Analiza karakteristika piezoelektrične keramike

 piezoelektrični učinak i dielektrični učinak piezoelektrične keramike

 

Piezoelektrični učinak je da kada se neki dielektrik deformira vanjskom silom u određenom smjeru, unutar njega dolazi do polarizacije, a pozitivni i negativni suprotni naboji se pojavljuju na njihovim dvjema suprotnim površinama. Kada se vanjska sila ukloni, vratit će se u nenabijeno stanje. Taj se fenomen naziva pozitivnim piezoelektričnim učinkom. Kada se promijeni smjer sile, mijenja se i polaritet naboja. Naprotiv, kada se električno polje primjenjuje u smjeru polarizacije dielektrika, ti se dielektrici također deformiraju, a deformacija dielektrika nestaje nakon uklanjanja električnog polja. Taj se fenomen naziva inverzni piezoelektrični efekt ili elektrostrikcija. Jedna vrsta senzora razvijena na temelju dielektričnog piezoelektričnog efekta naziva se senzor s piezoelektričnim kristalima.

 

 

Svaki medij u električnom polju uzrokovat će deformaciju medija zbog učinka inducirane polarizacije, a ta se deformacija razlikuje od deformacije uzrokovane inverznim piezoelektričnim efektom. Dielektrik se može elastično deformirati vanjskom silom, piezoelektrični keramički senzor detonacije može se deformirati polarizacijom vanjskog električnog polja. Deformacija zbog inducirane polarizacije proporcionalna je kvadratu vanjskog električnog polja, što je elektrostrikcijski učinak. Deformacija koju proizvodi neovisna je o smjeru vanjskog električnog polja. Deformacija uzrokovana obrnutim piezoelektričnim efektom proporcionalna je vanjskom električnom polju, a kada je električno polje obrnuto, deformacija se također mijenja (na primjer, izvorno produljenje se može skratiti ili se izvorno skraćenje može promijeniti u produljenje). Osim toga, elektrostrikcijski učinak prisutan je u svim dielektricima, bilo da su nepiezoelektrični ili piezoelektrični imaju samo elektrostrikcijske učinke dielektričnih kristala različitih struktura. Inverzni piezoelektrični učinak nalazi se samo u piezoelektričnim keramičkim kristalima.

 

Piezo keramički kristal PZT materijala koji proizvodi piezoelektrični učinak naziva se piezoelektrični kristal. Jedna vrsta piezoelektričnog kristala je monokristal kao što je kvarc (SiO2), natrijev kalijev tartarat (također poznat kao gubitnička sol, NaKC4H4O6.H2O), bizmutov rutenat (Bi12GeO20). Druga vrsta piezoelektričnog kristala naziva se piezoelektrična keramika, kao što je barijev titanat (BaTiO3), olovo cirkonat titanat Pb(ZrxTirx)O3, olovo bizmut magnezij cirkonat titanat proizveden u Japanu, dodan PZT-u, bizmut mangan proizveden u Kini. Olovni cirkonat titanat Pb(Mn1/2Sb2/3)O3 dodan je u PIT.

 

Dielektrik je izolator koji se može elektrodeizirati. Upotreba dielektrika je prilično široka. Dielektrična vodljivost piezoelektričnog keramičkog elementa je vrlo niska, zajedno s dobrim svojstvima dielektrične čvrstoće, što se može koristiti za izradu električnih izolatora. Osim toga, dielektrik se može visoko elektrotaložiti i izvrstan je kondenzatorski materijal. Proučavanje dielektričnih svojstava uključuje skladištenje i rasipanje električne i magnetske energije unutar materijala. Ova je studija iznimno važna za objašnjenje različitih fenomena elektronike, optike i fizike čvrstog stanja. Dielektrična svojstva odnose se na svojstva skladištenja i gubitka elektrostatske energije pod djelovanjem električnog polja, obično izražena dielektričnom konstantom i dielektričnim gubitkom. Kada se visokofrekventna tehnologija primjenjuje na materijale, kao što su podovi od punog drva, dielektrična svojstva su vrlo važna kada se koristi visokofrekventno vruće prešanje. Kada se na medij nanese električno polje, stvara se inducirani naboj koji slabi električno polje. Omjer izvorno primijenjenog električnog polja (u vakuumu) i električnog polja u konačnom mediju je permitivnost, također poznata kao brzina inducirane struje.

