Princip piezoelektrického jevu a jeho aplikace u piezokeramiky

Když jsou některá dielektrika deformována vnější silou v určitém směru, dochází v nich 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 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. Piezoelektrická keramika je vlastně polarizovaná feroelektrická keramika s piezoelektrickým efektem. Je to nový informační materiál. Piezoelektrická keramika je jedním z druhů funkční keramiky.

Nejprve princip piezoelektrického jevu:
   Princip piezoelektrického jevu Piezokeramika pzt spočívá v tom, že pokud je na piezoelektrický materiál aplikován tlak, generuje se potenciálový rozdíl (označovaný jako pozitivní piezoelektrický efekt) a naopak vzniká mechanické napětí (nazývané inverzní piezoelektrický efekt). Pokud je tlak vysokofrekvenční vibrace, pak se generuje vysokofrekvenční proud. Když je na piezoelektrickou keramiku aplikován vysokofrekvenční elektrický signál, vzniká vysokofrekvenční akustický signál (mechanické vibrace), který obvykle nazýváme ultrazvukový signál. Piezoelektrická keramika má totiž funkci přeměny a inverzní přeměny mezi mechanickou energií a elektrickou energií a tento vzájemný vztah je vskutku velmi zajímavý. Piezoelektrické materiály mohou generovat elektrická pole v důsledku mechanické deformace nebo mechanické deformace v důsledku elektrického pole. Tento inherentní mechanicko-elektrický vazebný efekt činí piezoelektrické materiály široce používané ve strojírenství. Například piezoelektrické materiály byly použity k výrobě inteligentních struktur. Kromě samonosných schopností mají takové struktury funkce, jako je autodiagnostika, samopřizpůsobení a samoléčení, a hrají důležitou roli v budoucím návrhu letadel.

2. Piezoelektrický materiál
Piezoelektrický jev piezoelektrických materiálů piezo diskový snímač je způsoben speciálním uspořádáním atomů v krystalové mřížce, díky čemuž má materiál účinek spojení napěťového pole a elektrického pole. V závislosti na typu materiálu lze piezoelektrické materiály rozdělit na piezoelektrické monokrystaly, piezoelektrické polykrystaly (piezoelektrická keramika), piezoelektrické polymery a piezoelektrické kompozitní materiály. Podle konkrétního tvaru materiálu jej lze rozdělit na dva typy: piezoelektrický materiál a piezoelektrický film.

3. Piezoelektrický monokrystal
Piezoelektrické monokrystaly jsou většinou železné tranzistory. Patří sem také křemen, sulfid kademnatý, oxid zinečnatý, nitrid hliníku a další krystaly. Tyto feroelektrické krystaly zahrnují kyslíkový tranzistor mající kyslíkový oktaedr, jako je krystal titaničitanu barnatého, niobitan lithný se strukturou niobitanu lithného, ​​ruthenát bismutitý a krystal ruthenátu strontnatý, který má strukturu wolframového bronzu. Feroelektrický tranzistor obsahuje vodíkovou vazbu, jako jsou krystaly dihydrogenfosforečnanu draselného, ​​dihydrogenfosforečnanu amonného a hydrogenfosforečnanu olovnatého (a fosforečnanu olovnatého). Krystal titaničitanu barnatého nebo podobně s vrstvenou strukturou. V současnosti nejpoužívanější neferoelektrický křemenný tranzistor, železný typický tlakový tranzistor lithium niobát a ruthenát vizmutitý.

4. Piezoelektrický polymer
Již v roce 1940 Sovětský svaz zjistil, že dřevo je piezoelektrická keramika. Piezoelektřina byla nalezena v tkáních, jako je ramie, hedvábný bambus, zvířecí kosti, kůže a krevní cévy. V roce 1960 byla objevena piezoelektřina syntetických polymerů. V roce 1969 bylo zjištěno, že polyvinylidenfluorid má po elektrolytickém vylučování silnou piezoelektřinu. Mezi materiály se silnými piezoelektrickými vlastnostmi patří PVDF a jeho kopolymery, polyvinylfluorid, polyvinylchlorid, poly-y-methyl-L-glutamát a nylon-11.

5. Piezoelektrické kompozitní materiály
Piezoelektrické kompozity jsou piezoelektrické materiály, které jsou složeny ze dvou nebo více materiálů. Běžné piezoelektrické kompozity jsou dvoufázové kompozity piezoelektrické keramiky a polymerů, jako je polyvinylidenfluorid reaktivní epoxid. Tento kompozitní materiál kombinuje silné stránky piezoelektrické keramiky a polymerů, má vynikající flexibilitu a zpracovatelské vlastnosti, má nízkou hustotu a lze jej snadno přizpůsobit akustické impedanci vzduchu, vodě a biologickým tkáním. Kromě toho mají piezoelektrické kompozity také vysokou piezoelektrickou konstantu. Piezoelektrické kompozity mají širokou škálu aplikací v oblasti lékařství, snímání a měření.

