielektrik a po odstranění elektrického pole deformace dielektrika zmizí. Tento jev se nazývá inverzní piezoelektrický jev nebo elektrostrikce. Jeden typ senzoru vyvinutého na základě dielektrického piezoelektrického jevu se nazývá senzor piezoelektrických krystalů.

 

 

Jakékoliv prostředí v elektrickém poli způsobí deformaci prostředí vlivem indukované polarizace a tato deformace je odlišná od deformace způsobené inverzním piezoelektrickým jevem. Dielektrikum může být pružně deformováno vnější silou, piezoelektrický keramický snímač klepání může být deformován polarizací vnějšího elektrického pole. Deformace způsobená indukovanou polarizací je úměrná druhé mocnině vnějšího elektrického pole, což je elektrostrikční efekt. Deformace, kterou vytváří, je nezávislá na směru vnějšího elektrického pole. Deformace způsobená inverzním piezoelektrickým jevem je úměrná vnějšímu elektrickému poli a při obrácení elektrického pole se změní i deformace (např. původní prodloužení lze zkrátit, nebo původní zkrácení změnit na prodloužení). Kromě toho je elektrostrikční účinek přítomen ve všech dielektrikách, ať už nepiezoelektrických nebo piezoelektrických, má pouze elektrostrikční účinky dielektrických krystalů různých struktur. Inverzní piezoelektrický jev se vyskytuje pouze v krystalech piezoelektrické keramiky.

 

Piezokeramický krystal z materiálů PZT, který vytváří piezoelektrický efekt, se nazývá piezoelektrický krystal. Jedním typem piezoelektrického krystalu je monokrystal, jako je křemen (SiO2), tartrát sodno-draselný (také známý jako Loserova sůl, NaKC4H4O6.H2O), ruthenát vizmutitý (Bi12GeO20). Další typ piezoelektrického krystalu se nazývá na piezoelektrické keramice, jako je titaničitan barnatý (BaTiO3), zirkoničitan olovnatý titaničitan Pb(ZrxTirx)O3, olovnatý vizmut zirkoničitan hořečnatý vyrobený v Japonsku, přidaný do PZT, vizmut mangan vyrobený v Číně. Zirkoničitan titaničitan olovnatý Pb(Mn1/2Sb2/3)O3 byl přidán do PIT.

 

Dielektrikum je izolant, který lze elektrodizovat. Použití dielektrik je poměrně rozsáhlé. Dielektrická vodivost piezoelektrického keramického prvku je velmi nízká ve spojení s dobrými vlastnostmi dielektrické pevnosti, které lze použít k výrobě elektrických izolátorů. Kromě toho může být dielektrikum vysoce elektrolyticky nanášeno a je to vynikající kondenzátorový materiál. Studium dielektrických vlastností zahrnuje ukládání a rozptyl elektrické a magnetické energie v materiálu. Tato studie je nesmírně důležitá pro vysvětlení různých jevů elektroniky, optiky a fyziky pevných látek. Dielektrické vlastnosti se týkají vlastností akumulace a ztráty elektrostatické energie při působení elektrického pole, obvykle vyjádřené dielektrickou konstantou a dielektrickou ztrátou. Při aplikaci vysokofrekvenční technologie na materiály, jako jsou masivní dřevěné kompozitní podlahy, jsou při použití vysokofrekvenčního lisování za tepla velmi důležité dielektrické vlastnosti. Když je médium aplikováno elektrickým polem, generuje se indukovaný náboj, který zeslabuje elektrické pole. Poměr původního použitého elektrického pole (ve vakuu) k elektrickému poli v konečném médiu je permitivita, známá také jako rychlost indukovaného proudu.

 

V elektromagnetismu, když je elektrické pole piezoelektrických knoflíkových kotoučů aplikováno na dielektrikum, vzniká elektrický dipól v důsledku relativního posunutí kladných a záporných nábojů uvnitř dielektrika. Tento jev se nazývá elektrická polarizace. Aplikované elektrické pole může být vnější elektrické pole nebo elektrické pole generované volným nábojem uloženým uvnitř dielektrika. Elektrický dipól vytvořený polarizací se nazývá 'indukční elektrický dipól' a jeho elektrický dipólový moment se nazývá indukční elektrický dipólový moment. Piezokeramika má schopnost tvořit elektrodu působením elektrického pole. Podle použití a výkonu se dělí na elektrické izolace, kondenzátory, piezoelektrické, pyroelektrické a feroelektrické keramiky.

Polarizace piezoelektrického keramického dielektrika

 

Piezoelektrické keramické krystaly jsou jak dielektrika, tak anizotropní dielektrika, takže dielektrické vlastnosti piezoelektrických krystalů jsou odlišné od vlastností izotropních dielektrik.

Dielektrikum je polarizováno působením elektrického pole a polarizační stav je stav, ve kterém elektrické pole působí relativní posuvnou silou na nabíjecí bod dielektrika a dočasnou rovnováhu vzájemné přitažlivosti mezi náboji. Elektrické pole je vnější příčinou polarizace. Vnitřní příčina polarizace leží uvnitř média. S mikroskopickými procesy uvnitř média existují tři hlavní mechanismy polarizace.

