Uvod u piezoelektrične materijale i tehničke parametre

Piezoelektrični materijal piezokeramika su kristalni materijali koji stvaraju napon između svoja dva kraja kada se primijeni pritisak. Godine 1880. francuski fizičari P. Curie i braća J. Curie otkrili su da kada se težak predmet stavi na kvarcni kristal, neke površine kristala stvaraju naboje, a količina naboja proporcionalna je tlaku. Taj se fenomen naziva piezoelektrični efekt. Odmah zatim braća Curie otkrila su inverzni piezoelektrični efekt, odnosno da se piezoelektrično tijelo deformira pod djelovanjem vanjskog električnog polja. Mehanizam piezoelektričnog efekta je: kristal s piezoelektričnosti ima nisku simetriju. Kada se deformira vanjskom silom, relativni pomak pozitivnih i negativnih iona u jediničnoj ćeliji čini da se centri pozitivnog i negativnog naboja više ne preklapaju, što rezultira makroskopskom polarizacijom kristala, dok je površinska gustoća površinskog naboja kristala jednaka projekciji intenziteta polarizacije na normalni smjer površine, tako da kada se piezoelektrični materijal deformira pritiskom, naboji suprotnih predznaka će se pojaviti na dva krajeve piezoelektričnog materijala. Nasuprot tome, kada je piezoelektrični materijal polariziran u električnom polju, materijal se deformira zbog pomaka centra naboja.

 

Piezoelektrični pločasti senzor može generirati električna polja zbog mehaničke deformacije, a također može generirati mehaničku deformaciju zbog djelovanja električnih polja. Ovaj inherentni učinak elektromehaničke sprege čini piezoelektrične materijale naširoko korištenim u inženjerstvu. Na primjer, piezoelektrični materijali korišteni su za izradu pametnih struktura. Osim sposobnosti samopodupiranja, takve strukture također imaju funkcije kao što su samodijagnostika, samoprilagodba i samoozdravljenje, te će igrati važnu ulogu u budućem dizajnu zrakoplova.

 

Tehnički parametri piezoelektričnih materijala:

 

Piezoelektrični koeficijent d33

 

Piezoelektrični koeficijent je koeficijent pretvorbe piezoelektrični keramički kristal koji pretvara mehaničku energiju u električnu energiju ili pretvara električnu energiju u mehaničku energiju, odražavajući vezu između elastičnih svojstava i dielektričnih svojstava piezoelektričnih materijala

 

Slobodna permitivnost ε T33 (slobodna permitivnost)

 

Permitivnost dielektrika pri nultom (ili konstantnom) naprezanju, izražena u faradima/metru.

 

Relativna permitivnost ε Tr3 (relativna permitivnost)

 

Omjer dielektrične konstante ε T33 i dielektrične konstante vakuuma ε 0, ε Tr3= ε T33/ ε 0, bezdimenzijska je fizikalna veličina.

 

Dielektrični gubitak (dielektrični gubitak)

 

Dielektrik je energija izgubljena u dielektriku zbog procesa relaksacije električne polarizacije i propuštanja pod djelovanjem električnog polja.

 

Tangens kuta gubitka tg δ (tangens kuta gubitka)

 

Pod djelovanjem sinusoidnog izmjeničnog električnog polja, struja koja teče u idealnom dielektriku je 90 0 ispred naponske faze, ali u uzorku piezoelektrične keramike, zbog gubitka energije, fazni kut ψ strujnog voda je manji od 900, a njegov komplementarni kut δ ( δ + ψ =900) naziva se kut gubitka, što je bezdimenzionalna fizikalna količina. Ljudi obično koriste tangens gubitka tg δ za predstavljanje veličine dielektričnog gubitka, koji predstavlja omjer aktivne snage (snage gubitka) P dielektrika i reaktivne snage Q . To je: faktor električne kvalitete Qe (faktor električne kvalitete)

 

Vrijednost električnog faktora kvalitete jednaka je recipročnoj vrijednosti tangensa gubitka uzorka, izraženoj s Qe, što je fizikalna veličina bez dimenzija. Ako se paralelni ekvivalentni krug koristi za predstavljanje uzorka piezoelektrične keramike u izmjeničnom električnom polju, tada je Qe=1/ tg δ = ω CR

 

Mehanički faktor kvalitete Qm (mehanički faktor kvalitete)

 

Omjer mehaničke energije pohranjene u piezoelektrični pločasti vibrator u rezonanciji na mehaničku energiju izgubljenu u jednom ciklusu naziva se mehanički faktor kvalitete. Odnos između njega i parametara oscilatora je: Poissonov omjer

 

Poissonov koeficijent odnosi se na omjer bočnog relativnog skupljanja i uzdužnog relativnog istezanja čvrste tvari pod naprezanjem, a bezdimenzionalna je fizikalna veličina izražena s δ : δ = - S 12 /S11

 

Serijska rezonantna frekvencija fs (serijska rezonantna frekvencija)

 

Rezonantna frekvencija serijske grane u ekvivalentnom krugu piezoelektričnog vibratora naziva se serijska rezonantna frekvencija, izražena s fs,

Paralelna rezonantna frekvencija fp (paralelna rezonantna frekvencija)

 

Rezonantna frekvencija paralelne grane u ekvivalentnom krugu piezoelektričnog vibratora naziva se paralelna rezonantna frekvencija, predstavljena s fp, to jest, fp = rezonantna frekvencija fr (rezonantna frekvencija)

 

Niža frekvencija para frekvencija koja čini susceptansu piezoelektričnog vibratora nulom naziva se rezonantna frekvencija, predstavljena fr .

