Pietsosähköisten keraamisten ominaisuuksien analyysi

 pietsosähköinen vaikutus ja pietsosähköisen keramiikan dielektrinen vaikutus

 

Pietsosähköinen vaikutus on se, että kun jotkut eristeet muuttavat muotoaan ulkoisen voiman vaikutuksesta tiettyyn suuntaan, tapahtuu sisällä polarisaatiota ja niiden kahdelle vastakkaiselle pinnalle ilmaantuu positiivisia ja negatiivisia vastakkaisia ​​varauksia. Kun ulkoinen voima poistetaan, se palaa varautumattomaan tilaan. Tätä ilmiötä kutsutaan positiiviseksi pietsosähköiseksi efektiksi. Kun voiman suunta muuttuu, myös varauksen napaisuus muuttuu. Päinvastoin, kun sähkökenttä kohdistetaan eristeen polarisaatiosuunnassa, myös nämä eristeet deformoituvat, ja eristeen muodonmuutos katoaa sähkökentän poistamisen jälkeen. Tätä ilmiötä kutsutaan käänteiseksi pietsosähköiseksi efektiksi tai sähköstriktioksi. Eräs erityyppiseen pietsosähköiseen vaikutukseen kehitetty anturi on nimeltään pietsosähköinen kideanturi.

 

 

Mikä tahansa sähkökentässä oleva väliaine aiheuttaa väliaineen muodonmuutoksia indusoidun polarisaation vaikutuksesta, ja tämä muodonmuutos on erilainen kuin käänteisen pietsosähköisen vaikutuksen aiheuttama muodonmuutos. Dielektrinen voi muuttua elastisesti ulkoisen voiman vaikutuksesta, pietsosähköinen keraaminen nakutusanturi voi muuttaa muotoaan ulkoisen sähkökentän polarisaatiosta. Indusoituneesta polarisaation aiheuttama muodonmuutos on verrannollinen ulkoisen sähkökentän neliöön, mikä on sähköstriktiivinen vaikutus. Sen tuottama muodonmuutos on riippumaton ulkoisen sähkökentän suunnasta. Käänteisen pietsosähköisen vaikutuksen aiheuttama muodonmuutos on verrannollinen ulkoiseen sähkökenttään, ja kun sähkökenttä käännetään, myös muodonmuutos muuttuu (esim. alkuperäistä venymää voidaan lyhentää tai alkuperäinen lyhennys voidaan muuttaa venymäksi). Lisäksi sähköstriktiivinen vaikutus on läsnä kaikissa eristeissä, olipa sitten ei-pietsosähköisillä tai pietsosähköisillä vain erirakenteisten dielektristen kiteiden sähköstriktiiviset vaikutukset. Käänteinen pietsosähköinen vaikutus löytyy vain pietsosähköisistä keramiikkakiteistä.

 

PZT-materiaalista valmistettua pietsosähköistä kidettä, joka tuottaa pietsosähköisen vaikutuksen, kutsutaan pietsosähköiseksi kiteeksi. Yksi pietsosähköisten kidetyyppi on yksikiteinen kide, kuten kvartsi (SiO2), natriumkaliumtartraatti (tunnetaan myös nimellä Loser-suola, NaKC4H4O6.H2O), vismuttirutenaatti (Bi12GeO20). Toista pietsosähköistä kidetyyppiä kutsutaan pietsosähköisessä keramiikassa, kuten bariumtitanaatti (BaTiO3), lyijysirkonaattititanaatti Pb(ZrxTirx)O3, Japanissa valmistettu lyijyvismuttimagnesiumzirkonaattititanaatti, lisätty PZT:hen, Kiinassa valmistettu vismuttimangaani. Lyijysirkonaattititanaatti Pb(Mn1/2Sb2/3)O3 lisättiin PIT:hen.

