Piëzo-elektrische analyse van keramische eigenschappen

 piëzo-elektrisch effect en diëlektrisch effect van piëzo-elektrisch keramiek

 

Het piëzo-elektrische effect is dat wanneer sommige diëlektrica worden vervormd door een externe kracht in een bepaalde richting, polarisatie binnenin optreedt en positieve en negatieve tegengestelde ladingen verschijnen op de twee tegenoverliggende oppervlakken ervan. Wanneer de externe kracht wordt verwijderd, keert deze terug naar de ongeladen toestand. Dit fenomeen wordt het positieve piëzo-elektrische effect genoemd. Wanneer de richting van de kracht verandert, verandert ook de polariteit van de lading. Wanneer daarentegen een elektrisch veld wordt aangelegd in de polarisatierichting van het diëlektricum, worden deze diëlektrica ook vervormd, en verdwijnt de vervorming van het diëlektricum nadat het elektrische veld is verwijderd. Dit fenomeen wordt een omgekeerd piëzo-elektrisch effect of elektrostrictie genoemd. Eén type sensor dat is ontwikkeld op basis van het diëlektrische piëzo-elektrische effect, wordt een piëzo-elektrische kristallensensor genoemd.

 

 

Elk medium in het elektrische veld zal vervorming van het medium veroorzaken als gevolg van het effect van geïnduceerde polarisatie, en deze vervorming verschilt van de vervorming veroorzaakt door het omgekeerde piëzo-elektrische effect. Het diëlektricum kan elastisch worden vervormd door een externe kracht, de piëzo-elektrische keramische klopsensor kan worden vervormd door de polarisatie van het externe elektrische veld. De vervorming als gevolg van de geïnduceerde polarisatie is evenredig met het kwadraat van het externe elektrische veld, wat een elektrostrictief effect is. De vervorming die het veroorzaakt is onafhankelijk van de richting van het externe elektrische veld. De vervorming veroorzaakt door het omgekeerde piëzo-elektrische effect is evenredig met het externe elektrische veld, en wanneer het elektrische veld wordt omgekeerd, verandert de vervorming ook (de oorspronkelijke verlenging kan bijvoorbeeld worden ingekort, of de oorspronkelijke verkorting kan worden gewijzigd in verlenging). Bovendien is het elektrostrictieve effect aanwezig in alle diëlektrica, of ze nu niet-piëzo-elektrisch zijn of piëzo-elektrisch, ze hebben alleen de elektrostrictieve effecten van diëlektrische kristallen met verschillende structuren. Het omgekeerde piëzo-elektrische effect wordt alleen aangetroffen in piëzo-elektrische keramische kristallen.

 

Een piëzo-keramisch kristal van PZT-materiaal dat een piëzo-elektrisch effect produceert, wordt een piëzo-elektrisch kristal genoemd. Eén type piëzo-elektrisch kristal is een enkel kristal, zoals kwarts (SiO2), natriumkaliumtartraat (ook bekend als Loser-zout, NaKC4H4O6.H2O), bismutruthenaat (Bi12GeO20). Een ander type piëzo-elektrisch kristal wordt gebruikt op piëzo-elektrische keramiek, zoals bariumtitanaat (BaTiO3), loodzirkonaattitanaat Pb (ZrxTirx) O3, loodbismutmagnesiumzirkonaattitanaat gemaakt in Japan, toegevoegd aan PZT, bismutmangaan gemaakt in China. Loodzirkonaattitanaat Pb(Mnl/2Sb2/3)O3 werd aan PIT toegevoegd.

 

Diëlektricum is een isolator die kan worden geëlektroduceerd. Het gebruik van diëlektrica is vrij uitgebreid. De diëlektrische geleidbaarheid van piëzo-elektrische keramische elementen is zeer laag, gekoppeld aan de goede diëlektrische sterkte-eigenschappen, die kunnen worden gebruikt om elektrische isolatoren te maken. Bovendien kan het diëlektricum in hoge mate galvanisch worden afgezet en is het een uitstekend condensatormateriaal. De studie van diëlektrische eigenschappen omvat de opslag en dissipatie van elektrische en magnetische energie in het materiaal. Deze studie is van groot belang voor het verklaren van de verschillende fenomenen van de elektronica, de optica en de vastestoffysica. Diëlektrische eigenschappen verwijzen naar de eigenschappen van opslag en verlies van elektrostatische energie onder invloed van een elektrisch veld, meestal uitgedrukt in diëlektrische constante en diëlektrisch verlies. Wanneer hoogfrequente technologie wordt toegepast op materialen, zoals massief houten composietvloeren, zijn diëlektrische eigenschappen erg belangrijk wanneer hoogfrequent warmpersen wordt gebruikt. Wanneer het medium wordt voorzien van een elektrisch veld, wordt een geïnduceerde lading gegenereerd om het elektrische veld te verzwakken. De verhouding tussen het oorspronkelijk aangelegde elektrische veld (in vacuüm) en het elektrische veld in het uiteindelijke medium is de permittiviteit, ook wel de geïnduceerde stroomsnelheid genoemd.

