Piezoelektrisk keramisk egenskabsanalyse

 piezoelektrisk effekt og dielektrisk effekt af piezoelektrisk keramik

 

Den piezoelektriske effekt er, at når nogle dielektriske stoffer deformeres af en ekstern kraft i en bestemt retning, opstår polarisering indeni, og positive og negative modsatte ladninger vises på de to modsatte overflader deraf. Når den ydre kraft fjernes, vil den vende tilbage til den uladede tilstand. Dette fænomen kaldes på den positive piezoelektriske effekt. Når kraftens retning ændres, ændres ladningens polaritet også. Tværtimod, når et elektrisk felt påføres i dielektrikumets polarisationsretning, deformeres disse dielektrikum også, og deformationen af ​​dielektrikumet forsvinder, efter at det elektriske felt er fjernet. Dette fænomen kaldes en omvendt piezoelektrisk effekt eller elektrostriktion. En type sensor udviklet baseret på den dielektriske piezoelektriske effekt kaldes en piezoelektrisk krystallsensor.

 

 

Ethvert medium i det elektriske felt vil forårsage deformation af mediet på grund af effekten af ​​induceret polarisering, og denne deformation er forskellig fra deformationen forårsaget af den omvendte piezoelektriske effekt. Dielektrikumet kan være elastisk deformeret af en ekstern kraft, piezoelektrisk keramisk bankesensor kan blive deformeret af polariseringen af ​​det eksterne elektriske felt. Deformationen på grund af den inducerede polarisering er proportional med kvadratet af det eksterne elektriske felt, hvilket er en elektrostriktiv effekt. Deformationen, den frembringer, er uafhængig af retningen af ​​det eksterne elektriske felt. Deformationen forårsaget af den omvendte piezoelektriske effekt er proportional med det eksterne elektriske felt, og når det elektriske felt vendes, ændres deformationen også (for eksempel kan den oprindelige forlængelse forkortes, eller den oprindelige forkortelse kan ændres til forlængelse). Derudover er den elektrostriktive effekt til stede i alle dielektriske stoffer, uanset om de ikke er piezoelektriske eller piezoelektriske, har kun de elektrostriktive virkninger af dielektriske krystaller af forskellige strukturer. Den omvendte piezoelektriske effekt findes kun i piezoelektriske keramiske krystaller.

 

En PZT-materiale piezokeramisk krystal, der producerer en piezoelektrisk effekt, kaldes en piezoelektrisk krystal. En type piezoelektrisk krystal er en enkelt krystal, såsom kvarts (SiO2), natriumkaliumtartrat (også kendt som Loser salt, NaKC4H4O6.H2O), bismuthruthenat (Bi12GeO20). En anden type piezoelektrisk krystal kaldes på piezoelektrisk keramik, såsom bariumtitanat (BaTiO3), blyzirkonattitanat Pb(ZrxTirx)O3, blyvismutmagnesiumzirkonattitanat fremstillet i Japan, tilføjet til PZT, vismutmangan fremstillet i Kina. Blyzirconattitanat Pb(Mn1/2Sb2/3)O3 blev tilsat til PIT.

 

Dielektrisk er en isolator, der kan elektrodeiseres. Brugen af ​​dielektrikum er ret omfattende. Den dielektriske ledningsevne af piezoelektriske keramiske elementer er meget lav, kombineret med de gode dielektriske styrkeegenskaber, som kan bruges til at fremstille elektriske isolatorer. Derudover kan dielektrikumet være stærkt elektroaflejret og er et fremragende kondensatormateriale. Studiet af dielektriske egenskaber involverer lagring og spredning af elektrisk og magnetisk energi i materialet. Denne undersøgelse er ekstremt vigtig for at forklare de forskellige fænomener inden for elektronik, optik og faststoffysik. Dielektriske egenskaber refererer til egenskaberne ved lagring og tab af elektrostatisk energi under påvirkning af et elektrisk felt, normalt udtrykt ved dielektrisk konstant og dielektrisk tab. Når højfrekvensteknologi anvendes på materialer, såsom kompositgulve i massivt træ, er dielektriske egenskaber meget vigtige, når der anvendes højfrekvent varmpresning. Når mediet påføres et elektrisk felt, genereres en induceret ladning for at svække det elektriske felt. Forholdet mellem det oprindelige påførte elektriske felt (i vakuum) og det elektriske felt i det endelige medium er permittiviteten, også kendt som den inducerede strømhastighed.