 

U elektromagnetizmu, kada se električno polje piezoelektričnih gumbastih diskova primijeni na dielektrik, generira se električni dipol zbog relativnog pomaka pozitivnih i negativnih naboja unutar dielektrika. Ovaj fenomen se naziva električna polarizacija. Primijenjeno električno polje može biti vanjsko električno polje ili električno polje generirano slobodnim nabojem ugrađenim u dielektrik. Električni dipol generiran polarizacijom naziva se 'induktivni električni dipol', a njegov električni dipolni moment naziva se induktivni električni dipolni moment. Piezo keramika ima sposobnost formiranja elektroda pod djelovanjem električnog polja. Dijele se na električnu izolaciju, kondenzatore, piezoelektričnu, piroelektričnu i feroelektričnu keramiku prema upotrebi i učinku.

Polarizacija piezoelektričnog keramičkog dielektrika

 

Piezoelektrični keramički kristali su i dielektrični i anizotropni dielektrici, tako da su dielektrična svojstva piezoelektričnih kristala drugačija od onih izotropnih dielektrika.

Dielektrik je polariziran pod djelovanjem električnog polja, a stanje polarizacije je stanje u kojem električno polje djeluje silom relativnog pomaka na točku naboja dielektrika i privremenu ravnotežu međusobnog privlačenja između naboja. Električno polje je vanjski uzrok polarizacije. Unutarnji uzrok polarizacije leži u unutrašnjosti medija. Kod mikroskopskih procesa unutar medija, postoje tri glavna mehanizma polarizacije.

 

(1) Atom ili ion koji čini dielektrik. Pod djelovanjem električnog polja, pozitivno nabijena jezgra ne podudara se s negativnim središtem svoje ljuske elektrona, stvarajući tako električni dipolni moment. Ova polarizacija se naziva polarizacija pomaka elektrona.

(2) Pozitivni i negativni ioni koji čine dielektrike podliježu relativnom pomaku pod djelovanjem električnog polja, što rezultira električnim dipolnim momentom koji se naziva polarizacija pomaka iona.

(3) Molekule koje čine dielektrik su polarne molekule s određenim intrinzičnim električnim momentom, ali zbog toplinskog gibanja orijentacija je poremećena, te je ukupni električni moment cijelog dielektrika jednak nuli. Kada djeluje vanjsko električno polje, ti električni dipolni momenti će biti poravnati duž vanjskog polja, ultrazvučni piezoelektrični kristal proizvodi makroskopski električni dipolni moment u dielektriku, što se naziva orijentacijska polarizacija.

 

1. Pokretna polarizacija beskonačne molekule

 

Kada je dielektrik bez elektrode u vanjskom električnom polju pod djelovanjem sile električnog polja, središta pozitivnog i negativnog naboja molekule proizvest će relativne pomake kako bi formirali električni dipol, a njihovi ekvivalentni električni dipolni momenti P orijentirani su duž smjera električnog polja. Za dielektrični piezoelektrik kao cjelinu, budući da svaka molekula u dielektriku tvori električne dipole, oni su raspoređeni u dielektriku. Pozitivni i negativni naboji susjednih električnih dipola u dielektriku su blizu jedan drugome. Ako je dielektrik jednoličan, on ostaje električki neutralan u cijelom prostoru, ali na površini dielektrika koja je okomita na jakost vanjskog električnog polja E0. Postojat će pozitivni i negativni naboji, koji ne mogu napustiti dielektrik i ne mogu se slobodno kretati u dielektriku. Ovaj fenomen polariziranih naboja u dielektriku pod djelovanjem vanjskog električnog polja naziva se polarizacija dielektrika. Što je jače vanjsko električno polje, to je veći relativni pomak između središta pozitivnog i negativnog naboja svake molekule, što je veći električni dipolni moment molekule, to se više polariziranih naboja pojavljuje na obje površine dielektrika, a više polariziranih viših. Kada se ukloni vanjsko električno polje rezonantne frekvencije piezoelektričnog pretvarača, središta pozitivnih i negativnih naboja ponovno se poklapaju (P = 0), pa se ovaj tip molekule može smatrati elastičnim električnim dipolom čija je elastična sila povezana s dva ekvivalentna ekvivalentna električna naboja. Veličina električnog dipolnog momenta P proporcionalna je jakosti polja. Budući da polarizacija beskonačne molekule leži u relativnom pomaku središta pozitivnih i negativnih naboja, često se naziva bit.

