فرآیند مکانیزم فیزیکی سرامیکی پیزوالکتریک

سرامیک پیزوالکتریک یک فیلم پلی کریستالی با اثر پیزوالکتریک است و فرآیند تولید آن به دلیل فرآیند تولید مشابه آن (پودرسازی مواد اولیه، قالب‌گیری، تف جوشی در دمای بالا) نامگذاری شده است. برخی از کریستال‌های پیزو ناهمسانگرد تحت نیروی مکانیکی تغییر شکل می‌دهند که باعث می‌شود ذرات باردار نسبتاً جابجا شوند.دیسک پیزو سرامیکی مواد PZT منجر به بارهای مثبت و منفی بر روی سطح کریستال پیزو می شود. این پدیده را اثر پیزوالکتریک می نامند. این خاصیت کریستال را پیزوالکتریک می نامند. پیزوالکتریک در سال 1880 توسط برادران J. Curie و P. Curie کشف شد. چند ماه بعد آنها به طور تجربی اثر پیزوالکتریک معکوس را تأیید کردند، یعنی وقتی ولتاژی به کریستال پیزو اعمال می شود، کریستال پیزو دچار تغییر شکل هندسی می شود. قبل از سال 1940، تنها دو نوع فروالکتریک شناخته شده بود (نه تنها به طور خود به خود در یک محدوده دمایی مشخص، بلکه پلاریزاسیون خود به خودی کریستال ها را که می توان به دلیل قدرت میدان خارجی تغییر جهت داد): یکی نمک باقی مانده و مقداری تارتارات نزدیک به هم است. یکی دی هیدروژن فسفات پتاسیم و معادل آن است. اولی دارای پیزوالکتریک در دمای معمولی است، و دارای ارزش استفاده فنی است، اما اشکال آن این است که به راحتی حل می شود. دومی دارای پیزوالکتریک در دمای پایین (کمتر از -14 درجه سانتیگراد) است و ارزش استفاده مهندسی زیاد نیست. باریم تیتانات (BaTiO) بین سال‌های 1942 و 1945 ثابت دی الکتریک غیرعادی بالایی داشت. به زودی پیزوالکتریک بودن آن مشخص شد و کشف سرامیک‌های پیزوالکتریک BaTi O یک جهش کوانتومی در مواد پیزوالکتریک بود. قبلا فقط یک ماده تک کریستال پیزوالکتریک وجود داشت و پس از آن یک ماده پلی کریستالی پیزوالکتریک، سرامیک پیزوالکتریک ظاهر شد و به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفت. در سال 1947، ایالات متحده از سرامیک BaTiO برای ساخت پیکاپ برای گرامافون استفاده کرد. ژاپن دو سال دیرتر از ایالات متحده از آن استفاده کرد. BaTiO این عیب را دارد که پیزوالکتریک ضعیف تر از نمک استراحت و پیزوالکتریک بزرگتر از کریستال پیزو کوارتز با دما است. در سال 1954، B. Jaffe و دیگران سیستم محلول جامد پیزوالکتریک PbZrO-PbTiO (PZT) را کشف کردند، که یک رویداد عصر ساز است که ساخت دستگاه ها را در عصر BaTiO غیرممکن کرد. از آن زمان، سرامیک های پیزوالکتریک شفاف PZT برای گسترش کاربرد سرامیک های پیزوالکتریک در زمینه اپتیک توسعه یافته اند. تا کنون، کاربرد سرامیک های پیزوالکتریک، از توسعه جهان تا زندگی خانواده، بسیار گسترده است. تحقیقات چین در مورد سرامیک های پیزوالکتریک در اواخر دهه 1950، حدود 10 سال دیرتر از کشورهای خارجی، آغاز شد. در حال حاضر، نیروهای کاملا قوی در تولید آزمایشی و تولید صنعتی سرامیک های پیزوالکتریک وجود دارد. بسیاری از مواد به سطح بین المللی رسیده یا نزدیک به آن هستند.

مکانیسم فیزیکی پیزوالکتریک پیزوسرامیک

سرامیک های پیزوالکتریک پلی کریستال هایی هستند که پیزوالکتریک بودن آنها را می توان با پیزوالکتریک بودن آن توضیح داد. دیسک های پیزوالکتریک کریستال . تحت تأثیر نیروی مکانیکی، گشتاور دوقطبی کل الکتریکی (پلاریزاسیون) تغییر می کند و در نتیجه یک پدیده پیزوالکتریک ایجاد می شود. پیزوالکتریک ارتباط نزدیکی با پلاریزاسیون، تغییر شکل دارد.

