مواد و ساختار پیزوالکتریک چیست؟

بازدیدها: 7 نویسنده: ویرایشگر سایت زمان انتشار: 2019-10-16 منبع: سایت

پرس و جو کنید

مواد پیزوالکتریک یک ماده دی الکتریک ویژه با اثر پیزوالکتریک و اثر پیزوالکتریک معکوس است. اثر پیزوالکتریک مشخصه برخی از کریستال‌های پیزو است که توسط برادران P. Curie و J. Curie فرانسوی در سال 1880 کشف شد. هنگامی که یک نیروی پیزوالکتریک نیروی مکانیکی (یا فشار آزاد کردن) را بر جهت پیزوالکتریک خود وارد می‌کند، جسم پیزوالکتریک یک پدیده بار و تخلیه ایجاد می‌کند. این پدیده اثر پیزوالکتریک مثبت نامیده می شود. یک میدان الکتریکی که با جهت قطبش یکسان (یا مخالف) باشد، دو اثر ایجاد می کند: یک اثر پیزوالکتریک معکوس و یک اثر الکتریکی. اثر پیزوالکتریک معکوس، یعنی دی الکتریک به طور مکانیکی توسط یک میدان الکتریکی خارجی تغییر شکل می دهد، و بزرگی کرنش متناسب با بزرگی میدان الکتریکی اعمال شده است و جهت مربوط به جهت میدان الکتریکی است. اثر الکتریکی، یعنی میدان دی الکتریک از سرامیک های پیزوالکتریک مواد Pzt به دلیل پلاریزاسیون القایی، کرنش ایجاد می کنند و بزرگی کرنش متناسب با مربع میدان الکتریکی است که مستقل از جهت میدان الکتریکی است. اثر پیزوالکتریک معکوس و اثر الکترواستریکتیو اساساً نتیجه پلاریزاسیون کریستال دی الکتریک تحت تأثیر میدان الکتریکی خارجی است و شبکه مخدوش می شود و از نظر ماکروسکوپی به عنوان کرنش مکانیکی ظاهر می شود.

سرامیک های پیزوالکتریک، سرامیک های پیزوالکتریکی هستند که از اختلاط مواد، تف جوشی در دمای بالا و داشتن یک مجموعه پیزوالکتریک پس از واکنش فاز جامد بین ذرات به دست می آیند. مواد PZT را می توان هم به عنوان عنصر حسگر و هم به عنوان عنصر محرک استفاده کرد و می تواند با مواد دیگر برای تشکیل یک ماده کامپوزیتی جاسازی شود. بنابراین، کاربردهای گسترده ای دارد، مانند جابجایی هواپیما بر روی بال هواپیما و در سیستم های ارتعاشی. کنترل فعال ارتعاش و نویز برای نظارت بر سلامت سازه در تجهیزات.

ویژگی های اصلی کاربرد PZT در ساختار مواد هوشمند عبارتند از:
1 می تواند هم به عنوان درایور و هم به عنوان سنسور استفاده شود.
2 به عنوان راننده، قدرت تحریک آن کم است.
3 سرعت پاسخ سریعتر است، که 100 برابر آلیاژ حافظه شکل است.
اندازه 4 را می توان بسیار کوچک و نازک ساخت، می توان آن را روی سطح سازه نصب کرد یا در ساختار دفن کرد.
5 انعطاف پذیری ترکیبی را می توان به شکل نسبتاً بزرگ یا می توان در قطعات کوچک استفاده کرد.

