Proces piezoelektrického keramického fyzikálního mechanismu

Piezoelektrická keramika je polykrystalická fólie s piezoelektrickým efektem a její výrobní proces je pojmenován podle podobného výrobního procesu (pulverizace surovin, lisování, vysokoteplotní slinování). Některé anizotropní piezo krystaly podléhají deformaci působením mechanické síly, což způsobuje, že nabité částice jsou relativně posunuty,Piezokeramický disk z materiálu PZT má za následek kladné a záporné vázané náboje na povrchu piezokrystalu. Tento jev se nazývá piezoelektrický jev. Tato vlastnost krystalu se nazývá piezoelektřina. Piezoelektřina byla objevena v roce 1880 bratry J. Curie a P. Curie. O několik měsíců později experimentálně ověřili inverzní piezoelektrický jev, to znamená, že když se na piezokrystal přivede napětí, piezokrystal podstoupí geometrickou deformaci. Před rokem 1940 byly známy pouze dva typy feroelektrik (nejen spontánně polarizované v určitém teplotním rozsahu, ale také spontánní polarizace krystalů, které mohou být přeorientovány v důsledku síly vnějšího pole): jedním je zbytek soli a nějaký blízce příbuzný tartrát; jedním je dihydrogenfosforečnan draselný a jeho ekvivalent. První z nich má piezoelektřinu při normální teplotě a má hodnotu technického využití, ale má nevýhodu v tom, že se snadno rozpouští; druhý má piezoelektřinu při nízké teplotě (méně než -14 C) a hodnota technického využití není velká. Bylo zjištěno, že titaničitan barnatý (BaTiO) má abnormálně vysokou dielektrickou konstantu mezi lety 1942 a 1945. Brzy bylo zjištěno, že je piezoelektrický a objev piezoelektrické keramiky BaTi O byl kvantovým skokem v piezoelektrických materiálech. Dříve existoval pouze piezoelektrický monokrystalický materiál a poté se objevil piezoelektrický polykrystalický materiál, piezoelektrická keramika, který byl široce používán. V roce 1947 Spojené státy použily keramiku BaTiO k výrobě snímačů pro fonografy. Japonsko jej použilo o dva roky později než Spojené státy. BaTiO má nevýhodu v tom, že piezoelektřina je slabší než klidová sůl a piezoelektřina je větší než piezokřemenný krystal s teplotou. V roce 1954 B. Jaffe a další objevili piezoelektrický systém pevných roztoků PbZrO-PbTiO (PZT), což je epochální událost, která znemožnila výrobu zařízení v éře BaTiO. Od té doby byla vyvinuta transparentní piezoelektrická keramika PZT s cílem rozšířit aplikaci piezoelektrické keramiky do oblasti optiky. Dosud je aplikace piezoelektrické keramiky od vývoje vesmíru až po život rodiny nesmírně rozsáhlá. Čínský výzkum piezoelektrické keramiky začal koncem 50. let 20. století, asi o 10 let později než zahraniční země. V současné době jsou poměrně silné síly ve zkušební výrobě a průmyslové výrobě piezoelektrické keramiky. Mnoho materiálů dosáhlo nebo se blíží mezinárodní úrovni.

Fyzikální mechanismus piezokeramické piezoelektriky

Piezoelektrická keramika jsou polykrystaly, jejichž piezoelektřinu lze vysvětlit piezoelektrikou piezoelektrické disky krystal . Působením mechanické síly se mění celkový elektrický dipólový moment (polarizace), což má za následek piezoelektrický jev. Piezoelektřina úzce souvisí s polarizací, deformací.

Mikroskopický mechanismus polarizace
Polarizační stav je stav, ve kterém elektrické pole působí relativní posuvnou silou na nabitý bod dielektrika a dočasnou rovnováhu vzájemné přitažlivosti mezi náboji. Existují tři hlavní mechanismy polarizace.

(1) Polarizace posunu elektronu – Atom nebo iont dielektrika se při působení síly elektrického pole neshoduje se středem záporného náboje kladně nabitého jádra a obalového elektronu.
(2) Polarizace dlouhého přemístění – kladné a záporné ionty dielektrika se působením síly elektrického pole relativně přemístí, čímž se vytvoří elektrický dipólový moment.
(3) Orientační polarizace – polární molekuly, které tvoří dielektrikum, mají určitý vnitřní (inherentní) elektrický moment. Vlivem tepelného pohybu je orientace neuspořádaná, celkový elektrický moment je nulový. Když je aplikováno elektrické pole, směr elektrického pole se vyrovná a objeví se makroskopický elektrický dipólový moment.
U anizotropních krystalů vztah mezi polarizací a elektrickým polem

2. Piezoelektrický jev

(1) Pozitivní piezoelektrický jev
Když je keramický měnič peizoelektrických disků je deformován vnější silou, kladná a záporná centra náboje jsou relativně posunuta a na některých odpovídajících plochách jsou generovány opačné náboje a dochází k intenzitě polarizace. Tento jev bez elektrického pole a polarizace deformací se nazývá pozitivní piezoelektrický jev.

U anizotropních krystalů se na piezokrystal aplikuje napětí a krystal bude vykazovat proporcionální polarizaci ve třech směrech X, Y a Z, které se nazývají piezoelektrická konstanta napětí a konstanta piezoelektrického napětí.

(2) Inverzní piezoelektrický jev
Při působení elektrického pole na krystal vzniká nejen polarizace, ale i deformace a tento jev deformace elektrickým polem se nazývá inverzní piezoelektrický jev. Je to proto, že když je krystal vystaven elektrickému poli, uvnitř krystalu vzniká napětí (piezoelektrické napětí) a napětím vzniká piezoelektrické napětí.
.
3. Mechanismus působení tlaku

Piezoelektrický jev byl poprvé objeven na piezo krystalech. Nyní používáme krystaly materiálu PZT jako model pro ilustraci fyzikálního mechanismu piezoelektrického jevu.

Když není aplikován žádný tlak, kladná a záporná centra náboje piezokrystalu se rozdělí. V tomto okamžiku se kladná a záporná centra náboje shodují a celkový elektrický moment piezo krystalu je roven nule a povrch krystalu není nabitý (ne piezoelektrický).

Při použití tlakového senzoru ve směru x se materiálový krystal deformuje a kladná a záporná centra náboje se oddělí, to znamená, že se elektrický dipól změní, takže v rovině X dojde k akumulaci náboje.
Při působení tlaku ve směru osy Y je zde znázorněno rozložení kladných a záporných nábojových center krystalu, kdy se celkový elektrický dipólový moment mění a způsobuje akumulaci náboje v rovině X protilehlé k přední straně. Je zřejmé, že nahrazování předchozí tlakové síly tahovou silou ukazuje, že znaménko náboje je obrácené. Stručně řečeno, když je tlakový senzor aplikován na piezoelektrický krystal, může dojít k piezoelektrickému jevu.