 

Dielektrinen on eriste, joka voidaan elektrodeisoida. Eristeiden käyttö on melko laajaa. Pietsosähköisen keraamisen elementin dielektrinen johtavuus on erittäin alhainen yhdistettynä hyviin dielektrisyysominaisuuksiin, joita voidaan käyttää sähköeristeiden valmistukseen. Lisäksi eriste voi olla erittäin sähkösaostettu ja se on erinomainen kondensaattorimateriaali. Dielektristen ominaisuuksien tutkimus käsittää sähköisen ja magneettisen energian varastoinnin ja hajauttamisen materiaalin sisällä. Tämä tutkimus on erittäin tärkeä elektroniikan, optiikan ja puolijohdefysiikan eri ilmiöiden selittämiseksi. Dielektriset ominaisuudet viittaavat sähköstaattisen energian varastoinnin ja häviämisen ominaisuuksiin sähkökentän vaikutuksesta, yleensä ilmaistuna dielektrisyysvakiolla ja dielektrisellä häviöllä. Kun materiaaleihin, kuten massiivipuukomposiittilattioihin, sovelletaan suurtaajuustekniikkaa, dielektriset ominaisuudet ovat erittäin tärkeitä, kun käytetään suurtaajuista kuumapuristusta. Kun väliaineeseen kohdistetaan sähkökenttä, syntyy indusoitu varaus, joka heikentää sähkökenttää. Alkuperäisen käytetyn sähkökentän (tyhjiössä) suhde lopullisen väliaineen sähkökenttään on permittiivisyys, joka tunnetaan myös indusoituneena virran nopeudena.

 

Sähkömagnetismissa, kun pietsosähköisten painikekiekkojen sähkökenttä kohdistetaan eristeeseen, syntyy sähköinen dipoli johtuen positiivisten ja negatiivisten varausten suhteellisesta siirtymisestä dielektrisen sisällä. Tätä ilmiötä kutsutaan sähköpolarisaatioksi. Käytetty sähkökenttä voi olla ulkoinen sähkökenttä tai eristeen sisään upotetun vapaan varauksen synnyttämä sähkökenttä. Polarisoinnin synnyttämää sähköistä dipolia kutsutaan 'induktiiviseksi sähködipoliksi' ja sen sähköistä dipolimomenttia kutsutaan induktiiviseksi sähködipoliksi. Pietsokeramiikka pystyy muodostamaan elektrodeja sähkökentän vaikutuksesta. Jaettu sähköeristykseen, kondensaattoreihin, pietsosähköiseen, pyrosähköiseen ja ferrosähköiseen keramiikkaan käytön ja suorituskyvyn mukaan.

Pietsosähköisen keraamisen eristeen polarisaatio

 

Pietsosähköiset keraamiset kiteet ovat sekä dielektrisiä että anisotrooppisia eristeitä, joten pietsosähköisten kiteiden dielektriset ominaisuudet poikkeavat isotrooppisten dielektristen ominaisuuksista.

Dielektrinen polarisoituu sähkökentän vaikutuksesta, ja polarisaatiotila on tila, jossa sähkökenttä kohdistaa suhteellisen syrjäytysvoiman eristeen varauspisteeseen ja tilapäisen keskinäisen vetovoiman tasapainon varausten välillä. Sähkökenttä on polarisaation ulkoinen syy. Polarisoitumisen sisäinen syy on väliaineen sisällä. Väliaineen sisällä olevissa mikroskooppisissa prosesseissa on kolme pääasiallista polarisaatiomekanismia.

 

(1) Atomi tai ioni, joka muodostaa eristeen. Sähkökentän vaikutuksesta positiivisesti varautunut ydin ei ole sama kuin sen kuorielektronin negatiivinen keskusta, jolloin syntyy sähköinen dipolimomentti. Tätä polarisaatiota kutsutaan elektronin siirtymäpolarisaatioksi.

(2) Eristeiden muodostavat positiiviset ja negatiiviset ionit siirtyvät suhteellisesti sähkökentän vaikutuksesta, mikä johtaa sähköiseen dipolimomenttiin, jota kutsutaan ionin siirtymäpolarisaatioksi.

