تجزیه و تحلیل خصوصیات سرامیکی پیزوالکتریک

 اثر پیزوالکتریک و اثر دی الکتریک سرامیک پیزوالکتریک

 

اثر پیزوالکتریک به این صورت است که وقتی برخی دی الکتریک ها توسط نیروی خارجی در جهت خاصی تغییر شکل می دهند، قطبش در داخل رخ می دهد و بارهای مخالف مثبت و منفی در دو سطح مخالف آن ظاهر می شود. هنگامی که نیروی خارجی حذف شود، به حالت بدون بار باز می گردد. این پدیده بر اثر پیزوالکتریک مثبت نامیده می شود. هنگامی که جهت نیرو تغییر می کند، قطبیت بار نیز تغییر می کند. برعکس، هنگامی که یک میدان الکتریکی در جهت قطبش دی الکتریک اعمال می شود، این دی الکتریک ها نیز تغییر شکل می دهند و تغییر شکل دی الکتریک پس از حذف میدان الکتریکی از بین می رود. این پدیده اثر پیزوالکتریک معکوس یا الکترواستریکشن نامیده می شود. یکی از انواع حسگرها که بر اساس اثر پیزوالکتریک دی الکتریک ساخته شده است، سنسور کریستال های پیزوالکتریک نامیده می شود.

 

 

هر محیطی در میدان الکتریکی به دلیل اثر قطبش القایی باعث تغییر شکل محیط می شود و این تغییر شکل با تغییر شکل ناشی از اثر پیزوالکتریک معکوس متفاوت است. دی الکتریک ممکن است توسط یک نیروی خارجی تغییر شکل الاستیک داشته باشد، سنسور ضربه سرامیکی پیزوالکتریک ممکن است توسط قطبش میدان الکتریکی خارجی تغییر شکل دهد. تغییر شکل ناشی از قطبش القایی متناسب با مربع میدان الکتریکی خارجی است که یک اثر الکتریکی است. تغییر شکلی که ایجاد می کند مستقل از جهت میدان الکتریکی خارجی است. تغییر شکل ناشی از اثر پیزوالکتریک معکوس متناسب با میدان الکتریکی خارجی است و هنگامی که میدان الکتریکی معکوس می شود، تغییر شکل نیز تغییر می کند (مثلاً می توان ازدیاد طول اولیه را کوتاه کرد یا کوتاه شدن اولیه را می توان به کشیدگی تغییر داد). علاوه بر این، اثر الکتریکی در تمام دی‌الکتریک‌ها وجود دارد، چه غیر پیزوالکتریک یا پیزوالکتریک، تنها اثرات الکترواستریکیو کریستال‌های دی‌الکتریک ساختارهای مختلف را دارد. اثر پیزوالکتریک معکوس فقط در کریستال های سرامیکی پیزوالکتریک یافت می شود.

 

کریستال پیزو سرامیکی مواد PZT که اثر پیزوالکتریک ایجاد می کند، کریستال پیزوالکتریک نامیده می شود. یکی از انواع کریستال های پیزوالکتریک تک بلوری مانند کوارتز (SiO2)، تارتارات پتاسیم سدیم (همچنین به عنوان نمک بازنده، NaKC4H4O6.H2O شناخته می شود)، بیسموت روتنات (Bi12GeO20) است. نوع دیگری از کریستال پیزوالکتریک به سرامیک های پیزوالکتریک گفته می شود، مانند تیتانات باریم (BaTiO3)، تیتانات سرب زیرکونات Pb(ZrxTirx)O3، بیسموت سرب منیزیم زیرکونات تیتانات ساخت ژاپن، اضافه شده به PZT، بیسموت منگنز ساخت چین. سرب زیرکونات تیتانات Pb(Mn1/2Sb2/3)O3 به PIT اضافه شد.