 

Wanneer bij elektromagnetisme een elektrisch veld van piëzo-elektrische knopschijven wordt aangelegd op een diëlektricum, wordt een elektrische dipool gegenereerd als gevolg van de relatieve verplaatsing van de positieve en negatieve ladingen in het diëlektricum. Dit fenomeen wordt elektrische polarisatie genoemd. Het aangelegde elektrische veld kan een extern elektrisch veld zijn of een elektrisch veld dat wordt gegenereerd door een vrije lading ingebed in het diëlektricum. De elektrische dipool die door de polarisatie wordt gegenereerd, wordt 'inductieve elektrische dipool' genoemd, en het elektrische dipoolmoment wordt het inductieve elektrische dipoolmoment genoemd. Piëzo-keramiek heeft het vermogen om elektrodes te vormen onder invloed van een elektrisch veld. Verdeeld in elektrische isolatie, condensatoren, piëzo-elektrische, pyro-elektrische en ferro-elektrische keramiek, afhankelijk van hun gebruik en prestaties.

Polarisatie van piëzo-elektrisch keramisch diëlektricum

 

Piëzo-elektrische keramische kristallen zijn zowel diëlektrische als anisotrope diëlektrica, dus de diëlektrische eigenschappen van piëzo-elektrische kristallen verschillen van die van isotrope diëlektrica.

Het diëlektricum wordt gepolariseerd onder invloed van een elektrisch veld, en de polarisatietoestand is een toestand waarin het elektrische veld een relatieve verplaatsingskracht uitoefent op het laadpunt van het diëlektricum en een tijdelijk evenwicht van wederzijdse aantrekking tussen de ladingen. Het elektrische veld is de externe oorzaak van polarisatie. De interne oorzaak van polarisatie ligt in het binnenste van het medium. Met de microscopische processen in het medium zijn er drie belangrijke polarisatiemechanismen.

 

(1) Een atoom of ion dat een diëlektricum vormt. Onder invloed van een elektrisch veld valt een positief geladen kern niet samen met het negatieve centrum van zijn schilelektron, waardoor een elektrisch dipoolmoment ontstaat. Deze polarisatie wordt elektronenverdringingspolarisatie genoemd.

(2) De positieve en negatieve ionen waaruit de diëlektrica bestaan, ondergaan een relatieve verplaatsing onder invloed van een elektrisch veld, wat resulteert in een elektrisch dipoolmoment dat ionenverplaatsingspolarisatie wordt genoemd.

(3) De moleculen waaruit het diëlektricum bestaat, zijn polaire moleculen met een bepaald intrinsiek elektrisch moment, maar als gevolg van thermische beweging is de oriëntatie verstoord en is het totale elektrische moment van het gehele diëlektricum nul. Wanneer een extern elektrisch veld in werking treedt, zullen deze elektrische dipoolmomenten worden uitgelijnd langs het buitenste veld. Ultrasoon piëzo-elektrisch kristal produceert een macroscopisch elektrisch dipoolmoment in het diëlektricum, dat oriëntatiepolarisatie wordt genoemd.

 

1. Verplaatsingspolarisatie van een oneindig molecuul

 

Wanneer het elektrodeloze diëlektricum zich in een extern elektrisch veld bevindt onder invloed van de elektrische veldkracht, zullen de positieve en negatieve ladingscentra van het molecuul relatieve verplaatsingen produceren om een ​​elektrische dipool te vormen, en hun equivalente elektrische dipoolmomenten P zijn georiënteerd in de richting van het elektrische veld. Voor een diëlektrisch piëzo-elektrisch geheel als geheel geldt dat, aangezien elk molecuul in het diëlektricum elektrische dipolen vormt, ze in het diëlektricum zijn gerangschikt. De positieve en negatieve ladingen van aangrenzende elektrische dipolen in het diëlektricum bevinden zich dicht bij elkaar. Als het diëlektricum uniform is, blijft het overal elektrisch neutraal, maar op het oppervlak van het diëlektricum staat dat loodrecht op de externe elektrische veldsterkte EO. Er zullen respectievelijk positieve en negatieve ladingen zijn die het diëlektricum niet kunnen verlaten en niet vrij kunnen bewegen in het diëlektricum. Dit fenomeen van gepolariseerde ladingen in het diëlektricum onder invloed van een extern elektrisch veld wordt polarisatie van het diëlektricum genoemd. Hoe sterker het externe elektrische veld, hoe groter de relatieve verplaatsing tussen de positieve en negatieve ladingscentra van elk molecuul, hoe groter het elektrische dipoolmoment van het molecuul, hoe meer gepolariseerde ladingen op beide oppervlakken van het diëlektricum verschijnen en hoe meer gepolariseerd hoog. Wanneer het externe elektrische veld van de piëzo-elektrische transducer met resonantiefrequentie wordt verwijderd, vallen de centra van de positieve en negatieve ladingen opnieuw samen (P = 0), dus dit type molecuul kan worden beschouwd als een elastische elektrische dipool waarvan de elastische kracht is verbonden door twee equivalente equivalente elektrische ladingen. De grootte van het elektrische dipoolmoment P is evenredig met de veldsterkte. Omdat de polarisatie van het oneindige molecuul ligt in de relatieve verplaatsing van het centrum van de positieve en negatieve ladingen, wordt dit vaak een bit genoemd.

