Analisis ciri seramik piezoelektrik

 kesan piezoelektrik dan kesan dielektrik seramik piezoelektrik

 

Kesan piezoelektrik ialah apabila sesetengah dielektrik diubah bentuk oleh daya luaran dalam arah tertentu, polarisasi berlaku di dalam, dan cas bertentangan positif dan negatif muncul pada dua permukaan bertentangannya. Apabila daya luar dialihkan, ia akan kembali ke keadaan tidak dicas. Fenomena ini dipanggil kesan piezoelektrik positif. Apabila arah daya berubah, kekutuban cas juga berubah. Sebaliknya, apabila medan elektrik digunakan dalam arah polarisasi dielektrik, dielektrik ini juga berubah bentuk, dan ubah bentuk dielektrik hilang selepas medan elektrik dikeluarkan. Fenomena ini dipanggil kesan piezoelektrik songsang atau electrostriction. Satu jenis sensor yang dibangunkan berdasarkan kesan piezoelektrik dielektrik dipanggil sensor kristal piezoelektrik.

 

 

Mana-mana medium dalam medan elektrik akan menyebabkan ubah bentuk medium disebabkan oleh kesan polarisasi teraruh, dan ubah bentuk ini berbeza daripada ubah bentuk yang disebabkan oleh kesan piezoelektrik songsang. Dielektrik mungkin berubah bentuk secara elastik oleh daya luaran, penderia ketukan seramik piezoelektrik mungkin berubah bentuk oleh polarisasi medan elektrik luaran. Ubah bentuk akibat polarisasi teraruh adalah berkadar dengan kuasa dua medan elektrik luaran, yang merupakan kesan elektrostriktif. Ubah bentuk yang dihasilkannya adalah bebas daripada arah medan elektrik luaran. Ubah bentuk yang disebabkan oleh kesan piezoelektrik songsang adalah berkadar dengan medan elektrik luaran, dan apabila medan elektrik diterbalikkan, ubah bentuk juga berubah (contohnya, pemanjangan asal boleh dipendekkan, atau pemendekan asal boleh ditukar kepada pemanjangan). Di samping itu, kesan elektrostriktif terdapat dalam semua dielektrik, sama ada bukan piezoelektrik atau piezoelektrik hanya mempunyai kesan elektrostriktif bagi kristal dielektrik struktur berbeza. Kesan piezoelektrik songsang hanya terdapat dalam kristal seramik piezoelektrik.

 

Hablur seramik piezo bahan PZT yang menghasilkan kesan piezoelektrik dipanggil kristal piezoelektrik. Satu jenis kristal piezoelektrik ialah kristal tunggal seperti kuarza (SiO2), natrium kalium tartrat (juga dikenali sebagai garam Loser, NaKC4H4O6.H2O), bismut ruthenate (Bi12GeO20). Satu lagi jenis kristal piezoelektrik dipanggil pada seramik piezoelektrik, seperti barium titanate (BaTiO3), plumbum zirkonat titanat Pb(ZrxTirx)O3, bismut magnesium zirkonat titanat buatan Jepun, ditambah kepada PZT, bismut mangan buatan China. Plumbum zirkonat titanat Pb(Mn1/2Sb2/3)O3 telah ditambah kepada PIT.

 

Dielektrik ialah penebat yang boleh dielektrod. Penggunaan dielektrik agak meluas. Kekonduksian dielektrik unsur seramik piezoelektrik adalah sangat rendah, ditambah pula dengan sifat kekuatan dielektrik yang baik, yang boleh digunakan untuk membuat penebat elektrik. Di samping itu, dielektrik boleh sangat elektrodeposit dan merupakan bahan kapasitor yang sangat baik. Kajian sifat dielektrik melibatkan penyimpanan dan pelesapan tenaga elektrik dan magnet dalam bahan. Kajian ini amat penting untuk menerangkan pelbagai fenomena elektronik, optik dan fizik keadaan pepejal. Sifat dielektrik merujuk kepada sifat penyimpanan dan kehilangan tenaga elektrostatik di bawah tindakan medan elektrik, biasanya dinyatakan oleh pemalar dielektrik dan kehilangan dielektrik. Apabila teknologi frekuensi tinggi digunakan pada bahan, seperti lantai komposit kayu pepejal, sifat dielektrik sangat penting apabila tekanan panas frekuensi tinggi digunakan. Apabila medium digunakan dengan medan elektrik, cas teraruh dijana untuk melemahkan medan elektrik. Nisbah medan elektrik terpakai asal (dalam vakum) kepada medan elektrik dalam medium akhir ialah ketelusan, juga dikenali sebagai kadar arus teraruh.