 

دی الکتریک یک عایق است که می تواند الکترود شود. استفاده از دی الکتریک بسیار گسترده است. رسانایی دی الکتریک عنصر سرامیکی پیزوالکتریک بسیار کم است، همراه با خواص مقاومت دی الکتریک خوب، که می تواند برای ساخت عایق های الکتریکی استفاده شود. علاوه بر این، دی الکتریک را می توان به شدت رسوب داد و یک ماده خازن عالی است. مطالعه خواص دی الکتریک شامل ذخیره و اتلاف انرژی الکتریکی و مغناطیسی در ماده است. این مطالعه برای توضیح پدیده های مختلف الکترونیک، اپتیک و فیزیک حالت جامد بسیار مهم است. خواص دی الکتریک به خواص ذخیره و از دست دادن انرژی الکترواستاتیکی تحت تأثیر میدان الکتریکی اشاره دارد که معمولاً با ثابت دی الکتریک و تلفات دی الکتریک بیان می شود. هنگامی که فناوری فرکانس بالا برای موادی مانند کفپوش کامپوزیت چوب جامد اعمال می شود، هنگامی که از پرس گرم با فرکانس بالا استفاده می شود، خواص دی الکتریک بسیار مهم است. هنگامی که محیط با میدان الکتریکی اعمال می شود، بار القایی برای تضعیف میدان الکتریکی ایجاد می شود. نسبت میدان الکتریکی اعمال شده اولیه (در خلاء) به میدان الکتریکی در محیط نهایی گذردهی است که به عنوان نرخ جریان القایی نیز شناخته می شود.

 

در الکترومغناطیس، هنگامی که میدان الکتریکی از دیسک های دکمه ای پیزوالکتریک به دی الکتریک اعمال می شود، یک دوقطبی الکتریکی به دلیل جابجایی نسبی بارهای مثبت و منفی در داخل دی الکتریک ایجاد می شود. این پدیده را پلاریزاسیون الکتریکی می نامند. میدان الکتریکی اعمال شده ممکن است یک میدان الکتریکی خارجی یا یک میدان الکتریکی باشد که توسط بار آزاد تعبیه شده در داخل دی الکتریک ایجاد می شود. دوقطبی الکتریکی تولید شده توسط پلاریزاسیون 'دوقطبی الکتریکی القایی' و ممان دوقطبی الکتریکی آن بر روی گشتاور دوقطبی الکتریکی القایی نامیده می شود. پیزو سرامیک دارای توانایی تشکیل الکترود تحت اثر میدان الکتریکی است. با توجه به کاربرد و عملکرد آنها به عایق های الکتریکی، خازن ها، سرامیک های پیزوالکتریک، پیرو الکتریک و فروالکتریک تقسیم می شوند.

پلاریزاسیون دی الکتریک سرامیکی پیزوالکتریک

 

کریستال های سرامیکی پیزوالکتریک هم دی الکتریک دی الکتریک و هم ناهمسانگرد هستند، بنابراین خواص دی الکتریک کریستال های پیزوالکتریک با دی الکتریک های همسانگرد متفاوت است.

دی الکتریک تحت اثر میدان الکتریکی قطبی می شود و حالت پلاریزاسیون حالتی است که در آن میدان الکتریکی یک نیروی جابجایی نسبی بر روی نقطه شارژ دی الکتریک و تعادل موقت جاذبه متقابل بین بارها اعمال می کند. میدان الکتریکی علت خارجی پلاریزاسیون است. علت داخلی پلاریزاسیون در فضای داخلی رسانه نهفته است. با فرآیندهای میکروسکوپی داخل محیط، سه مکانیسم اصلی پلاریزاسیون وجود دارد.

 

(1) اتم یا یونی که دی الکتریک را تشکیل می دهد. تحت عمل یک میدان الکتریکی، یک هسته با بار مثبت با مرکز منفی الکترون پوسته‌اش منطبق نیست و در نتیجه یک گشتاور دوقطبی الکتریکی ایجاد می‌کند. به این قطبش، قطبش جابجایی الکترون می گویند.

(2) یون های مثبت و منفی که دی الکتریک ها را تشکیل می دهند تحت تأثیر میدان الکتریکی جابجا می شوند و در نتیجه یک گشتاور دوقطبی الکتریکی به نام پلاریزاسیون جابجایی یونی ایجاد می شود.

