Princip a klasifikace materiálů ultrazvukového piezoelektrického keramického měniče

Princip piezoelektrického jevu ultrazvukové piezoelektrické keramické desky spočívá v tom, že pokud je na piezoelektrický materiál aplikován tlak, bude generovat rozdíl potenciálů (nazývaný pozitivní piezoelektrický efekt), a pokud je aplikováno napětí, bude generovat mechanické napětí (nazývané inverzní piezoelektrický efekt). prsten s piezokeramickými prvky ). Pokud je tlak vysokofrekvenční vibrace, bude generován vysokofrekvenční proud. Když je na piezoelektrickou keramiku aplikován vysokofrekvenční elektrický signál, vzniká vysokofrekvenční akustický signál (mechanické kmitání), kterému obvykle říkáme ultrazvukový signál. Jinými slovy, piezoelektrická keramika má funkci přeměny a inverzní přeměny mezi mechanickou energií a elektrickou energií. Tento vzájemný vztah je velmi zajímavý.

Dělí se na piezoelektrické keramické krystaly a ultrazvukové piezokeramické prvky . Piezoelektrické krystaly obvykle odkazují na piezoelektrické monokrystaly a piezoelektrické keramiky obvykle odkazují na piezoelektrické polykrystaly. Piezoelektrická keramika je druh polykrystalů, které vznikají míšením, lisováním a slinováním vysokoteplotních surovin s potřebnými složkami, stejně jako nepravidelné jemné částice získané reakcí v pevné fázi a slinováním mezi částicemi. Piezokeramické destičky s piezoelektrickými vlastnostmi se nazývají piezoelektrická keramika, což jsou vlastně feroelektrické piezokeramiky. Zrna této piezokeramiky mají feroelektrické domény. Feroelektrické domény jsou složeny ze 180 domén s antiparalelními směry spontánní polarizace a 90 domén s kolmými směry spontánní polarizace. Za podmínek umělé polarizace (aplikace zesíleného stejnosměrného elektrického pole) jsou tyto domény dokonale vyrovnány ve směru vnějšího elektrického pole a zbývající polarizační síla je zachována i po odstranění vnějšího elektrického pole, takže mají makroskopické piezoelektrické charakteristiky. Například titaničitan barnatý Bt, zirkoničitan titaničitan olovnatý PZT, modifikovaný zirkoničitan olovnatý titanát, metaniobát olovnatý, lithium olovnatý niobát baryum pbln, modifikovaný titaničitan olovnatý pt a podobně. Úspěšný vývoj tohoto materiálu PZT podpořil zlepšení a zvýšení výkonu různých piezoelektrických zařízení akustických ultrazvukových měničů a piezoelektrických senzorů.

Piezoelektrický efekt ultrazvukové piezoelektrické keramické desky znamená, že struktura některých materiálů s jedním piezokrystalem má asymetrické vlastnosti. Když jsou tyto PZT materiály vystaveny aplikovanému napětí a deformaci, změny (deformace) ve vnitřní mřížkové struktuře zničí originalitu elektrické neutrality. Makroskopický stav generuje polarizované elektrické pole (polarizace) a generované elektrické pole (intenzita polarizace) je úměrné velikosti napětí. Tento jev se nazývá pozitivní piezoelektrický jev, který objevili bratři Curieové v roce 1880. Později, v roce 1881, bylo dále zjištěno, že tento monokrystalický materiál má také reverzní piezoelektrický efekt. Když je materiál s pozitivním piezoelektrickým účinkem vystaven vnějšímu elektrickému poli, vznikne napětí a deformace a deformace je úměrná velikosti vnějšího elektrického pole. Piezoelektrický jev je znakem krystalové struktury, který souvisí s asymetrií krystalové struktury, a velikost a povaha piezoelektrického jevu souvisí se směrem působícího napětí nebo elektrického pole vzhledem k ose krystalu. Existuje celá řada jednotlivých PZT vysoce výkonné piezokeramické krystalové materiály s piezoelektrickými účinky, jako jsou přírodní krystaly křemene (Si02) a umělé monokrystalické materiály, jako je síran lithný (Li2SO4), niobát lithný (LiNb03) a podobně.