Analisi delle caratteristiche dei ceramici piezoelettrici

 effetto piezoelettrico ed effetto dielettrico della ceramica piezoelettrica

 

L'effetto piezoelettrico è che quando alcuni dielettrici vengono deformati da una forza esterna in una certa direzione, all'interno avviene la polarizzazione e sulle due superfici opposte degli stessi compaiono cariche opposte positive e negative. Quando la forza esterna viene rimossa, tornerà allo stato scarico. Questo fenomeno è chiamato effetto piezoelettrico positivo. Quando cambia la direzione della forza, cambia anche la polarità della carica. Al contrario, quando viene applicato un campo elettrico nella direzione di polarizzazione del dielettrico, anche questi dielettrici vengono deformati e la deformazione del dielettrico scompare dopo la rimozione del campo elettrico. Questo fenomeno è chiamato effetto piezoelettrico inverso o elettrostrizione. Un tipo di sensore sviluppato sulla base dell'effetto piezoelettrico dielettrico è chiamato sensore a cristalli piezoelettrici.

 

 

Qualsiasi mezzo nel campo elettrico causerà la deformazione del mezzo a causa dell'effetto della polarizzazione indotta, e questa deformazione è diversa dalla deformazione causata dall'effetto piezoelettrico inverso. Il dielettrico può essere deformato elasticamente da una forza esterna, il sensore piezoelettrico ceramico può essere deformato dalla polarizzazione del campo elettrico esterno. La deformazione dovuta alla polarizzazione indotta è proporzionale al quadrato del campo elettrico esterno, che è un effetto elettrostrittivo. La deformazione che produce è indipendente dalla direzione del campo elettrico esterno. La deformazione causata dall'effetto piezoelettrico inverso è proporzionale al campo elettrico esterno e quando il campo elettrico viene invertito, anche la deformazione cambia (ad esempio, l'allungamento originale può essere accorciato o l'accorciamento originale può essere modificato in allungamento). Inoltre, l'effetto elettrostrittivo è presente in tutti i dielettrici, sia non piezoelettrici che piezoelettrici ha solo gli effetti elettrostrittivi dei cristalli dielettrici di diverse strutture. L'effetto piezoelettrico inverso si trova solo nei cristalli di ceramica piezoelettrica.

 

Un cristallo piezoceramico in materiali PZT che produce un effetto piezoelettrico è chiamato cristallo piezoelettrico. Un tipo di cristallo piezoelettrico è un cristallo singolo come il quarzo (SiO2), il tartrato di sodio e potassio (noto anche come sale perdente, NaKC4H4O6.H2O), il rutenato di bismuto (Bi12GeO20). Un altro tipo di cristallo piezoelettrico è chiamato ceramica piezoelettrica, come il titanato di bario (BaTiO3), il titanato di zirconato di piombo Pb(ZrxTirx)O3, il titanato di zirconato di magnesio e bismuto di piombo prodotto in Giappone, aggiunto a PZT, il manganese di bismuto prodotto in Cina. Il piombo zirconato titanato Pb(Mn1/2Sb2/3)O3 è stato aggiunto al PIT.

 

Il dielettrico è un isolante che può essere elettrodelizzato. L'uso dei dielettrici è piuttosto ampio. La conduttività dielettrica dell'elemento ceramico piezoelettrico è molto bassa, abbinata alle buone proprietà di rigidità dielettrica, che possono essere utilizzate per realizzare isolanti elettrici. Inoltre, il dielettrico può essere altamente elettrodepositato ed è un eccellente materiale per condensatori. Lo studio delle proprietà dielettriche comporta l'immagazzinamento e la dissipazione dell'energia elettrica e magnetica all'interno del materiale. Questo studio è estremamente importante per spiegare i vari fenomeni dell'elettronica, dell'ottica e della fisica dello stato solido. Le proprietà dielettriche si riferiscono alle proprietà di accumulo e perdita di energia elettrostatica sotto l'azione di un campo elettrico, solitamente espresse dalla costante dielettrica e dalla perdita dielettrica. Quando la tecnologia ad alta frequenza viene applicata a materiali, come i pavimenti compositi in legno massiccio, le proprietà dielettriche sono molto importanti quando viene utilizzata la pressatura a caldo ad alta frequenza. Quando il mezzo viene applicato con un campo elettrico, viene generata una carica indotta per indebolire il campo elettrico. Il rapporto tra il campo elettrico applicato originale (nel vuoto) e il campo elettrico nel mezzo finale è la permettività, nota anche come velocità della corrente indotta.