Aplikace piezoelektrického jevu piezokeramiky

1. Výrobní charakteristiky
Piezoelektrická keramika se vyznačuje polarizační úpravou feroelektrické keramiky pod stejnosměrným elektrickým polem, aby měla piezoelektrický efekt. Obecně je polarizační elektrické pole 3 až 5 kV/mm, teplota 100 až 150 °C a doba 5 až 20 minut. Tyto tři jsou hlavními faktory ovlivňujícími polarizační efekt. Piezoelektrická keramika s lepším výkonem, jako je olovnatá zirkoničitanová keramika, má elektromechanický vazebný koeficient až 0,313 až 0,694.

Piezoelektrická keramika se používá hlavně při výrobě ultrazvukových měničů, hydroakustických měničů, elektroakustických měničů, keramických filtrů, keramických transformátorů, keramických diskriminátorů, vysokonapěťových generátorů, infračervených detektorů, akustických povrchových zařízení, elektrooptických zařízení, zapalovačů a piezoelektrických gyroskopů.

2. Vlastnosti keramiky
Piezoelektrická keramika má citlivé charakteristiky a dokáže převést extrémně slabé mechanické vibrace na elektrické signály, které lze využít v sonarových systémech, detekci počasí, telemetrické ochraně životního prostředí, domácích spotřebičích atd. Zemětřesení jsou ničivé katastrofy a zdroj zemětřesení začíná v hlubinách zemské kůry. Dříve to bylo těžké předvídat a lidé se ocitli v trapné situaci. Citlivost piezoelektrické keramiky na vnější sílu umožňuje vnímat narušení vzduchu létajícím hmyzem mávajícím křídly na více než deset metrů. Lze z něj vyrobit piezoelektrický seismograf, který dokáže přesně změřit intenzitu zemětřesení a indikovat směr a vzdálenost zemětřesení. To nemůže být velký úspěch piezoelektrické keramiky. Piezoelektrická keramika vytváří působením elektrického pole malou deformaci až do zlomku miliontiny své vlastní velikosti. Nepodceňujte tuto malou změnu, precizní ovládací mechanismus založený na tomto principu - piezoelektrický aktuátor, pro Precizní instrumentaci a mechanické řízení, mikroelektroniku, bioinženýrství a další obory jsou velkým přínosem. Zařízení pro řízení frekvence, jako jsou rezonátory a filtry, jsou klíčová zařízení, která určují výkon komunikačních zařízení. Piezoelektrická keramika má v tomto ohledu zjevné výhody. Má dobrou frekvenční stabilitu, vysokou přesnost a široký frekvenční rozsah a je malých rozměrů, není hygroskopický a má dlouhou životnost. Zejména ve vícekanálových komunikačních zařízeních může zlepšit schopnost proti rušení, takže předchozí elektromagnetické zařízení nelze ohlížet zpět.

3. Použití
Piezoelektrická keramika jsou nové funkční elektronické materiály s vysokou inteligencí. S neustálým výzkumem a zlepšováním materiálů a procesů se aplikace piezoelektrické keramiky stává stále širší. Jako stroj, elektřina, zvuk, světlo a teplo citlivé materiály, piezoelektrické materiály piezo keramický diskový měnič je široce používán v senzorech, převodnících, nedestruktivním testování a komunikačních technologiích. Polykrystaly vznikají reakcí na pevné fázi v různých zemích světa. A obecný název feroelektrické keramiky s piezoelektrickým efektem stejnosměrným vysokonapěťovým polarizačním ošetřením je druh výzkumu a vývoje, který může přikládat velký význam mechanické energii piezoelektrickým keramickým materiálům. S rozvojem špičkových technologií bude použití piezoelektrické keramiky stále širší. Kromě toho, že se používá v high-tech oblastech, jde spíše o službu lidem v každodenním životě a vytváření lepšího života pro lidi.

Pět běžných aplikací piezoelektrické keramiky v našem každodenním životě:
1: Aplikace pozitivního a negativního piezoelektrického jevu
2: Piezoelektrický keramický bzučák | Reproduktor
3: Piezoelektrický keramický snímač
4: Piezoelektrický transformátor
5: Piezoelektrický keramický zapalovač
Dá se říci, že ačkoli je piezoelektrická keramika novým materiálem, je zcela civilní. Používá se v high-tech, ale v životě jde spíše o vytvoření lepšího života pro lidi.