مکانیسم میکروسکوپی پلاریزاسیون
حالت پلاریزاسیون حالتی است که در آن میدان الکتریکی یک نیروی جابجایی نسبی بر روی نقطه باردار دی الکتریک و یک تعادل موقتی از جاذبه متقابل بین بارها اعمال می کند. سه مکانیسم اصلی قطبش وجود دارد.

(1) قطبش جابجایی الکترون - اتم یا یون یک دی الکتریک با مرکز بار منفی یک هسته با بار مثبت و یک الکترون پوسته تحت اثر نیروی میدان الکتریکی منطبق نیست.
(2) قطبش جابجایی یون - یونهای مثبت و منفی دی الکتریک تحت تأثیر نیروی میدان الکتریکی نسبتاً جابجا می شوند و در نتیجه یک گشتاور دوقطبی الکتریکی ایجاد می کنند.
(3) قطبش جهت گیری - مولکول های قطبی که دی الکتریک را می سازند دارای یک گشتاور الکتریکی ذاتی (ذاتی) هستند. به دلیل حرکت حرارتی، جهت گیری نامنظم است، ممان الکتریکی کل صفر است. هنگامی که یک میدان الکتریکی اعمال می شود، جهت میدان الکتریکی تراز می شود و یک گشتاور دوقطبی الکتریکی ماکروسکوپی ظاهر می شود.
برای کریستال های ناهمسانگرد، رابطه بین قطبش و میدان الکتریکی

2. اثر پیزوالکتریک

(1) اثر پیزوالکتریک مثبت
زمانی که مبدل سرامیکی دیسک‌های پیزوالکتریک توسط یک نیروی خارجی تغییر شکل می‌دهد، مراکز بار مثبت و منفی نسبتاً جابه‌جا می‌شوند و بارهای مخالف در برخی از وجوه متناظر ایجاد می‌شوند و شدت پلاریزاسیون رخ می‌دهد. این پدیده عدم میدان الکتریکی و قطبش با تغییر شکل، اثر پیزوالکتریک مثبت نامیده می شود.

برای کریستال های ناهمسانگرد، تنش به کریستال پیزو اعمال می شود و کریستال یک قطبش متناسب را در سه جهت X، Y و Z نشان می دهد که به ترتیب ثابت تنش پیزوالکتریک و ثابت کرنش پیزوالکتریک نامیده می شوند.

(2) اثر پیزوالکتریک معکوس
هنگامی که یک میدان الکتریکی به کریستال اعمال می شود، نه تنها قطبش، بلکه تغییر شکل نیز ایجاد می شود، و این پدیده تغییر شکل توسط میدان الکتریکی، اثر پیزوالکتریک معکوس نامیده می شود. زیرا هنگامی که کریستال تحت یک میدان الکتریکی قرار می گیرد، تنش (تنش پیزوالکتریک) در داخل کریستال ایجاد می شود و کرنش پیزوالکتریک توسط تنش ایجاد می شود.
.
3. مکانیسم اثر فشار

اثر پیزوالکتریک اولین بار بر روی کریستال های پیزو کشف شد. اکنون ما از کریستال های مواد PZT به عنوان مدلی برای نشان دادن مکانیسم فیزیکی اثر پیزوالکتریک استفاده می کنیم.

هنگامی که فشاری اعمال نمی شود، مراکز بار مثبت و منفی کریستال پیزو توزیع می شوند. در این زمان، مراکز بار مثبت و منفی بر هم منطبق هستند و گشتاور الکتریکی کل کریستال پیزو برابر با صفر است و سطح کریستال باردار نمی شود (نه پیزوالکتریک).

هنگامی که سنسور فشار در جهت x اعمال می شود، کریستال ماده تغییر شکل می دهد و مراکز بار مثبت و منفی از هم جدا می شوند، یعنی دوقطبی الکتریکی تغییر می کند، به طوری که تجمع بار در صفحه X رخ می دهد.
هنگامی که فشار در جهت محور Y اعمال می شود، توزیع مراکز بار مثبت و منفی کریستال در اینجا نشان داده می شود، زمانی که کل گشتاور دوقطبی الکتریکی تغییر می کند و باعث تجمع بار در صفحه X در مقابل جلو می شود. بدیهی است که جایگزینی نیروی فشاری قبلی با نیروی کششی نشان دهنده معکوس شدن علامت بار است. به طور خلاصه، هنگامی که یک سنسور فشار به یک کریستال پیزوالکتریک اعمال می شود، ممکن است یک اثر پیزوالکتریک ایجاد شود.