(3) مولکول هایی که دی الکتریک را تشکیل می دهند مولکول های قطبی با یک گشتاور الکتریکی ذاتی معین هستند، اما به دلیل حرکت حرارتی، جهت گیری نامنظم است و ممان الکتریکی کل کل دی الکتریک صفر است. هنگامی که یک میدان الکتریکی خارجی عمل می کند، این گشتاورهای دوقطبی الکتریکی در امتداد میدان بیرونی تراز می شوند، کریستال پیزوالکتریک اولتراسوند یک گشتاور دوقطبی الکتریکی ماکروسکوپیک در دی الکتریک تولید می کند که به آن قطبش جهت گیری می گویند.

 

1. قطبش جابه جایی یک مولکول بی نهایت

 

هنگامی که دی الکتریک بدون الکترود در یک میدان الکتریکی خارجی تحت تأثیر نیروی میدان الکتریکی قرار می گیرد، مراکز بار مثبت و منفی مولکول جابجایی های نسبی ایجاد می کنند تا یک دوقطبی الکتریکی تشکیل دهند و گشتاورهای دوقطبی الکتریکی معادل آنها P در امتداد جهت میدان الکتریکی جهت گیری می کنند. برای یک پیزوالکتریک دی الکتریک به عنوان یک کل، از آنجایی که هر مولکول در دی الکتریک دوقطبی های الکتریکی را تشکیل می دهد، آنها در دی الکتریک مرتب می شوند. بارهای مثبت و منفی دوقطبی های الکتریکی مجاور در دی الکتریک به یکدیگر نزدیک هستند. اگر دی الکتریک یکنواخت باشد، از نظر الکتریکی در سراسر آن خنثی می ماند، اما در سطح دی الکتریک که عمود بر شدت میدان الکتریکی خارجی E0 است. به ترتیب بارهای مثبت و منفی وجود خواهند داشت که نمی توانند دی الکتریک را ترک کنند و نمی توانند آزادانه در دی الکتریک حرکت کنند، این پدیده بارهای پلاریزه شده در دی الکتریک تحت تأثیر میدان الکتریکی خارجی را پلاریزاسیون دی الکتریک می نامند. هرچه میدان الکتریکی خارجی قوی‌تر باشد، جابه‌جایی نسبی بین مراکز بار مثبت و منفی هر مولکول بیشتر باشد، گشتاور دوقطبی الکتریکی مولکول بزرگ‌تر باشد، بارهای پلاریزه‌تر روی هر دو سطح دی‌الکتریک ظاهر شوند و پلاریزه‌تر شوند. هنگامی که میدان الکتریکی خارجی مبدل پیزوالکتریک فرکانس تشدید حذف می شود، مراکز بارهای مثبت و منفی دوباره بر هم منطبق می شوند (P = 0)، بنابراین این نوع مولکول را می توان به عنوان یک دوقطبی الکتریکی الاستیک در نظر گرفت که نیروی الاستیک آن توسط دو بار الکتریکی معادل به هم متصل است. بزرگی گشتاور دوقطبی الکتریکی P با شدت میدان متناسب است. از آنجایی که قطبش مولکول بی نهایت در جابجایی نسبی مرکز بارهای مثبت و منفی است، اغلب به آن بیت می گویند.

 

پلاریزاسیون جهت دار مولکول های قطبی

 

