圧電セラミックスの物理的メカニズムのプロセス

圧電セラミックスは圧電効果をもつ多結晶膜であり、その製造工程（原料の粉砕、成形、高温焼結）に似ていることからその名がつきました。一部の異方性ピエゾ結晶は機械的な力を受けると変形し、荷電粒子が相対的に移動します。PZT 材料のピエゾ セラミック ディスク により、ピエゾ結晶の表面に正と負の束縛電荷が生じます。この現象は圧電効果と呼ばれます。結晶のこの性質は圧電性と呼ばれます。圧電は、1880 年に J. キュリー兄弟と P. キュリー兄弟によって発見されました。数か月後、彼らは逆圧電効果、つまり電圧が圧電結晶に印加されると圧電結晶が幾何学的変形を受けることを実験的に検証しました。 1940 年以前には、強誘電体は 2 種類しか知られていませんでした (特定の温度範囲で自発分極するだけでなく、外部磁場の強さによって再配向できる結晶の自発分極も同様)。1 つは残りの塩といくつかの密接に関連した酒石酸塩です。 1 つはリン酸二水素カリウムとその同等物です。前者は常温で圧電性を有し技術的利用価値があるが、溶解しやすいという欠点がある。後者は低温（-14℃以下）でも圧電性を持ち、工学的利用価値は大きくありません。チタン酸バリウム (BaTiO) は、1942 年から 1945 年にかけて異常に高い誘電率を持つことが発見されました。すぐに圧電性であることが判明し、BaTiO 圧電セラミックスの発見は圧電材料における飛躍的な進歩でした。以前は圧電単結晶材料しかありませんでしたが、その後圧電多結晶材料である圧電セラミックスが登場し広く使われるようになりました。 1947 年、米国は蓄音機のピックアップの製造に BaTiO セラミックを使用しました。日本は米国より2年遅れてこの制度を導入した。 BaTiO には、圧電性が静止塩よりも弱く、圧電性が温度とともに圧電水晶よりも大きくなるという欠点があります。 1954 年に B. Jaffe らが圧電 PbZrO-PbTiO (PZT) 固溶体系を発見しました。これは、BaTiO 時代のデバイス作製を不可能にした画期的な出来事です。それ以来、圧電セラミックスの応用を光学分野に広げるために、PZT 透明圧電セラミックスが開発されました。これまでのところ、圧電セラミックスの応用は、宇宙の発展から家族の生活に至るまで、非常に広範囲にわたっています。中国における圧電セラミックスの研究は、諸外国に比べて約10年遅れて1950年代後半に始まりました。現在、圧電セラミックスの試作、工業生産には非常に強い勢力が存在しています。多くの資料は国際レベルに達しているか、それに近いものになっています。

圧電セラミックスの圧電の物理的メカニズム

圧電セラミックスは多結晶体であり、その圧電性は圧電性によって説明できます。 圧電ディスククリスタル。機械的な力の作用により、総電気双極子モーメント (分極) が変化し、圧電現象が発生します。圧電は分極、変形と密接に関係しています。

分極の微視的メカニズム
分極状態とは、電場が誘電体の帯電点に相対的な変位力を及ぼし、電荷間の相互引力が一時的に平衡している状態です。主な分極メカニズムは 3 つあります。

(1) 電子変位分極 - 誘電体の原子またはイオンは、電場力の作用下で、正に帯電した原子核および殻電子の負の電荷中心と一致しません。
(2) イオン変位分極 - 誘電体の正イオンと負イオンが電場力の作用下で相対的に変位し、それによって電気双極子モーメントが生成されます。
(3) 配向分極 - 誘電体を構成する極性分子は、特定の固有 (固有) 電気モーメントを持っています。熱運動により配向が乱れ、総電気モーメントはゼロとなります。電場を加えると、電場の方向が揃い、巨視的な電気双極子モーメントが現れます。
異方性結晶の場合、分極と電場の関係

2. 圧電効果

(1) 正の圧電
効果 圧電ディスクセラミックトランスデューサ は外力によって変形し、正と負の電荷中心が相対的に移動し、対応するいくつかの面に逆の電荷が発生し、分極強度が発生します。この電界が無く変形により分極する現象を正の圧電効果と呼びます。

異方性結晶の場合、圧電結晶に応力がかかり、結晶は X、Y、Z の 3 方向に比例分極を示します。これらの分極は、それぞれ圧電応力定数および圧電ひずみ定数と呼ばれます。

(2) 逆圧電効果
結晶に電場を加えると分極だけでなく変形も生じ、この電場により変形する現象を逆圧電効果といいます。これは、結晶に電界がかかると結晶内部に応力（圧電応力）が発生し、その応力により圧電歪みが発生するためである。
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3. 圧力効果のメカニズム

圧電効果は、圧電結晶で最初に発見されました。ここでは、圧電効果の物理的メカニズムを説明するためのモデルとして PZT 材料の結晶を使用します。

圧力が加えられていない場合、ピエゾ結晶の正と負の電荷中心は分散されます。このとき、正と負の電荷中心は一致し、圧電結晶の全電気モーメントはゼロに等しく、結晶表面は帯電しません（非圧電）。

x方向に圧力センサーを加えると、材料の結晶が変形し、正負の電荷中心が分離、つまり電気双極子が変化し、X面に電荷の蓄積が起こります。
Y 軸方向に圧力を加えると、総電気双極子モーメントが変化し、正面の反対側の X 面に電荷の蓄積が生じるときの、結晶の正と負の電荷中心の分布がここに示されています。明らかに、以前の圧縮力が引張力に置き換えられているということは、電荷の符号が反転していることを示しています。つまり、圧力センサーを圧電結晶に適用すると、圧電効果が生じる可能性があります。