(3) Eristeen muodostavat molekyylit ovat polaarisia molekyylejä, joilla on tietty sisäinen sähkömomentti, mutta lämpöliikkeestä johtuen orientaatio on epäsäännöllinen ja koko dielektrisen kokonaissähkömomentti on nolla. Kun ulkoinen sähkökenttä vaikuttaa, nämä sähköiset dipolimomentit kohdistetaan ulompaa kenttää pitkin, ultraäänipietsosähköinen kide tuottaa dielektriseen makroskooppisen sähköisen dipolimomentin, jota kutsutaan orientaatiopolarisaatioksi.

 

1. Äärettömän molekyylin siirtymäpolarisaatio

 

Kun elektroditon dielektrinen aine on ulkoisessa sähkökentässä sähkökentän voiman vaikutuksesta, molekyylin positiiviset ja negatiiviset varauskeskukset tuottavat suhteellisia siirtymiä sähködipolin muodostamiseksi ja niiden vastaavat sähködipolimomentit P suuntautuvat sähkökentän suuntaan. Dielektrisen pietsosähköisen kokonaisuuden osalta, koska jokainen dielektrisen molekyylin molekyyli muodostaa sähköisiä dipoleja, ne on järjestetty eristeeseen. Vierekkäisten sähködipolien positiiviset ja negatiiviset varaukset dielektrissä ovat lähellä toisiaan. Jos eriste on tasainen, se pysyy sähköisesti neutraalina kauttaaltaan, mutta eristeen pinnalla, joka on kohtisuorassa ulkoisen sähkökentänvoimakkuuden E0 suhteen. Tulee vastaavasti positiivisia ja negatiivisia varauksia, jotka eivät voi poistua eristeestä eivätkä voi liikkua vapaasti eristeessä. Tätä eristeen polarisoituneiden varausten ilmiötä ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta kutsutaan dielektrin polarisaatioksi. Mitä voimakkaampi ulkoinen sähkökenttä, sitä suurempi suhteellinen siirtymä kunkin molekyylin positiivisten ja negatiivisten varauskeskusten välillä, sitä suurempi on molekyylin sähköinen dipolimomentti, sitä enemmän polarisoituneita varauksia esiintyy eristeen molemmilla pinnoilla ja mitä polarisoituneempi korkea. Kun resonanssitaajuisen pietsosähköisen muuntimen ulkoinen sähkökenttä poistetaan, positiivisten ja negatiivisten varausten keskipisteet ovat jälleen samat (P = 0), joten tämän tyyppistä molekyyliä voidaan pitää elastisena sähködipolina, jonka kimmovoima on yhdistetty kahdella ekvivalentilla sähkövarauksella. Sähköisen dipolimomentin P suuruus on verrannollinen kentänvoimakkuuteen. Koska äärettömän molekyylin polarisaatio on positiivisten ja negatiivisten varausten keskipisteen suhteellisessa siirtymässä, sitä kutsutaan usein bitiksi.

 

Polaaristen molekyylien suuntautunut polarisaatio

 