در مورد دی الکتریک مولکولی قطبی، مرکز بارهای مثبت و منفی در مولکول معادل یک دوقطبی الکتریکی است. تحت عمل میدان الکتریکی خارجی، تحت یک لحظه قرار می گیرد، به طوری که گشتاور دوقطبی الکتریکی مولکول به جهت میدان الکتریکی تبدیل می شود. به دلیل تداخل حرکت حرارتی مولکولی، این فرمان کوچک است و تراز کردن گشتاورهای دوقطبی الکتریکی همه مولکول ها در امتداد جهت میدان الکتریکی غیرممکن است. هرچه میدان الکتریکی خارجی سرامیک پیزوالکتریک الکترود پیزوالکتریک قوی تر باشد، ترتیب فرمان گشتاور دوقطبی الکتریکی مولکول مرتب تر است. در سطح ماکروسکوپی، بارهای پلاریزه بیشتر در هر دو سطح عمود بر دی الکتریک و میدان الکتریکی خارجی ظاهر می شود، درجه پلاریزاسیون بالاتر است. هنگامی که میدان الکتریکی خارجی حذف می شود، جهت گشتاور دوقطبی الکتریکی مولکول به دلیل حرکت حرارتی مولکول ها به یک آرایش نامنظم تبدیل می شود و دی الکتریک هنوز خنثی است. قطبش مولکول های قطبی در جهتی است که دوقطبی الکتریکی معادل به میدان الکتریکی خارجی می چرخد، بنابراین به آن قطبش جهت گیری می گویند. به طور کلی، در حالی که مولکول ها به طور همزمان قطبی می شوند، قطبش جابجایی نیز وجود دارد. اگرچه فرآیندهای میکروسکوپی قطبش دو نوع دی الکتریک، قطبی متفاوت است، اما اثرات ماکروسکوپی یکسان است. بارهای قطبی شده اعداد مختلف حسگرهای صفحه پیزوالکتریک روی دو سطح مخالف دی الکتریک ظاهر می شوند و میدان الکتریکی خارجی افزایش می یابد. بارهای قطبی تر ظاهر می شوند. بنابراین، هنگامی که پدیده پلاریزاسیون دی الکتریک به صورت ماکروسکوپی در زیر توضیح داده می شود، لازم نیست برای بحث به دو نوع دی الکتریک تقسیم شود.

3. فروالکتریک کریستال های سرامیکی پیزوالکتریک

 

پلاریزاسیون برخی دی الکتریک ها بسیار خاص است. در یک محدوده دمایی مشخص، ثابت دی الکتریک آنها ثابت نیست، اما با شدت میدان تغییر می کند و پس از حذف میدان الکتریکی خارجی، این دی الکتریک ها خنثی نیستند. قطبی شدن باقی مانده وجود دارد. به منظور مشابه با این واقعیت که مواد فرومغناطیسی می توانند مغناطیسی باقی بمانند، این ویژگی مبدل سرامیکی پیزو اغلب به عنوان فروالکتریکی شناخته می شود. دی الکتریک فروالکتریک فروالکتریک نامیده می شود. در میان آنها، سرامیک های تیتانات باریم (BaTiO3)، سدیم پتاسیم تارتارات تک کریستال (NaKC4H4O6⋅H2O) و مانند آن برجسته ترین هستند. فروالکتریک ها پسماند در طول فرآیند رسوب الکتریکی نشان می دهند. حلقه پسماند نشان می دهد که پلاریزاسیون بین جسم فروالکتریک و میدان الکتریکی اعمال شده غیرخطی است و قطبش معکوس می شود که میدان الکتریکی خارجی معکوس شود. وارونگی پلاریزاسیون نتیجه وارونگی دامنه است، بنابراین حلقه هیسترزیس وجود دامنه ها را در فروالکتریک نشان می دهد. به اصطلاح دامنه ها مناطق کوچکی هستند که جهت قطبش خود به خود در فروالکتریک ها یکنواخت هستند و حوزه ها. مرز بین آنها دیوار دامنه نامیده می شود. بلورهای فروالکتریک محصولات سرامیکی پیزوالکتریک معمولاً چند دامنه هستند، قطبش خود به خود در هر حوزه یک جهت دارد و قطبش خود به خود در حوزه های مختلف قوی است.

 

برای فروالکتریک های پلی کریستالی، هیچ نظمی بین جهت گیری های نسبی پلاریزاسیون خود به خودی در حوزه های مختلف برای کل پلی کریستال به دلیل دلبخواهی کامل جهت گیری محورهای کریستالی بین دانه ها وجود ندارد.

فروالکتریک ها عموماً خود به خود حوزه های منفرد را تشکیل نمی دهند، اما کریستال های چند دامنه ای را می توان تحت یک میدان الکتریکی خارجی قوی تک دامنه ای کرد. تحت عمل یک میدان الکتریکی قوی خارجی، حجم دامنه قطبش خود به خود در کریستال چند دامنه ای موازی یا نزدیک به جهت میدان خارجی به سرعت به دلیل تشکیل هسته های دامنه جدید و حرکت دیواره های دامنه گسترش می یابد و حجم دامنه در جهات دیگر به سرعت کاهش می یابد. کوچک ناپدید می شود، که کل کریستال را به یک دامنه تبدیل می کند. تحت عمل میدان الکتریکی خارجی، فرآیند دینامیکی هسته دامنه جدید و حرکت دیواره دامنه، فرآیند برگشت دامنه نامیده می شود. این معکوس دارای برخی ویژگی های پسماند است، بنابراین فروالکتریک حلقه پسماند فوق الذکر را نشان می دهد.