 

Antirezonantna frekvencija fa (antirezonantna frekvencija)

 

Viša frekvencija para frekvencija koja čini susceptanciju piezoelektričnog vibratora nulom naziva se antirezonantna frekvencija, izražena s fa .

 

Maksimalna frekvencija admitancije fm (maksimalna frekvencija admitancije)

 

Frekvencija velike admitancije piezoelektričnog vibratora naziva se velikom admitancijom. U to vrijeme impedancija vibratora je mala, pa se naziva i frekvencija male impedancije, izražena s fm.

 

Mala frekvencija admitancije fn (minimalna frekvencija admitancije)

 

Frekvencija pri kojoj je admitans piezoelektričnog vibratora mala zove se frekvencija male admitancije. U to vrijeme impedancija vibratora je velika, pa se naziva i frekvencija velike impedancije, izražena s f n.

 

osnovna frekvencija

 

Niska rezonantna frekvencija u određenom načinu vibracije naziva se frekvencija visine tona i obično postaje osnovna frekvencija.

 

Frekvencija prizvuka (osnovna frekvencija)

 

Rezonantne frekvencije koje nisu osnovne frekvencije u danom načinu vibracije nazivaju se prizvučnim frekvencijama.

 

temperaturna stabilnost

 

Temperaturna stabilnost odnosi se na značajku da se performanse piezoelektrične keramike mijenjaju s temperaturom.

 

Na određenoj temperaturi, kada se temperatura promijeni za 1 ° C, omjer numeričke promjene određene frekvencije i numeričke vrijednosti frekvencije na ovoj temperaturi naziva se temperaturni koeficijent frekvencije TKf.

 

Osim toga, veliki relativni pomak obično se koristi za karakterizaciju temperaturne stabilnosti određenog parametra.

 

Relativni pomak frekvencije na pozitivnoj temperaturi = △ fs (velika pozitivna temperatura)/fs (25 ℃ )

 

Veliki relativni pomak frekvencije pri negativnoj temperaturi = △ fs (velika negativna temperatura)/fs (25 ℃ )

 

Koeficijent elektromehaničke sprege (ELECTRO MECHANICAL COUPLING COEFFICIENT)

 

Koeficijent elektromehaničke sprege K kvadratni je korijen omjera kvadrata gustoće energije elastično-dielektrične interakcije V122 i produkta pohranjene gustoće elastične energije V1 i gustoće dielektrične energije V2.

 

Piezoelektrična keramika obično koristi sljedećih pet osnovnih koeficijenata sprezanja

 

A. Ravni koeficijent elektromehaničke sprege KP (reflektira polarizaciju i električnu pobudu tankog diska duž smjera debljine i parametar je učinka elektromehaničke sprege tijekom radijalnih vibracija rastezanja.)

 

B. Poprečni koeficijent elektromehaničke sprege K31 (parametri koji odražavaju učinak elektromehaničke sprege vitke trake duž polarizacije u smjeru debljine i električne pobude za vibracije istezanja po duljini.)

 

C. Uzdužni koeficijent elektromehaničke sprege K33 (parametar koji odražava učinak elektromehaničke sprege tanke šipke duž smjera duljine polarizacije i električne pobude za vibracije istezanja po duljini.)

 

D. Elektromehanički koeficijent sprege KT rastezanja po debljini

 

E. Koeficijent elektromehaničke sprege debljine smicanja K15 (odražava polarizaciju pravokutne ploče duž smjera duljine, smjer pobudnog električnog polja je okomit na smjer polarizacije i koristi se kao parametar za učinak elektromehaničke sprege tijekom vibracije posmika debljine.)

 

Konstanta piezoelektrične deformacije D (PIEZOELECTRIC STRAIN CONSTANT)

 

Konstanta piezoelektrične deformacije je omjer promjene komponente deformacije SI prema promjeni EI uzrokovane promjenom komponente električnog polja E pod uvjetom da su i naprezanje T i komponenta električnog polja EM (M ≠ I) konstantni.

 

Konstanta piezoelektričnog napona G (PIEZOELEKTRIČNA KONSTANTA NAPONA)

 

Konstanta je omjer promjene komponente intenziteta električnog polja EI uzrokovane promjenom komponente naprezanja TI i promjene TI pod uvjetom da su i električni pomak D i komponenta naprezanja TN (N ≠ I) konstantni.

 

Curiejeva temperatura TC (CURIEVA TEMPERATURA)

 

Piezoelektrična keramika ima piezoelektrični učinak samo unutar određenog temperaturnog raspona. Ima kritičnu temperaturu TC. Kada je temperatura viša od TC, piezoelektrična keramika prolazi kroz strukturni fazni prijelaz. Ova kritična temperatura TC naziva se Curiejeva temperatura.

 

Temperaturna stabilnost (TEMPERATURSKA STABILNOST)

 

Odnosi se na karakteristike izvedbe piezoelektrični keramički pretvarači koji se mijenjaju s temperaturom. Općenito, postoje dvije metode za opisivanje temperaturne stabilnosti: temperaturni koeficijent ili veliki relativni pomak.

 

Deseterostruka stopa starenja (AGEING RATE PER DECADE) Y predstavlja određeni parametar

 

Konstanta frekvencije (FREQUENCY CONSTANT)

 

Za radijalne i poprečne oblike vibracija istezanja po duljini, konstanta frekvencije je umnožak niza rezonantne frekvencije i dimenzije elementa (promjer ili duljina) koji određuje ovu frekvenciju. Za modele vibracija uzdužne duljine debljine i rastezanja smicanja, frekvencijska konstanta je umnožak paralelne rezonantne frekvencije i veličine vibratora (duljina ili debljina) koja određuje ovu frekvenciju, a njezina jedinica: HZ.M