 

Georiënteerde polarisatie van polaire moleculen

 

Wat het polaire moleculaire diëlektricum betreft, is het centrum van de positieve en negatieve ladingen in het molecuul equivalent aan een elektrische dipool. Onder invloed van het externe elektrische veld zal het worden onderworpen aan een moment, zodat het elektrische dipoolmoment P van het molecuul in de richting van het elektrische veld wordt gedraaid. Vanwege de interferentie van moleculaire thermische beweging is deze sturing klein en is het onmogelijk om de elektrische dipoolmomenten van alle moleculen uit te lijnen in de richting van het elektrische veld. Hoe sterker het externe elektrische veld van piëzo-elektrische elektrode-piëzo-elektrische keramiek, des te netter is de stuurvolgorde van het elektrische dipoolmoment van het molecuul. Op macroscopisch niveau verschijnen de meer gepolariseerde ladingen op beide oppervlakken loodrecht op het diëlektrische en het externe elektrische veld, des te hoger de mate van polarisatie. Wanneer het externe elektrische veld wordt verwijderd, wordt de richting van het elektrische dipoolmoment van het molecuul een onregelmatige opstelling als gevolg van de thermische beweging van de moleculen, en is het diëlektricum nog steeds neutraal. Polarisatie van polaire moleculen ligt in de richting waarin de equivalente elektrische dipool naar het externe elektrische veld draait, daarom wordt dit oriëntatiepolarisatie genoemd. Hoewel de moleculen tegelijkertijd gepolariseerd zijn, is er over het algemeen ook verplaatsingspolarisatie. Hoewel de microscopische polarisatieprocessen van twee soorten diëlektrica verschillend zijn, zijn de macroscopische effecten hetzelfde. Gepolariseerde ladingen met verschillende aantallen piëzo-elektrische plaatsensoren verschijnen op de twee tegenoverliggende oppervlakken van het diëlektricum en het externe elektrische veld neemt toe. hoe meer gepolariseerde ladingen verschijnen. Wanneer het polarisatieverschijnsel van het diëlektricum hieronder macroscopisch wordt beschreven, is het daarom niet nodig om ter discussie in twee soorten diëlektrica te verdelen.

3. Ferro-elektriciteit van piëzo-elektrische keramische kristallen

 

De polarisatie van sommige diëlektrica is heel bijzonder. In een bepaald temperatuurbereik zijn hun diëlektrische constanten niet constant, maar variëren ze met de veldsterkte, en na verwijdering van het externe elektrische veld zijn deze diëlektrica niet neutraal. Er is sprake van resterende polarisatie. Om analoog te zijn aan het feit dat ferromagnetische materialen gemagnetiseerd kunnen blijven, wordt deze eigenschap van een piëzo-keramische transducer vaak ferro-elektriciteit genoemd. Een ferro-elektrisch diëlektricum wordt een ferro-elektrisch genoemd. Onder hen zijn bariumtitanaatkeramiek (BaTiO3), natriumkaliumtartraat-monokristal (NaKC4H4O6⋅H2O) en dergelijke het meest prominent. Ferro-elektrische materialen zullen hysteresis vertonen tijdens het elektrodepositieproces. De hysteresislus laat zien dat de polarisatie tussen het ferro-elektrische lichaam en het aangelegde elektrische veld niet-lineair is, en dat de polarisatie wordt omgekeerd naarmate het externe elektrische veld wordt omgekeerd. De polarisatie-inversie is het resultaat van domeininversie, dus de hysteresislus geeft de aanwezigheid van domeinen in het ferroelektrische gebied aan. De zogenaamde domeinen zijn kleine gebieden waarin de spontane polarisatierichtingen in de ferro-elektrische componenten uniform zijn, en de domeinen. De grens daartussen wordt de domeinmuur genoemd. Ferro-elektrische kristallen van piëzo-elektrische keramische producten bestaan ​​gewoonlijk uit meerdere domeinen, de spontane polarisatie in elk domein heeft dezelfde richting en de spontane polarisatie in de verschillende domeinen is sterk.