2 ساختار PZT

ماده PZT یک محلول جامد پیوسته از Pbzro3 و PbTio3 است که در ساختار پروسکایت ABO3 است. مواد PZT که در اوایل دهه 1950 تأسیس شد، یک ماده فروالکتریک پیزوالکتریک فشرده با ارزش کاربردی فنی مهم است. سرامیک های پیزوالکتریک مواد دی الکتریک کریستالی هستند که مرکز تقارن ندارند. دی الکتریک های کریستال پیزو که مرکز تقارن ندارند دارای کریستال گروه 432 نقطه ای با اثر پیزوالکتریک معکوس بسیار کم به دلیل تقارن بسیار بالا هستند. دی الکتریک کریستالی مرکز تقارن توسط اثر پیزوالکتریک معکوس تغییر شکل می دهد. تحت عمل میدان الکتریکی، دی الکتریک قطبی می شود زیرا هیچ پیوند یونی بین تفکیک فرعی و سمت راست ترین یون مثبت (و سایرین) وجود ندارد. بنابراین در طول فرآیند پلاریزاسیون، یک جابجایی نسبی بزرگ می تواند بین آنها رخ دهد، که یک اثر پیزوالکتریک معکوس بزرگ را در سطح ماکروسکوپی نشان می دهد. بیان می شود: S = dE، که متناسب با اندازه میدان الکتریکی است. یعنی در ماده پیزوالکتریک کمیت الکتریکی و کمیت مکانیکی با یکدیگر جفت می شوند و انرژی ذخیره شده در محیط از دو قسمت تشکیل شده است که یک قسمت آن انرژی کرنشی و قسمت دیگر انرژی الکترومغناطیسی است.

بر اساس تئوری دینامیک سازه مدرن، هنگامی که آسیب و نقص در تجهیزات و سازه‌ها مانند ترک، شل شدن پیچ و غیره رخ دهد، ویژگی‌های سختی و امپدانس مکانیکی آن تغییر می‌کند که منجر به تغییر در فرکانس و حالت طبیعی سازه نیز می‌شود. بنابراین، درجه آسیب را می توان به صورت کمی بر اساس تغییر امپدانس مکانیکی ارائه کرد. با این حال، امپدانس دینامیکی مکانیکی با فرکانس متفاوت است و اندازه گیری آن با استفاده از روش های مرسوم دشوار است. با استفاده از ویژگی های خود محرک و خود حسگر عنصر پیزوالکتریک، مواد PZT دیسک های گرد پیزو می توانند به طور همزمان به عنوان یک عنصر محرک و یک عنصر حسگر برای برانگیختن سازه برای به دست آوردن پاسخ دینامیکی سازه عمل کنند و در نتیجه پلی بین مشخصات مکانیکی و اطلاعات الکتریکی، اطلاعات امپدانس دینامیکی مکانیکی ایجاد کنند. تغییرات را می توان با اطلاعات الکتریکی اندازه گیری ساده منعکس کرد. هنگامی که یک ولتاژ خارجی مشخص به سطح ورق سرامیکی پیزوالکتریک اعمال می شود، نیروی سطح جانبی بر روی سطح تیر ایجاد می شود. این نیروهای سطحی تیر را به سمت ایجاد ارتعاشات مختلف سوق می دهند (زمانی که PZT بالا و پایین تحت ولتاژ یکسانی قرار می گیرند، تیر به صورت طولی ارتعاش می کند؛ هنگامی که ولتاژ معکوس اعمال می شود، تیر تحت ارتعاشات خمشی قرار می گیرد). به نوبه خود، ارتعاش باعث تغییر شکل پرتو می شود و ویژگی های تغییر شکل را می توان به شکل سیگنال های الکتریکی از طریق ویژگی های حسگر ورق های سرامیکی پیزوالکتریک منعکس کرد. بنابراین، ویژگی های ورود دینامیکی ورق های سرامیکی پیزوالکتریک چسبانده شده بر روی سازه می تواند وضعیت آسیب سازه را منعکس کند. با توجه به اثر جفت پیزوالکتریک و برهمکنش بین PZT و سازه، پذیرش وابسته به فرکانس (مقابل امپدانس) را می توان به دست آورد. هنگامی که پارامترها و عملکرد PZT ثابت می ماند، امپدانس ساختاری به طور منحصر به فرد مقدار ترم دوم را تعیین می کند. هر گونه تغییر سدیم پیزوالکتریک مربوط به آسیب و نقص ساختاری است، به طوری که آسیب ساختاری را می توان با مقدار سدیم پیزوالکتریک شناسایی کرد.

