Principio e classificazione dei materiali del trasduttore ceramico piezoelettrico ad ultrasuoni

Il principio dell'effetto piezoelettrico di un foglio ceramico piezoelettrico ad ultrasuoni è che se viene applicata pressione a un materiale piezoelettrico, si genererà una differenza di potenziale (chiamato effetto piezoelettrico positivo) e se viene applicata una tensione, si genererà uno stress meccanico (chiamato effetto piezoelettrico inverso anello di elementi piezoceramici ). Se la pressione è una vibrazione ad alta frequenza, verrà generata corrente ad alta frequenza. Quando un segnale elettrico ad alta frequenza viene applicato a una ceramica piezoelettrica, viene generato un segnale acustico ad alta frequenza (vibrazione meccanica), che è quello che comunemente chiamiamo segnale ultrasonico. In altre parole, le ceramiche piezoelettriche hanno la funzione di conversione e conversione inversa tra energia meccanica ed energia elettrica. Questo rapporto reciproco è molto interessante.

È diviso in cristalli di ceramica piezoelettrica e elementi piezoceramici ad ultrasuoni . I cristalli piezoelettrici di solito si riferiscono a singoli cristalli piezoelettrici e le ceramiche piezoelettriche di solito si riferiscono a policristalli piezoelettrici. Le ceramiche piezoelettriche sono un tipo di policristalli che si formano mescolando, modellando e sinterizzando materie prime ad alta temperatura con i componenti necessari, nonché particelle fini irregolari ottenute mediante reazione in fase solida e sinterizzazione tra particelle. Le piastre in ceramica piezoelettrica con proprietà piezoelettriche sono chiamate ceramiche piezoelettriche, che in realtà sono piezoceramiche ferroelettriche. I grani di questa piezoceramica hanno domini ferroelettrici. I domini ferroelettrici sono composti da 180 domini con direzioni di polarizzazione spontanea antiparallele e 90 domini con direzioni di polarizzazione spontanea perpendicolari. Nella condizione di polarizzazione artificiale (applicazione di un campo elettrico CC potenziato), questi domini sono perfettamente allineati nella direzione del campo elettrico esterno e la forza di polarizzazione rimanente viene mantenuta dopo la rimozione del campo elettrico esterno, quindi hanno caratteristiche piezoelettriche macroscopiche. Ad esempio, titanato di bario Bt, titanato di zirconato di piombo PZT, titanato di zirconato di piombo modificato, metaniobato di piombo, niobato di litio piombo bario pbln, titanato di piombo modificato pt e simili. Lo sviluppo di successo di questo materiale PZT ha promosso il miglioramento e l'ottimizzazione delle prestazioni di vari dispositivi piezoelettrici di trasduttori acustici ultrasonici e sensori piezoelettrici.

L'effetto piezoelettrico del foglio ceramico piezoelettrico ad ultrasuoni significa che la struttura di alcuni materiali a singolo cristallo piezoelettrico ha caratteristiche asimmetriche. Quando questi materiali PZT sono sottoposti a sollecitazioni e deformazioni applicate, i cambiamenti (deformazione) nella struttura reticolare interna distruggeranno l'originalità della neutralità elettrica. Lo stato macroscopico genera un campo elettrico polarizzato (polarizzazione) e il campo elettrico generato (intensità di polarizzazione) è proporzionale all'entità della deformazione. Questo fenomeno è chiamato effetto piezoelettrico positivo, scoperto dai fratelli Curie nel 1880. Successivamente, nel 1881, si scoprì ulteriormente che questo materiale monocristallino ha anche un effetto piezoelettrico inverso. Quando un materiale con effetto piezoelettrico positivo è soggetto a un campo elettrico esterno, verranno generati stress e deformazione e la deformazione è proporzionale all'entità del campo elettrico esterno. L'effetto piezoelettrico è una caratteristica della struttura cristallina, che è correlata all'asimmetria della struttura cristallina, e l'entità e la natura dell'effetto piezoelettrico sono legate alla direzione dello stress applicato o del campo elettrico rispetto all'asse del cristallo. Esistono diversi PZT singoli materiali cristallini piezoceramici ad alta potenza con effetti piezoelettrici, come cristalli di quarzo naturale (SiO2) e materiali artificiali a cristallo singolo, come solfato di litio (Li2SO4), niobato di litio (LiNbO3) e simili.