 

Nell'elettromagnetismo, quando un campo elettrico di dischi piezoelettrici viene applicato a un dielettrico, viene generato un dipolo elettrico a causa dello spostamento relativo delle cariche positive e negative all'interno del dielettrico. Questo fenomeno è chiamato polarizzazione elettrica. Il campo elettrico applicato può essere un campo elettrico esterno o un campo elettrico generato da una carica libera incorporata all'interno del dielettrico. Il dipolo elettrico generato dalla polarizzazione è chiamato 'dipolo elettrico induttivo' e il suo momento di dipolo elettrico è chiamato momento di dipolo elettrico induttivo. La ceramica piezoelettrica ha la capacità di formare elettrodi sotto l'azione di un campo elettrico. Divisi in isolanti elettrici, condensatori, ceramiche piezoelettriche, piroelettriche e ferroelettriche in base al loro utilizzo e alle prestazioni.

Polarizzazione del dielettrico ceramico piezoelettrico

 

I cristalli ceramici piezoelettrici sono sia dielettrici che anisotropi, quindi le proprietà dielettriche dei cristalli piezoelettrici sono diverse da quelle dei dielettrici isotropi.

Il dielettrico è polarizzato sotto l'azione di un campo elettrico e lo stato di polarizzazione è uno stato in cui il campo elettrico esercita una forza di spostamento relativa sul punto di carica del dielettrico e un equilibrio temporaneo di mutua attrazione tra le cariche. Il campo elettrico è la causa esterna della polarizzazione. La causa interna della polarizzazione risiede all'interno del mezzo. Con i processi microscopici all'interno del mezzo, esistono tre principali meccanismi di polarizzazione.

 

(1) Un atomo o ione che costituisce un dielettrico. Sotto l'azione di un campo elettrico, un nucleo carico positivamente non coincide con il centro negativo del suo guscio elettronico, generando così un momento dipolare elettrico. Questa polarizzazione è chiamata polarizzazione dello spostamento elettronico.

(2) Gli ioni positivi e negativi che compongono i dielettrici subiscono uno spostamento relativo sotto l'azione di un campo elettrico, risultando in un momento dipolare elettrico chiamato polarizzazione dello spostamento ionico.

(3) Le molecole che compongono il dielettrico sono molecole polari con un certo momento elettrico intrinseco, ma a causa del movimento termico l'orientamento è disordinato e il momento elettrico totale dell'intero dielettrico è zero. Quando agisce un campo elettrico esterno, questi momenti di dipolo elettrico saranno allineati lungo il campo esterno, il cristallo piezoelettrico ad ultrasuoni produce un momento di dipolo elettrico macroscopico nel dielettrico, che è chiamato polarizzazione dell'orientamento.

 

1. Polarizzazione dello spostamento di una molecola infinita

 

Quando il dielettrico senza elettrodi si trova in un campo elettrico esterno sotto l'azione della forza del campo elettrico, i centri di carica positiva e negativa della molecola produrranno spostamenti relativi per formare un dipolo elettrico, e i loro momenti di dipolo elettrico equivalenti P sono orientati lungo la direzione del campo elettrico. Per un piezoelettrico dielettrico nel suo insieme, poiché ciascuna molecola nel dielettrico forma dipoli elettrici, questi sono disposti nel dielettrico. Le cariche positive e negative dei dipoli elettrici adiacenti nel dielettrico sono vicine l'una all'altra. Se il dielettrico è uniforme, rimane elettricamente neutro ovunque, ma sulla superficie del dielettrico che è perpendicolare all'intensità del campo elettrico esterno E0. Ci saranno rispettivamente cariche positive e negative che non possono lasciare il dielettrico e non possono muoversi liberamente nel dielettrico. Questo fenomeno di cariche polarizzate nel dielettrico sotto l'azione di un campo elettrico esterno è chiamato polarizzazione del dielettrico. Più forte è il campo elettrico esterno, maggiore è lo spostamento relativo tra i centri di carica positiva e negativa di ciascuna molecola, maggiore è il momento di dipolo elettrico della molecola, più cariche polarizzate appaiono su entrambe le superfici del dielettrico e maggiore è la polarizzazione. Quando il campo elettrico esterno del trasduttore piezoelettrico di frequenza di risonanza viene rimosso, i centri delle cariche positive e negative tornano a coincidere (P = 0), quindi questo tipo di molecola può essere considerata come un dipolo elettrico elastico la cui forza elastica è collegata da due cariche elettriche equivalenti equivalenti. L'entità del momento di dipolo elettrico P è proporzionale all'intensità del campo. Poiché la polarizzazione della molecola infinita risiede nello spostamento relativo del centro delle cariche positiva e negativa, viene spesso chiamata bit.