 

در نظر گرفتن یک تک کریستال پیزو این فرض است که جهت قطبش خود به خودی فقط دو احتمال دارد. مثبت و منفی در امتداد یک محور کریستالی مشخص است. جهت میدان الکتریکی خارجی موازی با محور قطبش است. وقتی میدان الکتریکی خارجی صفر باشد، قطبش حوزه های مجاور در کریستال مخالف است و گشتاور الکتریکی کل کریستال صفر است. هنگامی که میدان الکتریکی خارجی به تدریج افزایش می یابد، حجم دامنه جهت قطبش خود به خودی مخالف جهت میدان الکتریکی به تدریج به دلیل وارونگی حوزه کاهش می یابد و آن حوزه ها همان جهت را دارند که میدان الکتریکی به تدریج گسترش می یابد، به طوری که کریستال در جهت میدان خارجی قرار می گیرد. شدت با افزایش میدان الکتریکی افزایش می یابد. وقتی میدان الکتریکی عنصر دیسک پیزوالکتریک به اندازه‌ای افزایش می‌یابد که تمام حوزه‌های معکوس در کریستال را به میدان خارجی معکوس کند، کریستال به یک حوزه تبدیل می‌شود، قطبش کریستال به اشباع می‌رسد و سپس میدان الکتریکی افزایش می‌یابد. پلاریزاسیون به صورت خطی با میدان الکتریکی افزایش می یابد (همانند قطبش یک دی الکتریک معمولی) و به حداکثر مقدار Pmax می رسد که تابعی از میدان الکتریکی با بالاترین قطبش است. هنگامی که بخش خطی به میدان الکتریکی صفر برون یابی می شود، Ps قطع شده در محور عمودی، قطبش اشباع نامیده می شود، که در واقع قطبش خود به خودی هر حوزه است. هنگامی که میدان الکتریکی از C شروع به کاهش می کند، قطبش به تدریج در امتداد منحنی CB کاهش می یابد. هنگامی که میدان الکتریکی جزء سرامیکی پیزوالکتریک به صفر می رسد، قطبش به مقدار معینی Pr کاهش می یابد که به آن قطبش باقیمانده فروالکتریک می گویند. هنگامی که میدان الکتریکی تغییر جهت می دهد و در جهت منفی به Ec افزایش می یابد، قطبش به صفر کاهش می یابد، میدان الکتریکی معکوس به افزایش خود ادامه می دهد و پلاریزاسیون معکوس می شود. Ec قدرت میدان اجباری فروالکتریک نامیده می شود. با ادامه افزایش میدان الکتریکی معکوس، پلاریزاسیون همچنان در جهت گرادیان منفی افزایش می‌یابد و به یک مقدار اشباع (-Pr) در جهت منفی می‌رسد و مبدل پیزوالکتریک اولتراسونیک به یک کریستال تک دامنه تبدیل می‌شود که دارای قطبش منفی است. اگر میدان الکتریکی به طور مداوم از یک مقدار منفی بالا به یک مقدار مثبت بالا تغییر کند، دامنه مثبت شروع به تشکیل و رشد می کند تا زمانی که کل کریستال دوباره به یک کریستال منفرد با قطبش رو به جلو تبدیل شود. در طی این فرآیند، پلاریزاسیون به نقطه C در امتداد بخش FGH خط بازگشت باز می گردد. بنابراین، تحت عمل یک میدان الکتریکی متناوب بزرگ، میدان الکتریکی یک هفته تغییر می کند و فرآیند فوق یک بار تکرار می شود و حلقه پسماند نشان داده شده است. ناحیه محصور شده توسط خط برگشت انرژی مورد نیاز برای معکوس کردن دوبار قطبش است.