 

I elektromagnetisme, når et elektrisk felt af piezoelektriske knapskiver påføres et dielektrikum, genereres en elektrisk dipol på grund af den relative forskydning af de positive og negative ladninger inde i dielektrikumet. Dette fænomen kaldes elektrisk polarisering. Det påførte elektriske felt kan være et eksternt elektrisk felt eller et elektrisk felt, der genereres af en fri ladning, der er indlejret i dielektrikummet. Den elektriske dipol genereret af polariseringen kaldes 'induktiv elektrisk dipol', og dens elektriske dipolmoment kaldes for induktiv elektrisk dipolmoment. Piezokeramik har en elektrodedannende evne under påvirkning af et elektrisk felt. Opdelt i elektrisk isolering, kondensatorer, piezoelektrisk, pyroelektrisk og ferroelektrisk keramik efter deres anvendelse og ydeevne.

Polarisering af piezoelektrisk keramisk dielektrikum

 

Piezoelektriske keramiske krystaller er både dielektriske og anisotrope dielektriske stoffer, så de dielektriske egenskaber af piezoelektriske krystaller er forskellige fra dem for isotropiske dielektriske stoffer.

Dielektrikumet er polariseret under påvirkning af et elektrisk felt, og polarisationstilstanden er en tilstand, hvor det elektriske felt udøver en relativ forskydningskraft på dielektrikumets ladepunkt og en midlertidig balance mellem gensidig tiltrækning mellem ladningerne. Det elektriske felt er den ydre årsag til polarisering. Den indre årsag til polarisering ligger i mediets indre. Med de mikroskopiske processer inde i mediet er der tre hovedmekanismer for polarisering.

 

(1) Et atom eller ion, der udgør et dielektrikum. Under påvirkning af et elektrisk felt falder en positivt ladet kerne ikke sammen med det negative centrum af dens skalelektron og genererer derved et elektrisk dipolmoment. Denne polarisering kaldes elektronforskydningspolarisering.

(2) De positive og negative ioner, der udgør dielektrikkerne, gennemgår relativ forskydning under påvirkning af et elektrisk felt, hvilket resulterer i et elektrisk dipolmoment kaldet ionforskydningspolarisering.

(3) Molekylerne, der udgør dielektrikumet, er polære molekyler med et bestemt iboende elektrisk moment, men på grund af termisk bevægelse er orienteringen uorden, og det samlede elektriske moment af hele dielektrikumet er nul. Når et eksternt elektrisk felt virker, vil disse elektriske dipolmomenter blive justeret langs det ydre felt, ultralyd piezoelektrisk krystal producerer et makroskopisk elektrisk dipolmoment i dielektrikumet, som kaldes orienteringspolarisering.

 

1. Forskydningspolarisering af et uendeligt molekyle

 

Når det elektrodeløse dielektrikum er i et eksternt elektrisk felt under påvirkning af den elektriske feltkraft, vil de positive og negative ladningscentre af molekylet producere relative forskydninger for at danne en elektrisk dipol, og deres ækvivalente elektriske dipolmomenter P er orienteret langs retningen af ​​det elektriske felt. For et dielektrisk piezoelektrikum som helhed, da hvert molekyle i dielektrikumet danner elektriske dipoler, er de arrangeret i dielektrikumet. De positive og negative ladninger af tilstødende elektriske dipoler i dielektrikumet er tæt på hinanden. Hvis dielektrikumet er ensartet, forbliver det elektrisk neutralt overalt, men på overfladen af ​​dielektrikumet, der er vinkelret på den eksterne elektriske feltstyrke E0. Der vil være henholdsvis positive og negative ladninger, som ikke kan forlade dielektrikumet og ikke kan bevæge sig frit i dielektrikumet, Dette fænomen med polariserede ladninger i dielektrikumet under påvirkning af et eksternt elektrisk felt kaldes polarisering af dielektrikumet. Jo stærkere eksternt elektrisk felt, jo større er den relative forskydning mellem de positive og negative ladningscentre for hvert molekyle, jo større er molekylets elektriske dipolmoment, jo mere polariserede ladninger vises på begge overflader af dielektrikumet, og jo mere polariseret høj. Når det eksterne elektriske felt af resonansfrekvens piezoelektrisk transducer fjernes, er centrene for de positive og negative ladninger igen sammenfaldende (P = 0), så denne type molekyle kan betragtes som en elastisk elektrisk dipol, hvis elastiske kraft er forbundet med to ækvivalente ækvivalente elektriske ladninger. Størrelsen af ​​det elektriske dipolmoment P er proportional med feltstyrken. Da polariseringen af ​​det uendelige molekyle ligger i den relative forskydning af midten af ​​de positive og negative ladninger, kaldes det ofte en smule.