 

Orijentirana polarizacija polarnih molekula

 

Što se tiče polarnog molekularnog dielektrika, središte pozitivnog i negativnog naboja u molekuli je ekvivalentno električnom dipolu. Pod djelovanjem vanjskog električnog polja bit će podvrgnut momentu, tako da je električni dipolni moment P molekule okrenut prema smjeru električnog polja. Zbog interferencije molekularnog toplinskog gibanja, ovo upravljanje je maleno i nemoguće je uskladiti električne dipolne momente svih molekula duž smjera električnog polja. Što je jače vanjsko električno polje piezoelektrične keramike piezoelektrične elektrode, to je redoslijed upravljanja električnim dipolnim momentom molekule uredniji. Na makroskopskoj razini, što se više polariziranih naboja pojavljuje na obje površine okomito na dielektrik i vanjsko električno polje, to je veći stupanj polarizacije. Kada se vanjsko električno polje ukloni, smjer električnog dipolnog momenta molekule postaje nepravilan raspored zbog toplinskog gibanja molekula, a dielektrik je i dalje neutralan. Polarizacija polarnih molekula leži u smjeru u kojem se ekvivalentni električni dipol okreće vanjskom električnom polju, pa se naziva orijentacijska polarizacija. Općenito, dok su molekule polarizirane u isto vrijeme, postoji i polarizacija pomaka. Iako su mikroskopski procesi polarizacije dvije vrste dielektrika, polarni su različiti, ali su makroskopski učinci isti. Polarizirani naboji različitog broja piezoelektričnih pločastih senzora pojavljuju se na dvije suprotne površine dielektrika, a vanjsko električno polje se povećava. pojavljuju se više polarizirani naboji. Stoga, kada je fenomen polarizacije dielektrika makroskopski opisan u nastavku, nije potrebno dijeliti na dvije vrste dielektrika za raspravu.

3. Feroelektricitet piezoelektričnih keramičkih kristala

 

Polarizacija nekih dielektrika je vrlo posebna. U određenom temperaturnom području njihove dielektrične konstante nisu konstantne, već variraju s jakošću polja, a nakon uklanjanja vanjskog električnog polja ti dielektrici nisu neutralni. Postoji zaostala polarizacija. Kako bi bilo analogno činjenici da feromagnetski materijali mogu ostati magnetizirani, ovo svojstvo piezo keramičkog pretvornika često se naziva feroelektričnost. Feroelektrični dielektrik naziva se feroelektrik. Među njima, najistaknutiji su barij-titanat keramika (BaTiO3), monokristal natrij-kalij-tartrat (NaKC4H4O6⋅H2O) i slično. Feroelektrici će pokazivati ​​histerezu tijekom procesa elektrotaloženja. Petlja histereze pokazuje da je polarizacija između feroelektričnog tijela i primijenjenog električnog polja nelinearna, a polarizacija je obrnuta kako je vanjsko električno polje obrnuto. Polarizacijska inverzija rezultat je inverzije domene, tako da petlja histereze ukazuje na prisutnost domena u feroelektriku. Takozvane domene su mala područja u kojima su spontani smjerovi polarizacije u feroelektricima uniformni, a domene. Granica između njih naziva se domenski zid. Feroelektrični kristali piezoelektričnih keramičkih proizvoda obično su multi-domene, spontana polarizacija u svakoj domeni ima isti smjer, a spontana polarizacija u različitim domenama je jaka.