 

(1) Atom nebo iont, který tvoří dielektrikum. Při působení elektrického pole se kladně nabité jádro neshoduje se záporným středem elektronu svého obalu, čímž vzniká elektrický dipólový moment. Tato polarizace se nazývá polarizace vysídlení elektronů.

(2) Kladné a záporné ionty, které tvoří dielektrika, podléhají relativnímu posunutí působením elektrického pole, což má za následek elektrický dipólový moment nazývaný polarizace posunutí iontů.

(3) Molekuly, které tvoří dielektrikum, jsou polární molekuly s určitým vlastním elektrickým momentem, ale vlivem tepelného pohybu je orientace neuspořádaná a celkový elektrický moment celého dielektrika je nulový. Když působí vnější elektrické pole, budou tyto elektrické dipólové momenty zarovnány podél vnějšího pole, ultrazvukový piezoelektrický krystal vytváří v dielektriku makroskopický elektrický dipólový moment, který se nazývá orientační polarizace.

 

1. Polarizace posunutí nekonečné molekuly

 

Když je bezelektrodové dielektrikum ve vnějším elektrickém poli působením síly elektrického pole, centra kladného a záporného náboje molekuly vytvoří relativní posunutí za vzniku elektrického dipólu a jejich ekvivalentní elektrické dipólové momenty P jsou orientovány ve směru elektrického pole. Pro dielektrické piezoelektrikum jako celek, protože každá molekula v dielektriku tvoří elektrické dipóly, jsou uspořádány v dielektriku. Kladné a záporné náboje sousedních elektrických dipólů v dielektriku jsou blízko sebe. Je-li dielektrikum stejnoměrné, zůstává v celém rozsahu elektricky neutrální, ale na povrchu dielektrika, který je kolmý k vnější síle elektrického pole E0. Budou existovat kladné a záporné náboje, které nemohou opustit dielektrikum a nemohou se volně pohybovat v dielektriku. Tento jev polarizovaných nábojů v dielektriku při působení vnějšího elektrického pole se nazývá polarizace dielektrika. Čím silnější je vnější elektrické pole, tím větší je relativní posunutí mezi kladnými a zápornými nábojovými centry každé molekuly, tím větší je elektrický dipólový moment molekuly, tím více polarizovaných nábojů se objevuje na obou površích dielektrika a tím více je polarizováno. Když je odstraněno vnější elektrické pole piezoelektrického měniče rezonanční frekvence, středy kladných a záporných nábojů jsou opět shodné (P = 0), takže tento typ molekul lze považovat za elastický elektrický dipól, jehož elastická síla je spojena dvěma ekvivalentními ekvivalentními elektrickými náboji. Velikost elektrického dipólového momentu P je úměrná intenzitě pole. Protože polarizace nekonečné molekuly spočívá v relativním posunutí středu kladných a záporných nábojů, často se nazývá bit.

 

Orientovaná polarizace polárních molekul

 

Pokud jde o polární molekulární dielektrikum, střed kladných a záporných nábojů v molekule je ekvivalentní elektrickému dipólu. Působením vnějšího elektrického pole bude vystavena momentu, takže elektrický dipólový moment P molekuly se otočí do směru elektrického pole. Kvůli interferenci molekulárního tepelného pohybu je toto řízení malé a je nemožné vyrovnat elektrické dipólové momenty všech molekul podél směru elektrického pole. Čím silnější je vnější elektrické pole piezoelektrické keramiky s piezoelektrickou elektrodou, tím přehlednější je řád řízení elektrického dipólového momentu molekuly. Na makroskopické úrovni platí, že čím více polarizovaných nábojů se objeví na obou površích kolmých k dielektriku a vnějšímu elektrickému poli, tím vyšší je stupeň polarizace. Po odstranění vnějšího elektrického pole se směr elektrického dipólového momentu molekuly stane nepravidelným uspořádáním v důsledku tepelného pohybu molekul a dielektrikum je stále neutrální. Polarizace polárních molekul spočívá ve směru, ve kterém se ekvivalentní elektrický dipól obrací k vnějšímu elektrickému poli, proto se nazývá orientační polarizace. Obecně platí, že zatímco molekuly jsou polarizovány současně, existuje také polarizace posunutí. I když mikroskopické procesy polarizace dvou typů dielektrik, polárních se liší, ale makroskopické efekty jsou stejné. Na dvou protilehlých površích dielektrika se objevují polarizované náboje různého počtu piezoelektrických deskových senzorů a vnější elektrické pole se zvyšuje. tím více se objevují polarizované náboje. Proto, když je polarizační jev dielektrika popsán makroskopicky níže, není nutné pro diskusi rozdělovat na dva druhy dielektrik.