 

Dalam elektromagnetisme, apabila medan elektrik cakera butang piezoelektrik digunakan pada dielektrik, dipol elektrik dijana disebabkan oleh anjakan relatif cas positif dan negatif di dalam dielektrik. Fenomena ini dipanggil polarisasi elektrik. Medan elektrik yang digunakan mungkin merupakan medan elektrik luaran atau medan elektrik yang dihasilkan oleh cas percuma yang tertanam di dalam dielektrik. Dipol elektrik yang dihasilkan oleh polarisasi dipanggil 'dipol elektrik induktif', dan momen dipol elektriknya dipanggil pada momen dipol elektrik induktif. Seramik Piezo mempunyai keupayaan membentuk elektrod di bawah tindakan medan elektrik. Terbahagi kepada penebat elektrik, kapasitor, piezoelektrik, piroelektrik dan seramik feroelektrik mengikut penggunaan dan prestasinya.

Polarisasi dielektrik seramik piezoelektrik

 

Hablur seramik piezoelektrik adalah dielektrik dielektrik dan anisotropik, jadi sifat dielektrik kristal piezoelektrik adalah berbeza daripada dielektrik isotropik.

Dielektrik terkutub di bawah tindakan medan elektrik, dan keadaan polarisasi ialah keadaan di mana medan elektrik mengenakan daya sesaran relatif pada titik cas dielektrik dan keseimbangan sementara tarikan bersama antara cas. Medan elektrik adalah punca luaran polarisasi. Punca dalaman polarisasi terletak pada bahagian dalam medium. Dengan proses mikroskopik di dalam medium, terdapat tiga mekanisme utama polarisasi.

 

(1) Atom atau ion yang membentuk dielektrik. Di bawah tindakan medan elektrik, nukleus bercas positif tidak bertepatan dengan pusat negatif elektron shellnya, dengan itu menghasilkan momen dipol elektrik. Polarisasi ini dipanggil polarisasi anjakan elektron.

(2) Ion positif dan negatif yang membentuk dielektrik mengalami sesaran relatif di bawah tindakan medan elektrik, menghasilkan momen dipol elektrik yang dipanggil polarisasi anjakan ion.

(3) Molekul yang membentuk dielektrik adalah molekul kutub dengan momen elektrik intrinsik tertentu, tetapi disebabkan oleh gerakan haba, orientasi tidak teratur, dan jumlah momen elektrik keseluruhan dielektrik adalah sifar. Apabila medan elektrik luaran bertindak, momen dipol elektrik ini akan diselaraskan di sepanjang medan luar, kristal piezoelektrik ultrabunyi menghasilkan momen dipol elektrik makroskopik dalam dielektrik, yang dipanggil polarisasi orientasi.

 

1. Polarisasi anjakan bagi molekul tak terhingga

 

Apabila dielektrik tanpa elektrod berada dalam medan elektrik luaran di bawah tindakan daya medan elektrik, pusat cas positif dan negatif molekul akan menghasilkan sesaran relatif untuk membentuk dipol elektrik, dan momen dipol elektrik setaranya P berorientasikan sepanjang arah medan elektrik. Untuk piezoelektrik dielektrik secara keseluruhan, kerana setiap molekul dalam dielektrik membentuk dipol elektrik, ia disusun dalam dielektrik. Caj positif dan negatif dipol elektrik bersebelahan dalam dielektrik adalah rapat antara satu sama lain. Jika dielektrik adalah seragam, ia kekal neutral elektrik di seluruhnya, tetapi pada permukaan dielektrik yang berserenjang dengan kekuatan medan elektrik luaran E0. Akan ada cas positif dan negatif, masing-masing, yang tidak boleh meninggalkan dielektrik dan tidak boleh bergerak bebas dalam dielektrik, Fenomena cas terkutub dalam dielektrik di bawah tindakan medan elektrik luaran dipanggil polarisasi dielektrik. Semakin kuat medan elektrik luaran, semakin besar anjakan relatif antara pusat cas positif dan negatif setiap molekul, semakin besar momen dipol elektrik molekul, semakin banyak cas terkutub muncul pada kedua-dua permukaan dielektrik, dan semakin tinggi terpolarisasi. Apabila medan elektrik luaran transduser piezoelektrik frekuensi resonans dikeluarkan, pusat cas positif dan negatif sekali lagi bertepatan (P = 0), jadi molekul jenis ini boleh dianggap sebagai dipol elektrik kenyal yang daya keanjalannya disambungkan oleh dua cas elektrik yang setara. Magnitud momen dipol elektrik P adalah berkadar dengan kekuatan medan. Oleh kerana polarisasi molekul tak terhingga terletak pada anjakan relatif pusat cas positif dan negatif, ia sering dipanggil sedikit.