Mitä tulee polaariseen molekyylidielektriin, molekyylin positiivisten ja negatiivisten varausten keskus vastaa sähköistä dipolia. Ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta siihen kohdistuu hetki, jolloin molekyylin sähköinen dipolimomentti P kääntyy sähkökentän suuntaan. Molekyylien lämpöliikkeen häiriön vuoksi tämä ohjaus on pieni, eikä kaikkien molekyylien sähköisiä dipolimomentteja ole mahdollista kohdistaa sähkökentän suuntaan. Mitä vahvempi pietsosähköisen elektrodin pietsosähköisen keramiikan ulkoinen sähkökenttä, sitä siistimpi on molekyylin sähköisen dipolimomentin ohjausjärjestys. Makroskooppisella tasolla, mitä enemmän polarisoituneita varauksia ilmaantuu molemmille pinnoille kohtisuorassa dielektriseen ja ulkoiseen sähkökenttään, sitä korkeampi polarisaatioaste. Kun ulkoinen sähkökenttä poistetaan, molekyylin sähköisen dipolimomentin suunnasta tulee epäsäännöllinen järjestely molekyylien lämpöliikkeen vuoksi ja eriste on edelleen neutraali. Polaaristen molekyylien polarisaatio on suunnassa, jossa ekvivalentti sähködipoli kääntyy ulkoiseen sähkökenttään, joten sitä kutsutaan orientaatiopolarisaatioksi. Yleisesti ottaen, vaikka molekyylit ovat polarisoituneita samanaikaisesti, tapahtuu myös siirtymäpolarisaatiota. Vaikka mikroskooppiset prosessit polarisaatio kahden tyyppisten eristeiden, polaarinen on erilainen, mutta makroskooppiset vaikutukset ovat samat. Eristeen kahdelle vastakkaiselle pinnalle ilmaantuu eri lukumääriä polarisoituneita latauksia, ja ulkoinen sähkökenttä kasvaa. sitä enemmän polarisoituneita varauksia ilmaantuu. Siksi, kun eristeen polarisaatioilmiöä kuvataan alla makroskooppisesti, ei ole tarpeen jakaa kahdenlaisia ​​eristeitä keskustelua varten.

3. Pietsosähköisten keraamisten kiteiden ferrosähköisyys

 

Joidenkin eristeiden polarisaatio on hyvin erikoista. Tietyllä lämpötila-alueella niiden dielektriset vakiot eivät ole vakioita, vaan vaihtelevat kentänvoimakkuuden mukaan, ja ulkoisen sähkökentän poistamisen jälkeen nämä eristeet eivät ole neutraaleja. On jäännöspolarisaatiota. Jotta ferromagneettiset materiaalit voivat pysyä magnetoituina, tätä pietsokeraamisen muuntimen ominaisuutta kutsutaan usein ferrosähköisyydeksi. Ferrosähköistä eristettä kutsutaan ferrosähköiseksi. Näistä näkyvimmät ovat bariumtitanaattikeramiikka (BaTiO3), natriumkaliumtartraattiyksikide (NaKC4H4O6⋅H2O) ja vastaavat. Ferrosähköisissä tuotteissa esiintyy hystereesiä sähkösaostusprosessin aikana. Hystereesisilmukka osoittaa, että ferrosähköisen kappaleen ja käytetyn sähkökentän välinen polarisaatio on epälineaarinen, ja polarisaatio kääntyy, kun ulkoinen sähkökenttä käännetään. Polarisaatioinversio on seurausta domeenin inversiosta, joten hystereesisilmukka osoittaa domeenien läsnäolon ferroelektrisessä. Ns. domeenit ovat pieniä alueita, joissa spontaanit polarisaatiosuunnat ferrosähköisissä ovat tasaisia, ja domeenit. Niiden välistä rajaa kutsutaan verkkoalueen seinäksi. Pietsosähköisten keraamisten tuotteiden ferrosähköiset kiteet ovat yleensä monialueisia, spontaani polarisaatio jokaisessa domeenissa on sama, ja spontaani polarisaatio eri domeeneissa on voimakasta.

 

Monikiteisillä ferrosähköisillä materiaaleilla ei ole säännöllisyyttä spontaanin polarisaation suhteellisten orientaatioiden välillä eri alueilla koko monikiteelle, koska kiteen akselien orientaatio on täysin mielivaltainen rakeiden välillä.

Ferrosähköiset eivät yleensä muodosta spontaanisti yksittäisiä domeeneja, mutta monialuekiteet voidaan monodomainoida voimakkaan ulkoisen sähkökentän alaisena. Voimakkaan ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta spontaanin polarisaation domeenitilavuus monidomeenikiteessä ulkoisen kentän suunnan suuntaisesti tai lähellä sitä laajenee nopeasti uusien domeeniytimien muodostumisen ja domeenin seinämien liikkeen seurauksena, ja alueen tilavuus muihin suuntiin pienenee nopeasti. Pieni katoaa, mikä muuttaa koko kristallin yhdeksi alueeksi. Ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta uuden domeenin ytimen ja alueen seinämän liikkeen dynaamista prosessia kutsutaan domeenin kääntymisprosessiksi. Tällä käänteellä on joitain hystereesiominaisuuksia, joten ferrosähköisessä on edellä mainittu hystereesisilmukka.

