Proces piezoelektričnog keramičkog fizičkog mehanizma

Piezoelektrična keramika je polikristalni film s piezoelektričnim učinkom, a proizvodni proces je dobio ime po sličnom proizvodnom procesu (sitnjenje sirovog materijala, kalupljenje, sinteriranje na visokoj temperaturi). Neki anizotropni piezo kristali podliježu deformaciji pod mehaničkom silom, uzrokujući relativno pomicanje nabijenih čestica,Piezo keramički disk od PZT materijala dovodi do pozitivnih i negativnih vezanih naboja na površini piezo kristala. Ova pojava se naziva piezoelektrični efekt. Ovo svojstvo kristala naziva se piezoelektricitet. Piezoelektricitet su 1880. otkrili braća J. Curie i P. Curie. Nekoliko mjeseci kasnije eksperimentalno su potvrdili inverzni piezoelektrični efekt, to jest, kada se napon primijeni na piezo kristal, piezo kristal će doživjeti geometrijsku deformaciju. Prije 1940. godine bile su poznate samo dvije vrste feroelektrika (ne samo spontano polarizirani u određenom temperaturnom rasponu, već i spontana polarizacija kristala koji se mogu preorijentirati zbog jakosti vanjskog polja): jedan je ostatak soli i nešto blisko srodnog tartarata; jedan je kalijev dihidrogenfosfat i njegov ekvivalent. Prvi ima piezoelektricitet na normalnoj temperaturi i ima tehničku uporabnu vrijednost, ali ima nedostatak što se lako otapa; potonji ima piezoelektricitet na niskim temperaturama (manje od -14 C), a tehnička uporabna vrijednost nije velika. Utvrđeno je da barijev titanat (BaTiO) ima abnormalno visoku dielektričnu konstantu između 1942. i 1945. Ubrzo je otkriveno da je piezoelektričan, a otkriće BaTi O piezoelektrične keramike bio je kvantni skok u piezoelektričnim materijalima. Ranije je postojao samo piezoelektrični monokristalni materijal, a nakon toga se pojavio piezoelektrični polikristalni materijal, piezoelektrična keramika, koja se naširoko koristila. Godine 1947. Sjedinjene Države koristile su BaTiO keramiku za izradu magneta za fonografe. Japan ga je upotrijebio dvije godine kasnije od Sjedinjenih Država. BaTiO ima nedostatak što je piezoelektricitet slabiji od soli u mirovanju i piezoelektricitet je veći od piezo kvarcnog kristala s temperaturom. Godine 1954. B. Jaffe i drugi otkrili su piezoelektrični PbZrO-PbTiO (PZT) sustav čvrste otopine, što je događaj koji stvara epohu i koji je onemogućio proizvodnju uređaja u eri BaTiO. Od tada je razvijena PZT prozirna piezoelektrična keramika kako bi se proširila primjena piezoelektrične keramike na polje optike. Dosadašnja primjena piezoelektrične keramike, od razvoja svemira do života obitelji, iznimno je opsežna. Kinesko istraživanje piezoelektrične keramike započelo je kasnih 1950-ih, oko 10 godina kasnije nego u inozemstvu. Trenutačno postoje prilično jake snage u probnoj proizvodnji i industrijskoj proizvodnji piezoelektrične keramike. Mnogi materijali dosegli su ili su blizu međunarodne razine.

Fizikalni mehanizam piezokeramičkog piezoelektriciteta

Piezoelektrične keramike su polikristali čija se piezoelektričnost može objasniti piezoelektričnosti piezoelektrični diskovi kristal . Pod djelovanjem mehaničke sile mijenja se ukupni električni dipolni moment (polarizacija), što rezultira piezoelektričnim fenomenom. Piezoelektricitet je usko povezan s polarizacijom, deformacijom.

Mikroskopski mehanizam polarizacije
Stanje polarizacije je stanje u kojem električno polje djeluje relativnom silom pomaka na nabijenu točku dielektrika i privremenu ravnotežu međusobnog privlačenja između naboja. Postoje tri glavna mehanizma polarizacije.

(1) Polarizacija pomaka elektrona—Atom ili ion dielektrika ne podudara se sa središtem negativnog naboja pozitivno nabijene jezgre i ljuske elektrona pod djelovanjem sile električnog polja.
(2) Polarizacija ionskog pomaka—pozitivni i negativni ioni dielektrika relativno su pomaknuti pod djelovanjem sile električnog polja, stvarajući tako električni dipolni moment.
(3) Orijentacijska polarizacija—polarne molekule koje čine dielektrik imaju određeni intrinzični (inherentni) električni moment. Uslijed toplinskog gibanja, orijentacija je poremećena, ukupni električni moment je jednak nuli. Kada se primijeni električno polje, smjer električnog polja se poravna i pojavljuje se makroskopski električni dipolni moment.
Za anizotropne kristale, odnos između polarizacije i električnog polja

2. Piezoelektrični učinak

(1) Pozitivan piezoelektrični učinak
Kada se keramički pretvornik peizoelektričnih diskova deformira se vanjskom silom, središta pozitivnog i negativnog naboja se relativno pomaknu, a na nekim odgovarajućim stranama generiraju se suprotni naboji i javlja se intenzitet polarizacije. Ovaj fenomen nepostojanja električnog polja i polarizacije deformacijom naziva se pozitivni piezoelektrični učinak.

Za anizotropne kristale, napon se primjenjuje na piezo kristal, a kristal će pokazati proporcionalnu polarizaciju u tri smjera X, Y i Z, koji se nazivaju konstanta piezoelektričnog naprezanja i konstanta piezoelektričnog naprezanja.

(2) Inverzni piezoelektrični učinak
Kada se električno polje primijeni na kristal, ne stvara se samo polarizacija, već i deformacija, a ovaj fenomen deformacije električnim poljem naziva se inverzni piezoelektrični efekt. To je zato što kada je kristal podvrgnut električnom polju, naprezanje (piezoelektrično naprezanje) se stvara unutar kristala, a piezoelektrično naprezanje nastaje naprezanjem.
.
3. Mehanizam djelovanja pritiska

Piezoelektrični efekt je prvi put otkriven na piezo kristalima. Sada koristimo kristale PZT materijala kao model za ilustraciju fizičkog mehanizma piezoelektričnog učinka.

Kada nema pritiska, pozitivni i negativni centri naboja piezo kristala su raspoređeni. U to vrijeme se centar pozitivnog i negativnog naboja podudara, a ukupni električni moment piezo kristala jednak je nuli, a površina kristala nije nabijena (nije piezoelektrična).

Kada se senzor tlaka primijeni u smjeru x, materijalni kristal se deformira, a centri pozitivnog i negativnog naboja se odvajaju, odnosno mijenja se električni dipol, tako da dolazi do nakupljanja naboja na X ravnini.
Kada se primjenjuje pritisak u smjeru osi Y, ovdje je prikazana raspodjela središta pozitivnog i negativnog naboja kristala, kada se ukupni električni moment dipola mijenja i uzrokuje nakupljanje naboja na X ravnini nasuprot fronti. Očito, zamjena prethodne tlačne sile s vlačnom silom ukazuje da je predznak naboja obrnut. Ukratko, kada se senzor tlaka primijeni na piezoelektrični kristal, može doći do piezoelektričnog učinka.