اجرای پیزو PZT برای نظارت بر سلامت سازه

به دلیل اثر پیزوالکتریک و اثر پیزوالکتریک معکوس عنصر پیزوالکتریک، عنصر پیزوالکتریک دارای عملکرد دوگانه رانندگی و سنجش است و این ویژگی می تواند نظارت بر سلامت سازه را به صورت آنلاین و در زمان واقعی انجام دهد.

بخشی از ماده PZT از طریق یک سیم به منبع تغذیه ای متصل می شود که سیگنال تحریک را تولید می کند، و یک سیگنال تحریک (ولتاژ یا بار) از طریق یک ولتاژ یا منبع قدرت محرک بار به ماده PZT اعمال می شود، زیرا ماده PZT دارای اثر پیزوالکتریک معکوس است، یعنی تغییر شکلی در اثر برخورد میدان الکتریکی PZT ایجاد می شود ماده پایه، بنابراین تغییر شکل خود به ماده پایه منتقل می شود و ماده پایه تغییر شکل داده یا با هم حرکت می کند. در این زمان، PZT معادل یک درایور است و تغییر شکل با دریافت سیگنال تحریک ایجاد می شود. یا برای رانندگی مواد پایه ورزش کنید. در عین حال مقداری ماده PZT بر روی ماده پایه قرار می گیرد و به منبع تغذیه متصل نمی شود و این تغییر شکل یا حرکت در هنگام تغییر شکل یا جابجایی ماده پایه به ماده PZT منتقل می شود. به دلیل اثر پیزوالکتریک ماده PZT، باری در داخل بار ایجاد می شود و مقدار بار با بزرگی تغییر شکل یا حرکت تغییر می کند. در این زمان، مواد PZT معادل یک سنسور است. سپس سیگنال خروجی سنسور PZT توسط دستگاه اندازه‌گیری اندازه‌گیری و جمع‌آوری می‌شود و تغییر شکل یا حرکت مواد پایه می‌تواند در زمان واقعی و آنلاین منعکس شود، در نتیجه نظارت بر سلامت سازه در زمان واقعی و آنلاین انجام می‌شود.

مقایسه داده‌های جمع‌آوری‌شده در زمان واقعی با داده‌های ارتعاش زمانی که سازه نرمال است، برای دیدن اینکه آیا سیگنال خروجی ماده PZT تغییر می‌کند (مانند ترک یا شلی سازه، از نظر تئوری باعث خروجی PZT می‌شود. مبدل سرامیک پیزوالکتریک در سازه تغییر می کند، در صورت تغییر در نظر گرفته می شود که این ساختار شکست خورده است. هنگامی که یک عیب رخ می دهد، سیگنال می تواند به موقع به کنترل کننده منتقل شود تا به موقع با شکست سازه در تحقق آنلاین، پایش بلادرنگ، تشخیص عیب و مدیریت عیب سازه مقابله کند.

ماده PZT می تواند به طور همزمان به عنوان یک عنصر محرک و حسگر برای تحریک ساختار برای به دست آوردن پاسخ دینامیکی سازه عمل کند. رابطه پاسخ دینامیکی بین ورق های سرامیکی پیزوالکتریک و سازه های خارجی با اصل اثرات پیزوالکتریک مثبت و منفی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. هنگامی که ساختار خارجی تغییر می کند، امپدانس پیزوالکتریک مربوطه نیز تغییر می کند. با اندازه گیری میزان پذیرش سیستم پیزوالکتریک می توان وضعیت سازه را پیش بینی کرد. مواد PZT هم برای آسیب های ماکروسکوپی و هم برای آسیب های میکرو مناسب است و چشم انداز خوبی برای نظارت بر سلامت سازه ساختمان ها در آینده دارد.