 

Za polikristalne feroelektrike ne postoji pravilnost između relativnih orijentacija spontane polarizacije u različitim domenama za cijeli polikristal zbog potpune proizvoljnosti orijentacije kristalnih osi između zrna.

Feroelektrici općenito ne formiraju spontano pojedinačne domene, ali višedomenski kristali mogu biti monodomainizirani pod jakim vanjskim električnim poljem. Pod djelovanjem jakog vanjskog električnog polja, volumen domene spontane polarizacije u višedomenskom kristalu paralelnom ili blizu smjera vanjskog polja će se brzo proširiti zbog stvaranja novih jezgri domene i pomicanja stijenki domene, a volumen domene u drugim smjerovima će se brzo smanjivati. Mali nestaje, što cijeli kristal pretvara u jednu domenu. Pod djelovanjem vanjskog električnog polja, dinamički proces novog gibanja jezgre domene i stijenke domene naziva se proces reverzije domene. Ovo preokretanje ima neke karakteristike histereze, tako da feroelektrik pokazuje gore spomenutu petlju histereze.

 

Razmatranje pojedinačnog piezo kristala podrazumijeva da orijentacija spontane polarizacije ima samo dvije mogućnosti: pozitivna je i negativna duž određene kristalne osi; smjer vanjskog električnog polja je paralelan s osi polarizacije. Kada je vanjsko električno polje jednako nuli, polarizacija susjednih domena u kristalu je suprotna, a ukupni električni moment kristala jednak je nuli. Kada se vanjsko električno polje postupno povećava, volumen domene spontanog smjera polarizacije suprotnog od smjera električnog polja postupno će se smanjivati ​​zbog inverzije domene, a te domene imaju isti smjer kao i električno polje će se postupno širiti, tako da je kristal u smjeru vanjskog polja. Intenzitet raste s povećanjem električnog polja. Kada se električno polje piezoelektričnog diska dovoljno poveća da preokrene sve reverzne domene u kristalu u vanjsko polje, kristal postaje jedna domena, polarizacija kristala dostiže zasićenje, a zatim se električno polje povećava. Polarizacija će rasti linearno s električnim poljem (isto kao polarizacija tipičnog dielektrika) i doseći maksimalnu vrijednost Pmax, koja je funkcija najveće polarizacije električnog polja. Kada se linearni dio ekstrapolira na nulto električno polje, rezultirajući presjek Ps na okomitoj osi naziva se zasićena polarizacija, što je zapravo spontana polarizacija svake domene. Kada električno polje počne opadati od C, polarizacija će se postupno smanjivati ​​duž CB krivulje. Kada se električno polje piezoelektrične keramičke komponente smanji na nulu, polarizacija se smanjuje na određenu vrijednost Pr, koja se naziva rezidualna polarizacija feroelektrika. Kada električno polje promijeni smjer i poraste do Ec u negativnom smjeru, polarizacija se smanjuje na nulu, obrnuto električno polje nastavlja rasti, a polarizacija se obrće. Ec se naziva jakost koercitivnog polja feroelektrika. Kako se reverzno električno polje nastavlja povećavati, polarizacija nastavlja rasti u smjeru negativnog gradijenta i doseže vrijednost zasićenja (-Pr) u negativnom smjeru, a ultrazvučni piezoelektrični pretvornik postaje kristal s jednom domenom koji ima negativnu polarizaciju. Ako se električno polje kontinuirano mijenja od visoke negativne vrijednosti do visoke pozitivne vrijednosti, pozitivna domena počinje se formirati i ponovno rasti sve dok cijeli kristal ponovno ne postane kristal s jednom domenom s prednjom polarizacijom. Tijekom ovog procesa, polarizacija se vraća u točku C duž FGH dijela povratne linije. Dakle, pod djelovanjem velikog izmjeničnog električnog polja, električno polje se mijenja za jedan tjedan, a gornji proces se ponavlja jednom, pokazujući prikazanu petlju histereze. Područje okruženo povratnom linijom je energija potrebna za dvostruku inverziju polarizacije.