 

Polarizzazione orientata delle molecole polari

 

Per quanto riguarda il dielettrico molecolare polare, il centro delle cariche positive e negative nella molecola equivale a un dipolo elettrico. Sotto l'azione del campo elettrico esterno, sarà soggetto a un momento, in modo che il momento di dipolo elettrico P della molecola sia rivolto nella direzione del campo elettrico. A causa dell’interferenza del movimento termico molecolare, questo sterzo è minimo ed è impossibile allineare i momenti di dipolo elettrico di tutte le molecole lungo la direzione del campo elettrico. Quanto più forte è il campo elettrico esterno della ceramica piezoelettrica dell'elettrodo piezoelettrico, tanto più ordinato è l'ordine di guida del momento dipolare elettrico della molecola. A livello macroscopico, tanto più le cariche polarizzate appaiono su entrambe le superfici perpendicolari al dielettrico e al campo elettrico esterno, tanto maggiore è il grado di polarizzazione. Quando il campo elettrico esterno viene rimosso, la direzione del momento di dipolo elettrico della molecola diventa una disposizione irregolare a causa del movimento termico delle molecole, e il dielettrico è ancora neutro. La polarizzazione delle molecole polari avviene nella direzione in cui il dipolo elettrico equivalente si rivolge al campo elettrico esterno, quindi è chiamata polarizzazione dell'orientamento. In generale, mentre le molecole sono polarizzate contemporaneamente, esiste anche una polarizzazione per spostamento. Sebbene i processi microscopici di polarizzazione di due tipi di dielettrici, polare siano diversi, ma gli effetti macroscopici sono gli stessi. Sulle due superfici opposte del dielettrico compaiono cariche polarizzate di diverso numero. I sensori della piastra piezoelettrica appaiono e il campo elettrico esterno aumenta. più appaiono le cariche più polarizzate. Pertanto, quando il fenomeno della polarizzazione del dielettrico viene descritto macroscopicamente di seguito, non è necessario dividerlo in due tipi di dielettrici per la discussione.

3. Ferroelettricità di cristalli ceramici piezoelettrici

 

La polarizzazione di alcuni dielettrici è molto particolare. In un certo intervallo di temperature, le loro costanti dielettriche non sono costanti, ma variano con l'intensità del campo e, dopo aver rimosso il campo elettrico esterno, questi dielettrici non sono neutri. C'è polarizzazione residua. Per essere analogo al fatto che i materiali ferromagnetici possono rimanere magnetizzati, questa proprietà del trasduttore piezoceramico viene spesso definita ferroelettricità. Un dielettrico ferroelettrico è chiamato ferroelettrico. Tra questi, i ceramici al titanato di bario (BaTiO3), il cristallo singolo di tartrato di sodio e potassio (NaKC4H4O6⋅H2O) e simili sono i più importanti. I ferroelettrici mostreranno isteresi durante il processo di elettrodeposizione. Il ciclo di isteresi mostra che la polarizzazione tra il corpo ferroelettrico e il campo elettrico applicato non è lineare e la polarizzazione è invertita come è invertito il campo elettrico esterno. L'inversione di polarizzazione è il risultato dell'inversione dei domini, quindi il ciclo di isteresi indica la presenza di domini nel ferroelettrico. I cosiddetti domini sono piccole regioni in cui le direzioni di polarizzazione spontanea nei ferroelettrici sono uniformi, e i domini. Il confine tra loro è chiamato muro del dominio. I cristalli ferroelettrici dei prodotti ceramici piezoelettrici sono generalmente multi-domini, la polarizzazione spontanea in ciascun dominio ha la stessa direzione e la polarizzazione spontanea nei diversi domini è forte.