 

Polarisasi berorientasikan molekul polar

 

Bagi dielektrik molekul polar, pusat cas positif dan negatif dalam molekul adalah bersamaan dengan dipol elektrik. Di bawah tindakan medan elektrik luar, ia akan tertakluk kepada seketika, supaya momen dipol elektrik P molekul bertukar ke arah medan elektrik. Oleh kerana gangguan pergerakan haba molekul, stereng ini adalah kecil, dan adalah mustahil untuk menyelaraskan momen dipol elektrik semua molekul di sepanjang arah medan elektrik. Medan elektrik luaran yang lebih kuat seramik piezoelektrik elektrod piezoelektrik, lebih kemas susunan stereng momen dipol elektrik molekul. Pada peringkat makroskopik, lebih banyak cas terkutub muncul pada kedua-dua permukaan berserenjang dengan dielektrik dan medan elektrik luaran, semakin tinggi tahap polarisasi. Apabila medan elektrik luar dialihkan, arah momen dipol elektrik molekul menjadi susunan yang tidak teratur disebabkan oleh gerakan terma molekul, dan dielektrik masih neutral. Polarisasi molekul polar terletak pada arah di mana dipol elektrik yang setara bertukar ke medan elektrik luaran, jadi ia dipanggil polarisasi orientasi. Secara umum, sementara molekul terkutub pada masa yang sama, terdapat juga polarisasi anjakan. Walaupun proses mikroskopik polarisasi dua jenis dielektrik, polar adalah berbeza, tetapi kesan makroskopik adalah sama. Caj terkutub bagi nombor yang berbeza Penderia plat piezoelektrik muncul pada dua permukaan bertentangan dielektrik, dan medan elektrik luaran meningkat. semakin banyak cas terkutub muncul. Oleh itu, apabila fenomena polarisasi dielektrik diterangkan secara makroskopik di bawah, tidak perlu membahagikan kepada dua jenis dielektrik untuk perbincangan.

3. Ferroelektrik hablur seramik piezoelektrik

 

Polarisasi beberapa dielektrik adalah sangat istimewa. Dalam julat suhu tertentu, pemalar dielektrik mereka tidak tetap, tetapi berbeza dengan kekuatan medan, dan selepas mengeluarkan medan elektrik luaran, dielektrik ini tidak neutral. Terdapat polarisasi sisa. Untuk menjadi analog dengan fakta bahawa bahan feromagnetik boleh kekal bermagnet, sifat transduser seramik piezo ini sering dirujuk sebagai ferroelektrik. Dielektrik ferroelektrik dipanggil ferroelektrik. Antaranya, seramik barium titanate (BaTiO3), kristal tunggal natrium kalium tartrat (NaKC4H4O6⋅H2O) dan seumpamanya adalah yang paling menonjol. Ferroelektrik akan mempamerkan histerisis semasa proses elektrodeposisi. Gelung histerisis menunjukkan bahawa polarisasi antara badan ferroelektrik dan medan elektrik yang digunakan adalah tak linear, dan polarisasi diterbalikkan apabila medan elektrik luaran diterbalikkan. Penyongsangan polarisasi adalah hasil penyongsangan domain, jadi gelung histerisis menunjukkan kehadiran domain dalam ferroelektrik. Domain yang dipanggil adalah kawasan kecil di mana arah polarisasi spontan dalam feroelektrik adalah seragam, dan domain. Sempadan di antara mereka dipanggil dinding domain. Hablur feroelektrik produk seramik piezoelektrik biasanya berbilang domain, polarisasi spontan dalam setiap domain mempunyai arah yang sama, dan polarisasi spontan dalam domain yang berbeza adalah kuat.