 

Orienteret polarisering af polære molekyler

 

Hvad angår det polære molekylære dielektriske, svarer midten af ​​de positive og negative ladninger i molekylet til en elektrisk dipol. Under påvirkning af det ydre elektriske felt vil det blive udsat for et moment, således at det elektriske dipolmoment P af molekylet drejes i retning af det elektriske felt. På grund af interferensen af ​​molekylær termisk bevægelse er denne styring lille, og det er umuligt at justere de elektriske dipolmomenter for alle molekyler langs retningen af ​​det elektriske felt. Jo stærkere eksternt elektrisk felt af piezoelektrisk elektrode piezoelektrisk keramik, jo mere ryddelig er styrerækkefølgen af ​​molekylets elektriske dipolmoment. På det makroskopiske niveau, jo mere polariserede ladninger vises på begge overflader vinkelret på det dielektriske og det eksterne elektriske felt, jo højere grad af polarisering. Når det eksterne elektriske felt fjernes, bliver retningen af ​​det elektriske dipolmoment af molekylet et uregelmæssigt arrangement på grund af molekylernes termiske bevægelse, og dielektrikumet er stadig neutralt. Polarisering af polære molekyler ligger i den retning, hvori den ækvivalente elektriske dipol drejer til det eksterne elektriske felt, så det kaldes orienteringspolarisering. Generelt, mens molekylerne er polariserede på samme tid, er der også forskydningspolarisering. Selvom de mikroskopiske processer for polarisering af to typer dielektriske stoffer, er polar forskellige, men de makroskopiske virkninger er de samme. Polariserede ladninger af forskelligt antal piezoelektriske pladesensorer vises på de to modsatte overflader af dielektrikumet, og det eksterne elektriske felt øges. jo mere polariserede ladninger vises. Når polarisationsfænomenet af dielektrikumet er beskrevet makroskopisk nedenfor, er det derfor ikke nødvendigt at opdele i to slags dielektrikum til diskussion.

3. Ferroelektricitet af piezoelektriske keramiske krystaller

 

Polariseringen af ​​nogle dielektrika er meget speciel. I et bestemt temperaturområde er deres dielektriske konstanter ikke konstante, men varierer med feltstyrken, og efter fjernelse af det eksterne elektriske felt er disse dielektriske stoffer ikke neutrale. Der er resterende polarisering. For at være analog med det faktum, at ferromagnetiske materialer kan forblive magnetiserede, omtales denne egenskab ved piezokeramiske transducere ofte som ferroelektricitet. Et ferroelektrisk dielektrikum kaldes et ferroelektrisk. Blandt dem er bariumtitanat-keramik (BaTiO3), natriumkaliumtartrat-enkeltkrystal (NaKC4H4O6⋅H2O) og lignende mest fremtrædende. Ferroelektriske stoffer vil udvise hysterese under elektroaflejringsprocessen. Hysteresesløjfen viser, at polariseringen mellem det ferroelektriske legeme og det påførte elektriske felt er ikke-lineær, og polariseringen vendes, når det eksterne elektriske felt vendes. Polarisationsinversionen er resultatet af domæneinversion, så hysteresesløjfen indikerer tilstedeværelsen af ​​domæner i det ferroelektriske. De såkaldte domæner er små områder, hvor de spontane polarisationsretninger i ferroelektrikken er ensartede, og domænerne. Grænsen mellem dem kaldes domænevæggen. Ferroelektriske krystaller af piezoelektriske keramiske produkter er normalt multi-domæner, den spontane polarisering i hvert domæne har samme retning, og den spontane polarisering i de forskellige domæner er stærk.