 

Per i ferroelettrici policristallini, non esiste regolarità tra gli orientamenti relativi di polarizzazione spontanea nei diversi domini dell'intero policristallo a causa della completa arbitrarietà dell'orientamento degli assi cristallini tra i grani.

I ferroelettrici generalmente non formano spontaneamente singoli domini, ma i cristalli multidominio possono essere monodominizzati sotto un forte campo elettrico esterno. Sotto l'azione di un forte campo elettrico esterno, il volume del dominio della polarizzazione spontanea nel cristallo multi-dominio parallelo o vicino alla direzione del campo esterno si espanderà rapidamente a causa della formazione di nuovi nuclei del dominio e del movimento delle pareti del dominio, e il volume del dominio in altre direzioni diminuirà rapidamente. Small scompare, trasformando l'intero cristallo in un unico dominio. Sotto l'azione del campo elettrico esterno, il processo dinamico del nuovo nucleo del dominio e del movimento delle pareti del dominio è chiamato processo di inversione del dominio. Questa inversione ha alcune caratteristiche di isteresi, quindi il ferroelettrico presenta il suddetto ciclo di isteresi.

 

Considerare un singolo piezocristallo significa presupporre che l'orientamento della polarizzazione spontanea abbia solo due possibilità: è positivo e negativo lungo un certo asse del cristallo; la direzione del campo elettrico esterno è parallela all'asse di polarizzazione. Quando il campo elettrico esterno è zero, la polarizzazione dei domini adiacenti nel cristallo è opposta e il momento elettrico totale del cristallo è zero. Quando il campo elettrico esterno aumenta gradualmente, il volume del dominio della direzione di polarizzazione spontanea opposta alla direzione del campo elettrico diminuirà gradualmente a causa dell'inversione del dominio, e quei domini che hanno la stessa direzione del campo elettrico si espanderanno gradualmente, in modo che il cristallo sia nella direzione del campo esterno. L'intensità aumenta con l'aumentare del campo elettrico. Quando il campo elettrico dell'elemento disco piezoelettrico aumenta abbastanza da invertire tutti i domini inversi del cristallo nel campo esterno, il cristallo diventa un singolo dominio, la polarizzazione del cristallo raggiunge la saturazione e quindi il campo elettrico aumenta. La polarizzazione aumenterà linearmente con il campo elettrico (uguale alla polarizzazione di un tipico dielettrico) e raggiungerà un valore massimo Pmax, che è una funzione del campo elettrico di polarizzazione più alta. Quando la porzione lineare viene estrapolata a un campo elettrico pari a zero, l'intercetta risultante Ps sull'asse verticale è chiamata polarizzazione saturata, che in realtà è la polarizzazione spontanea di ciascun dominio. Quando il campo elettrico inizia a diminuire da C, la polarizzazione diminuirà gradualmente lungo la curva CB. Quando il campo elettrico del componente ceramico piezoelettrico viene ridotto a zero, la polarizzazione diminuisce fino a un certo valore Pr, chiamato polarizzazione residua del ferroelettrico. Quando il campo elettrico cambia direzione e aumenta fino a Ec nella direzione negativa, la polarizzazione diminuisce fino a zero, il campo elettrico inverso continua ad aumentare e la polarizzazione è invertita. Ec è chiamata l'intensità del campo coercitivo del ferroelettrico. Man mano che il campo elettrico inverso continua ad aumentare, la polarizzazione continua ad aumentare nella direzione del gradiente negativo e raggiunge un valore di saturazione (-Pr) nella direzione negativa, e il trasduttore piezoelettrico ultrasonico diventa un cristallo a dominio singolo che ha una polarizzazione negativa. Se il campo elettrico cambia continuamente da un valore negativo elevato a un valore positivo elevato, il dominio positivo inizia a formarsi e a crescere nuovamente finché l'intero cristallo diventa nuovamente un cristallo a dominio singolo con polarizzazione diretta. Durante questo processo, la polarizzazione viene restituita al punto C lungo la porzione FGH della linea di ritorno. Pertanto, sotto l'azione di un grande campo elettrico alternato, il campo elettrico cambia di una settimana e il processo sopra descritto viene ripetuto una volta, mostrando il ciclo di isteresi mostrato. L'area racchiusa dalla linea di ritorno rappresenta l'energia necessaria per invertire due volte la polarizzazione.