 

Untuk ferroelektrik polikristalin, tidak ada keteraturan antara orientasi relatif polarisasi spontan dalam domain yang berbeza untuk keseluruhan polihablur disebabkan oleh kesewenang-wenangan lengkap orientasi paksi kristal antara butiran.

Ferroelektrik umumnya tidak membentuk domain tunggal secara spontan, tetapi kristal multidomain boleh dimonodomain di bawah medan elektrik luaran yang kuat. Di bawah tindakan medan elektrik luaran yang kuat, volum domain polarisasi spontan dalam kristal berbilang domain selari atau dekat dengan arah medan luaran akan berkembang pesat disebabkan oleh pembentukan nukleus domain baru dan pergerakan dinding domain, dan volum domain ke arah lain akan berkurangan dengan cepat. Kecil hilang, yang menjadikan seluruh kristal menjadi satu domain. Di bawah tindakan medan elektrik luaran, proses dinamik nukleus domain baru dan gerakan dinding domain dipanggil proses pembalikan domain. Pembalikan ini mempunyai beberapa ciri histerisis, jadi ferroelektrik mempamerkan gelung histeresis yang disebutkan di atas.

 

Memandangkan kristal piezo tunggal mengandaikan bahawa orientasi polarisasi spontan hanya mempunyai dua kemungkinan. ia adalah positif dan negatif di sepanjang paksi kristal tertentu; arah medan elektrik luaran adalah selari dengan paksi polarisasi. Apabila medan elektrik luaran adalah sifar, polarisasi domain bersebelahan dalam kristal adalah bertentangan, dan jumlah momen elektrik kristal adalah sifar. Apabila medan elektrik luaran ditingkatkan secara beransur-ansur, isipadu domain arah polarisasi spontan yang bertentangan dengan arah medan elektrik akan beransur-ansur berkurangan disebabkan penyongsangan domain, dan domain tersebut mempunyai arah yang sama dengan medan elektrik akan berkembang secara beransur-ansur, supaya kristal berada dalam arah medan luaran. Keamatan meningkat dengan peningkatan medan elektrik. Apabila medan elektrik unsur cakera piezoelektrik meningkat cukup untuk membalikkan semua domain terbalik dalam kristal ke medan luaran, kristal menjadi domain tunggal, polarisasi kristal mencapai tepu, dan kemudian medan elektrik meningkat. Polarisasi akan meningkat secara linear dengan medan elektrik (sama seperti polarisasi dielektrik biasa) dan mencapai nilai maksimum Pmax, yang merupakan fungsi medan elektrik polarisasi tertinggi. Apabila bahagian linear diekstrapolasi kepada medan elektrik sifar, Ps pintasan yang terhasil pada paksi menegak dipanggil polarisasi tepu, yang sebenarnya merupakan polarisasi spontan setiap domain. Apabila medan elektrik mula berkurangan dari C, polarisasi akan beransur-ansur berkurangan sepanjang lengkung CB. Apabila medan elektrik komponen seramik piezoelektrik dikurangkan kepada sifar, polarisasi berkurangan kepada nilai Pr tertentu, yang dipanggil polarisasi sisa feroelektrik. Apabila medan elektrik berubah arah dan meningkat kepada Ec dalam arah negatif, polarisasi berkurangan kepada sifar, medan elektrik songsang terus meningkat, dan polarisasi diterbalikkan. Ec dipanggil kekuatan medan paksaan ferroelektrik. Apabila medan elektrik terbalik terus meningkat, polarisasi terus meningkat dalam arah kecerunan negatif dan mencapai nilai tepu (-Pr) dalam arah negatif, dan transduser piezoelektrik ultrasonik menjadi kristal domain tunggal yang mempunyai polarisasi negatif. Jika medan elektrik berubah secara berterusan daripada nilai negatif yang tinggi kepada nilai positif yang tinggi, domain positif mula terbentuk dan berkembang semula sehingga keseluruhan kristal menjadi kristal domain tunggal dengan polarisasi hadapan semula. Semasa proses ini, polarisasi dikembalikan ke titik C di sepanjang bahagian FGH garis balik. Oleh itu, di bawah tindakan medan elektrik berselang-seli yang besar, medan elektrik berubah selama satu minggu, dan proses di atas diulang sekali, menunjukkan gelung histerisis yang ditunjukkan. Kawasan yang dikelilingi oleh garis balik ialah tenaga yang diperlukan untuk menyongsangkan polarisasi dua kali.