3. Feroelektřina piezoelektrických keramických krystalů

 

Polarizace některých dielektrik je velmi zvláštní. V určitém teplotním rozsahu nejsou jejich dielektrické konstanty konstantní, ale mění se s intenzitou pole a po odstranění vnějšího elektrického pole nejsou tato dielektrika neutrální. Existuje zbytková polarizace. Aby to bylo analogické se skutečností, že feromagnetické materiály mohou zůstat zmagnetizované, je tato vlastnost piezokeramického měniče často označována jako feroelektřina. Feroelektrické dielektrikum se nazývá feroelektrikum. Mezi nimi jsou nejvýznamnější keramika s titaničitanem barnatým (BaTiO3), monokrystal tartrátu sodnodraselného (NaKC4H4O6⋅H2O) a podobně. Feroelektrika bude vykazovat hysterezi během procesu elektrolytického nanášení. Hysterezní smyčka ukazuje, že polarizace mezi feroelektrickým tělesem a aplikovaným elektrickým polem je nelineární a polarizace je obrácená, když je vnější elektrické pole obráceno. Polarizační inverze je výsledkem inverze domény, takže hysterezní smyčka indikuje přítomnost domén ve feroelektriku. Takzvané domény jsou malé oblasti, ve kterých jsou směry spontánní polarizace ve feroelektrikách jednotné, a domény. Hranice mezi nimi se nazývá doménová stěna. Feroelektrické krystaly piezoelektrických keramických produktů jsou obvykle vícedoménové, spontánní polarizace v každé doméně má stejný směr a spontánní polarizace v různých doménách je silná.

 

U polykrystalických feroelektrik neexistuje žádná pravidelnost mezi relativními orientacemi spontánní polarizace v různých doménách pro celý polykrystal kvůli naprosté libovolnosti orientace os krystalů mezi zrny.

Feroelektrika obecně spontánně netvoří jednotlivé domény, ale vícedoménové krystaly mohou být monodomainizovány pod silným vnějším elektrickým polem. Působením silného vnějšího elektrického pole se objem domény spontánní polarizace ve vícedoménovém krystalu paralelně nebo blízko směru vnějšího pole rychle rozšíří v důsledku tvorby nových doménových jader a pohybu doménových stěn a objem domény v ostatních směrech se rychle sníží. Malý zmizí, což změní celý krystal na jedinou doménu. Při působení vnějšího elektrického pole se dynamický proces pohybu nového doménového jádra a stěny domény nazývá proces převrácení domény. Toto převrácení má některé hysterezní charakteristiky, takže feroelektrikum vykazuje výše zmíněnou hysterezní smyčku.

 

Uvažování jediného piezo krystalu předpokládá, že orientace spontánní polarizace má pouze dvě možnosti. je pozitivní a negativní podél určité krystalové osy; směr vnějšího elektrického pole je rovnoběžný s polarizační osou. Když je vnější elektrické pole nulové, polarizace sousedních domén v krystalu je opačná a celkový elektrický moment krystalu je nulový. Když se vnější elektrické pole postupně zvětšuje, objem domény spontánní polarizace opačného směru než je směr elektrického pole se bude postupně zmenšovat v důsledku inverze domény a tyto domény mají stejný směr jako elektrické pole se bude postupně rozšiřovat, takže krystal je ve směru vnějšího pole. Intenzita se zvyšuje s rostoucím elektrickým polem. Když se elektrické pole prvku piezoelektrického disku zvýší natolik, aby obrátilo všechny reverzní domény v krystalu k vnějšímu poli, krystal se stane jedinou doménou, polarizace krystalu dosáhne nasycení a poté se elektrické pole zvýší. Polarizace se bude lineárně zvyšovat s elektrickým polem (stejně jako polarizace typického dielektrika) a dosáhne maximální hodnoty Pmax, která je funkcí elektrického pole s nejvyšší polarizací. Když je lineární část extrapolována na nulové elektrické pole, výsledný průsečík Ps na vertikální ose se nazývá nasycená polarizace, což je vlastně spontánní polarizace každé domény. Když elektrické pole začne klesat od C, polarizace se bude postupně snižovat podél křivky CB. Když se elektrické pole piezoelektrické keramické součásti sníží na nulu, polarizace se sníží na určitou hodnotu Pr, která se nazývá zbytková polarizace feroelektrika. Když elektrické pole změní směr a zvýší se na Ec v záporném směru, polarizace se sníží na nulu, reverzní elektrické pole se dále zvětšuje a polarizace se obrátí. Ec se nazývá síla koercitivního pole feroelektrika. Jak se reverzní elektrické pole dále zvyšuje, polarizace se dále zvyšuje ve směru záporného gradientu a dosahuje hodnoty nasycení (-Pr) v záporném směru a ultrazvukový piezoelektrický měnič se stává krystalem s jedinou doménou, který má zápornou polarizaci. Pokud se elektrické pole plynule mění z vysoké záporné hodnoty na vysokou kladnou hodnotu, kladná doména se začíná tvořit a znovu růst, dokud se celý krystal opět nestane krystalem s jednou doménou s dopřednou polarizací. Během tohoto procesu se polarizace vrací do bodu C podél FGH části zpětné linie. Působením velkého střídavého elektrického pole se tedy elektrické pole změní o jeden týden a výše uvedený proces se jednou opakuje, přičemž je znázorněna hysterezní smyčka. Oblast ohraničená zpětným vedením je energie potřebná k dvojnásobné invertování polarizace.