Processo del meccanismo fisico ceramico piezoelettrico

La ceramica piezoelettrica è una pellicola policristallina con effetto piezoelettrico e il suo processo di produzione prende il nome dal processo di produzione simile (polverizzazione delle materie prime, stampaggio, sinterizzazione ad alta temperatura). Alcuni cristalli piezoelettrici anisotropi subiscono una deformazione sotto forza meccanica, causando uno spostamento relativo delle particelle cariche,Il disco piezoceramico in materiale PZT provoca cariche legate positive e negative sulla superficie del cristallo piezoelettrico. Questo fenomeno è chiamato effetto piezoelettrico. Questa proprietà del cristallo è chiamata piezoelettricità. La piezoelettricità fu scoperta nel 1880 dai fratelli J. Curie e P. Curie. Pochi mesi dopo hanno verificato sperimentalmente l'effetto piezoelettrico inverso, ovvero quando viene applicata una tensione al piezocristallo, il piezocristallo subirà una deformazione geometrica. Prima del 1940 erano conosciuti solo due tipi di ferroelettrici (non solo polarizzati spontaneamente in un certo intervallo di temperature, ma anche polarizzazione spontanea dei cristalli che può essere riorientata a causa dell'intensità del campo esterno): uno è il sale rimanente e un po' di tartrato strettamente correlato; uno è il fosfato monobasico di potassio e il suo equivalente. Il primo ha piezoelettricità a temperatura normale, ha valore d'uso tecnico, ma ha lo svantaggio di essere facile da sciogliere; quest'ultimo ha piezoelettricità a bassa temperatura (meno di -14 C) e il valore d'uso ingegneristico non è elevato. Si scoprì che il titanato di bario (BaTiO) aveva una costante dielettrica anormalmente elevata tra il 1942 e il 1945. Si scoprì presto che era piezoelettrico e la scoperta della ceramica piezoelettrica BaTi O fu un salto di qualità nei materiali piezoelettrici. In precedenza, esisteva solo un materiale piezoelettrico monocristallino, e successivamente è apparso ed è stato ampiamente utilizzato un materiale policristallino piezoelettrico, la ceramica piezoelettrica. Nel 1947, gli Stati Uniti utilizzarono la ceramica BaTiO per realizzare pickup per fonografi. Il Giappone lo ha utilizzato due anni dopo rispetto agli Stati Uniti. BaTiO ha lo svantaggio che la piezoelettricità è più debole del sale a riposo e la piezoelettricità è maggiore del cristallo di quarzo piezoelettrico con la temperatura. Nel 1954, B. Jaffe e altri scoprirono il sistema di soluzione solida piezoelettrica PbZrO-PbTiO (PZT), un evento epocale che rese impossibile fabbricare dispositivi nell'era del BaTiO. Da allora, le ceramiche piezoelettriche trasparenti PZT sono state sviluppate per estendere l'applicazione delle ceramiche piezoelettriche al campo dell'ottica. Finora, l'applicazione della ceramica piezoelettrica, dallo sviluppo dell'universo alla vita familiare, è estremamente ampia. La ricerca cinese sulla ceramica piezoelettrica è iniziata alla fine degli anni '50, circa 10 anni dopo rispetto ai paesi stranieri. Allo stato attuale, ci sono forze piuttosto forti nella produzione sperimentale e nella produzione industriale di ceramiche piezoelettriche. Molti materiali hanno raggiunto o si avvicinano al livello internazionale.

Il meccanismo fisico della piezoelettricità piezoceramica

Le ceramiche piezoelettriche sono policristalli la cui piezoelettricità può essere spiegata dalla piezoelettricità del cristalli di dischi piezoelettrici . Sotto l'azione della forza meccanica, il momento dipolare elettrico totale (polarizzazione) cambia, dando luogo a un fenomeno piezoelettrico. La piezoelettricità è strettamente correlata alla polarizzazione e alla deformazione.

Meccanismo microscopico di polarizzazione
Lo stato di polarizzazione è uno stato in cui il campo elettrico esercita una forza di spostamento relativo sul punto carico del dielettrico e un equilibrio temporaneo di mutua attrazione tra le cariche. Esistono tre principali meccanismi di polarizzazione.

(1) Polarizzazione dello spostamento elettronico: l'atomo o lo ione di un dielettrico non coincide con il centro di carica negativa di un nucleo caricato positivamente e di un guscio elettronico sotto l'azione di una forza di campo elettrico.
(2) Polarizzazione a spostamento lungo: gli ioni positivi e negativi del dielettrico vengono spostati relativamente sotto l'azione di un campo elettrico, generando così un momento di dipolo elettrico.
(3) Polarizzazione dell'orientamento: le molecole polari che compongono il dielettrico hanno un certo momento elettrico intrinseco (inerente). A causa del movimento termico, l'orientamento è disordinato, il momento elettrico totale è zero. Quando viene applicato un campo elettrico, la direzione del campo elettrico è allineata e appare un momento di dipolo elettrico macroscopico.
Per i cristalli anisotropi, relazione tra polarizzazione e campo elettrico

2. Effetto piezoelettrico

(1) Effetto piezoelettrico positivo
Quando il Il trasduttore ceramico dei dischi peizoelettrici viene deformato da una forza esterna, i centri di carica positiva e negativa sono relativamente spostati e le cariche opposte vengono generate su alcune facce corrispondenti e si verifica l'intensità di polarizzazione. Questo fenomeno di assenza di campo elettrico e polarizzazione per deformazione è chiamato effetto piezoelettrico positivo.

Per i cristalli anisotropi, lo stress viene applicato al cristallo piezoelettrico e il cristallo mostrerà una polarizzazione proporzionale nelle tre direzioni X, Y e Z, chiamate rispettivamente costante di stress piezoelettrico e costante di deformazione piezoelettrica.

(2) Effetto piezoelettrico inverso
Quando un campo elettrico viene applicato al cristallo, non viene generata solo la polarizzazione ma anche la deformazione, e questo fenomeno di deformazione da parte del campo elettrico è chiamato effetto piezoelettrico inverso. Questo perché quando il cristallo è sottoposto a un campo elettrico, all'interno del cristallo viene generato uno stress (stress piezoelettrico) e la deformazione piezoelettrica viene generata dallo stress.
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3. Meccanismo dell'effetto della pressione

L'effetto piezoelettrico è stato scoperto per la prima volta sui cristalli piezoelettrici. Ora utilizziamo i cristalli del materiale PZT come modello per illustrare il meccanismo fisico dell'effetto piezoelettrico.

Quando non viene applicata alcuna pressione, i centri di carica positiva e negativa del piezocristallo vengono distribuiti. In questo momento, i centri di carica positiva e negativa coincidono e il momento elettrico totale del piezocristallo è pari a zero e la superficie del cristallo non è carica (non piezoelettrica).

Quando il sensore di pressione viene applicato nella direzione x, il cristallo del materiale viene deformato e i centri di carica positiva e negativa vengono separati, ovvero il dipolo elettrico cambia, in modo che l'accumulo di carica avvenga sul piano X.
Quando viene applicata la pressione nella direzione dell'asse Y, qui viene mostrata la distribuzione dei centri di carica positiva e negativa del cristallo, quando il momento di dipolo elettrico totale cambia e provoca un accumulo di carica sul piano X opposto alla parte anteriore. Ovviamente la sostituzione della precedente forza di compressione con una forza di trazione indica che il segno della carica è invertito. In breve, quando un sensore di pressione viene applicato ad un cristallo piezoelettrico, si può provocare un effetto piezoelettrico.