 

For polykrystallinske ferroelektriske stoffer er der ingen regelmæssighed mellem de relative orienteringer af spontan polarisering i de forskellige domæner for hele polykrystallen på grund af den fuldstændige vilkårlighed af orienteringen af ​​krystalakserne mellem kornene.

Ferroelektriske stoffer danner generelt ikke spontant enkelte domæner, men multidomænekrystaller kan monodomæniseres under et stærkt eksternt elektrisk felt. Under påvirkning af et stærkt eksternt elektrisk felt vil domænevolumenet af den spontane polarisering i multidomænekrystallen parallelt med eller tæt på den eksterne feltretning hurtigt udvide sig på grund af dannelsen af ​​nye domænekerner og bevægelsen af ​​domænevæggene, og domænevolumenet i andre retninger vil falde hurtigt. Small forsvinder, hvilket gør hele krystallen til et enkelt domæne. Under påvirkning af et eksternt elektrisk felt kaldes den dynamiske proces med ny domænekerne og domænevægsbevægelse for domænevendingsprocessen. Denne vending har nogle hysteresekarakteristika, så det ferroelektriske udviser den førnævnte hystereseløkke.

 

At betragte en enkelt piezokrystal er at antage, at orienteringen af ​​spontan polarisering kun har to muligheder. Den er positiv og negativ langs en bestemt krystalakse; retningen af ​​det eksterne elektriske felt er parallel med polarisationsaksen. Når det eksterne elektriske felt er nul, er polariseringen af ​​tilstødende domæner i krystallen modsat, og det samlede elektriske moment af krystallen er nul. Når det ydre elektriske felt øges gradvist, vil domænevolumenet af den spontane polarisationsretning modsat retningen af ​​det elektriske felt gradvist falde på grund af inversionen af ​​domænet, og disse domæner har samme retning, som det elektriske felt gradvist vil udvide sig, så krystallen er i retning af det ydre felt. Intensiteten stiger med stigningen af ​​det elektriske felt. Når det elektriske felt af et piezoelektrisk skiveelement øges nok til at vende alle de omvendte domæner i krystallen til det ydre felt, bliver krystallen et enkelt domæne, polariseringen af ​​krystallen når mætning, og derefter øges det elektriske felt. Polariseringen vil stige lineært med det elektriske felt (samme som polariseringen af ​​et typisk dielektrikum) og nå en maksimal værdi Pmax, som er en funktion af det elektriske felt med højeste polarisering. Når den lineære del ekstrapoleres til nul elektrisk felt, kaldes den resulterende skæring Ps på den lodrette akse den mættede polarisering, som faktisk er den spontane polarisering af hvert domæne.Når det elektriske felt begynder at falde fra C, vil polariseringen gradvist falde langs CB-kurven. Når det elektriske felt af en piezoelektrisk keramisk komponent reduceres til nul, falder polarisationen til en vis værdi Pr, som kaldes den resterende polarisering af det ferroelektriske. Når det elektriske felt ændrer retning og stiger til Ec i negativ retning, falder polarisationen til nul, det omvendte elektriske felt fortsætter med at stige, og polariseringen vendes. Ec kaldes tvangsfeltstyrken af ​​det ferroelektriske. Efterhånden som det omvendte elektriske felt fortsætter med at stige, fortsætter polarisationen med at stige i den negative gradientretning og når en mætningsværdi (-Pr) i den negative retning, og den piezoelektriske ultralydstransducer bliver en krystal i et enkelt domæne, som har en negativ polarisering. Hvis det elektriske felt ændres kontinuerligt fra en høj negativ værdi til en høj positiv værdi, begynder det positive domæne at dannes og vokse igen, indtil hele krystallen bliver en enkelt domæne krystal med fremadgående polarisering igen. Under denne proces returneres polarisationen til punkt C langs FGH-delen af ​​returlinjen. Under påvirkning af et stort vekslende elektrisk felt ændres det elektriske felt således med en uge, og ovenstående proces gentages én gang, hvilket viser den viste hysteresesløjfe. Området omsluttet af returledningen er den energi, der kræves for at invertere polarisationen to gange.