 

Kun tarkastellaan yksittäistä pietsokidettä, oletetaan, että spontaanin polarisaation orientaatiolla on vain kaksi mahdollisuutta. se on positiivinen ja negatiivinen tietyllä kiteen akselilla; ulkoisen sähkökentän suunta on yhdensuuntainen polarisaatioakselin kanssa. Kun ulkoinen sähkökenttä on nolla, kiteen vierekkäisten domeenien polarisaatio on päinvastainen ja kiteen kokonaissähkömomentti on nolla. Kun ulkoista sähkökenttää asteittain kasvatetaan, sähkökentän suuntaan vastakkaisen spontaanin polarisaatiosuunnan domeenitilavuus pienenee asteittain alueen inversion vuoksi ja näillä alueilla on sama suunta kun sähkökenttä vähitellen laajenee, niin että kide on ulkoisen kentän suunnassa. Voimakkuus kasvaa sähkökentän kasvaessa. Kun pietsosähköisen levyelementin sähkökenttä kasvaa tarpeeksi kääntääkseen kaikki kiteen käänteiset domeenit ulkoiseen kenttään, kiteestä tulee yksi domeeni, kiteen polarisaatio saavuttaa kyllästymisen ja sitten sähkökenttä kasvaa. Polarisaatio kasvaa lineaarisesti sähkökentän mukana (sama kuin tyypillisen eristeen polarisaatio) ja saavuttaa maksimiarvon Pmax, joka on suurimman polarisaation sähkökentän funktio. Kun lineaarinen osa ekstrapoloidaan nollasähkökenttään, tuloksena olevaa leikkauspistettä Ps pystyakselilla kutsutaan kyllästetyksi polarisaatioksi, joka on itse asiassa kunkin alueen spontaani polarisaatio. Kun sähkökenttä alkaa pienentyä C:stä, polarisaatio pienenee vähitellen CB-käyrää pitkin. Kun pietsosähköisen keraamisen komponentin sähkökenttä pienennetään nollaan, polarisaatio pienenee tiettyyn arvoon Pr, jota kutsutaan ferrosähköisen jäännöspolarisaatioksi. Kun sähkökenttä muuttaa suuntaa ja kasvaa Ec:ksi negatiiviseen suuntaan, polarisaatio pienenee nollaan, käänteinen sähkökenttä jatkaa kasvuaan ja polarisaatio käännetään. Ec on nimeltään ferrosähköisen koersitiivisen kentänvoimakkuus. Kun käänteinen sähkökenttä kasvaa edelleen, polarisaatio jatkaa kasvuaan negatiivisessa gradientin suunnassa ja saavuttaa kyllästysarvon (-Pr) negatiiviseen suuntaan, ja ultraäänipietsosähköisestä muuntimesta tulee yksidomeeninen kide, jolla on negatiivinen polarisaatio. Jos sähkökenttä muuttuu jatkuvasti korkeasta negatiivisesta arvosta korkeaan positiiviseen arvoon, positiivinen domeeni alkaa muodostua ja kasvaa uudelleen, kunnes koko kide muuttuu yksidomeenikiteeksi, jossa on jälleen eteenpäin suuntautuva polarisaatio. Tämän prosessin aikana polarisaatio palautetaan pisteeseen C paluulinjan FGH-osaa pitkin. Siten suuren vaihtuvan sähkökentän vaikutuksesta sähkökenttä muuttuu yhdellä viikolla, ja yllä oleva prosessi toistetaan kerran esittäen esitettyä hystereesisilmukkaa. Paluulinjan ympäröimä alue on energia, joka tarvitaan polarisaation kääntämiseen kahdesti.