 

Voor polykristallijne ferro-elektrische materialen is er geen regelmaat tussen de relatieve oriëntaties van spontane polarisatie in de verschillende domeinen voor het gehele polykristal vanwege de volledige willekeur van de oriëntatie van de kristalassen tussen de korrels.

Ferro-elektrische materialen vormen over het algemeen niet spontaan enkele domeinen, maar kristallen met meerdere domeinen kunnen onder een sterk extern elektrisch veld monodomein worden gemaakt. Onder invloed van een sterk extern elektrisch veld zal het domeinvolume van de spontane polarisatie in het multi-domein kristal parallel of dichtbij de externe veldrichting snel toenemen als gevolg van de vorming van nieuwe domeinkernen en de beweging van de domeinwanden, en zal het domeinvolume in andere richtingen snel afnemen. Klein verdwijnt, waardoor het hele kristal in één domein verandert. Onder invloed van een extern elektrisch veld wordt het dynamische proces van beweging van de nieuwe domeinkern en domeinmuur het domeinomkeringsproces genoemd. Deze omkering heeft enkele hysteresiskarakteristieken, dus het ferro-elektriciteit vertoont de bovengenoemde hysteresislus.

 

Het beschouwen van een enkel piëzokristal veronderstelt dat de oriëntatie van spontane polarisatie slechts twee mogelijkheden heeft: deze is positief en negatief langs een bepaalde kristalas; de richting van het externe elektrische veld is evenwijdig aan de polarisatie-as. Wanneer het externe elektrische veld nul is, is de polarisatie van aangrenzende domeinen in het kristal tegengesteld en is het totale elektrische moment van het kristal nul. Wanneer het externe elektrische veld geleidelijk wordt vergroot, zal het domeinvolume van de spontane polarisatierichting tegengesteld aan de richting van het elektrische veld geleidelijk afnemen als gevolg van de inversie van het domein, en die domeinen hebben dezelfde richting als het elektrische veld geleidelijk zal uitzetten, zodat het kristal zich in de richting van het externe veld bevindt. De intensiteit neemt toe met het toenemen van het elektrische veld. Wanneer het elektrische veld van het piëzo-elektrische schijfelement voldoende toeneemt om alle omgekeerde domeinen in het kristal om te keren naar het externe veld, wordt het kristal een enkel domein, bereikt de polarisatie van het kristal verzadiging en neemt het elektrische veld toe. De polarisatie zal lineair toenemen met het elektrische veld (hetzelfde als de polarisatie van een typisch diëlektricum) en een maximale waarde Pmax bereiken, die een functie is van het elektrische veld met de hoogste polarisatie. Wanneer het lineaire gedeelte wordt geëxtrapoleerd naar een elektrisch veld van nul, wordt het resulterende snijpunt Ps op de verticale as de verzadigde polarisatie genoemd, wat feitelijk de spontane polarisatie van elk domein is. Wanneer het elektrische veld begint af te nemen vanaf C, zal de polarisatie geleidelijk afnemen langs de CB-curve. Wanneer het elektrische veld van de piëzo-elektrische keramische component tot nul wordt teruggebracht, neemt de polarisatie af tot een bepaalde waarde Pr, die de resterende polarisatie van het ferroelektrische element wordt genoemd. Wanneer het elektrische veld van richting verandert en in negatieve richting toeneemt tot Ec, neemt de polarisatie af tot nul, blijft het omgekeerde elektrische veld toenemen en wordt de polarisatie omgekeerd. Ec wordt de coërcitieve veldsterkte van het ferro-elektrische materiaal genoemd. Naarmate het omgekeerde elektrische veld blijft toenemen, blijft de polarisatie toenemen in de negatieve gradiëntrichting en bereikt een verzadigingswaarde (-Pr) in de negatieve richting, en wordt de ultrasone piëzo-elektrische transducer een kristal met een enkel domein dat een negatieve polarisatie heeft. Als het elektrische veld voortdurend verandert van een hoge negatieve waarde naar een hoge positieve waarde, begint het positieve domein zich te vormen en weer te groeien totdat het hele kristal weer een kristal met één domein wordt met voorwaartse polarisatie. Tijdens dit proces wordt de polarisatie teruggestuurd naar punt C langs het FGH-gedeelte van de retourlijn. Onder invloed van een groot elektrisch wisselveld verandert het elektrische veld dus met een week, en het bovenstaande proces wordt één keer herhaald, waarbij de weergegeven hysteresislus wordt weergegeven. Het gebied dat wordt omsloten door de retourleiding is de energie die nodig is om de polarisatie tweemaal om te keren.