Proces van piëzo-elektrisch keramisch fysiek mechanisme

Piëzo-elektrisch keramiek is een polykristallijne film met piëzo-elektrisch effect, en het productieproces is vernoemd naar het vergelijkbare productieproces (verpulvering van grondstoffen, gieten, sinteren bij hoge temperatuur). Sommige anisotrope piëzokristallen ondergaan vervorming onder mechanische kracht, waardoor de geladen deeltjes relatief worden verplaatst.PZT-materiaal piëzo-keramische schijf resulteert in positieve en negatief gebonden ladingen op het oppervlak van het piëzo-kristal. Dit fenomeen wordt piëzo-elektrisch effect genoemd. Deze eigenschap van het kristal wordt piëzo-elektriciteit genoemd. Piëzo-elektriciteit werd in 1880 ontdekt door de broers J. Curie en P. Curie. Een paar maanden later hebben ze experimenteel het omgekeerde piëzo-elektrische effect geverifieerd, dat wil zeggen dat wanneer er spanning wordt aangelegd op het piëzokristal, het piëzokristal geometrische vervorming zal ondergaan. Vóór 1940 waren er slechts twee soorten ferro-elektrische materialen bekend (niet alleen spontaan gepolariseerd in een bepaald temperatuurbereik, maar ook de spontane polarisatie van de kristallen die kunnen worden geheroriënteerd vanwege de externe veldsterkte): het ene is het restzout en een nauw verwant tartraat; één is kaliumdiwaterstoffosfaat en het equivalent daarvan. De eerste heeft piëzo-elektriciteit bij normale temperatuur en heeft technische gebruikswaarde, maar heeft het nadeel dat hij gemakkelijk oplosbaar is; de laatste heeft piëzo-elektriciteit bij lage temperaturen (minder dan -14 C), en de technische gebruikswaarde is niet groot. Bariumtitanaat (BaTiO) bleek tussen 1942 en 1945 een abnormaal hoge diëlektrische constante te hebben. Al snel bleek het piëzo-elektrisch te zijn, en de ontdekking van BaTi O piëzo-elektrische keramiek was een enorme sprong voorwaarts op het gebied van piëzo-elektrische materialen. Voorheen was er alleen een piëzo-elektrisch monokristallijn materiaal, en daarna verscheen een piëzo-elektrisch polykristallijn materiaal, piëzo-elektrisch keramiek, dat op grote schaal werd gebruikt. In 1947 gebruikten de Verenigde Staten BaTiO-keramiek om pickups voor grammofoons te maken. Japan gebruikte het twee jaar later dan de Verenigde Staten. BaTiO heeft het nadeel dat de piëzo-elektriciteit zwakker is dan het rustende zout en de piëzo-elektriciteit groter is dan het piëzo-kwartskristal met temperatuur. In 1954 ontdekten B. Jaffe en anderen het piëzo-elektrische PbZrO-PbTiO (PZT) solide oplossingssysteem, een baanbrekende gebeurtenis die het onmogelijk maakte om apparaten in het BaTiO-tijdperk te fabriceren. Sindsdien is PZT transparant piëzo-elektrisch keramiek ontwikkeld om de toepassing van piëzo-elektrisch keramiek uit te breiden naar het gebied van de optica. Tot nu toe is de toepassing van piëzo-elektrische keramiek, van de ontwikkeling van het universum tot het leven van het gezin, buitengewoon uitgebreid. Het Chinese onderzoek naar piëzo-elektrische keramiek begon eind jaren vijftig, ongeveer tien jaar later dan in het buitenland. Momenteel zijn er vrij sterke krachten in de proefproductie en industriële productie van piëzo-elektrische keramiek. Veel materialen hebben het internationale niveau bereikt of dichtbij.

Het fysieke mechanisme van piëzokeramische piëzo-elektriciteit

Piëzo-elektrische keramiek is polykristallen waarvan de piëzo-elektriciteit kan worden verklaard door de piëzo-elektriciteit van de piëzo-elektrische schijven kristal . Onder invloed van mechanische kracht verandert het totale elektrische dipoolmoment (polarisatie), wat resulteert in een piëzo-elektrisch fenomeen. Piëzo-elektriciteit hangt nauw samen met polarisatie en vervorming.

Microscopisch polarisatiemechanisme
De polarisatietoestand is een toestand waarin het elektrische veld een relatieve verplaatsingskracht uitoefent op het geladen punt van het diëlektricum en een tijdelijk evenwicht van wederzijdse aantrekking tussen de ladingen. Er zijn drie belangrijke polarisatiemechanismen.

(1) Elektronenverplaatsingspolarisatie - Het atoom of ion van een diëlektricum valt niet samen met het negatieve ladingscentrum van een positief geladen kern en een schilelektron onder invloed van een elektrische veldkracht.
(2) Lange verplaatsingspolarisatie - de positieve en negatieve ionen van het diëlektricum worden relatief verplaatst onder de werking van een elektrische veldkracht, waardoor een elektrisch dipoolmoment wordt gegenereerd.
(3) Oriëntatiepolarisatie – de polaire moleculen waaruit het diëlektricum bestaat, hebben een bepaald intrinsiek (inherent) elektrisch moment. Als gevolg van thermische beweging is de oriëntatie verstoord, het totale elektrische moment is nul. Wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd, wordt de richting van het elektrische veld uitgelijnd en verschijnt er een macroscopisch elektrisch dipoolmoment.
Voor anisotrope kristallen: de relatie tussen polarisatie en elektrisch veld

2. Piëzo-elektrisch effect

(1) Positief piëzo-elektrisch effect
Wanneer de De keramische transducer van peizo-elektrische schijven wordt vervormd door een externe kracht, de positieve en negatieve ladingscentra zijn relatief verplaatst en de tegenovergestelde ladingen worden gegenereerd op sommige overeenkomstige vlakken, en de polarisatie-intensiteit treedt op. Dit fenomeen van geen elektrisch veld en polarisatie door vervorming wordt een positief piëzo-elektrisch effect genoemd.

Voor anisotrope kristallen wordt spanning uitgeoefend op het piëzokristal, en het kristal zal een proportionele polarisatie vertonen in de drie richtingen van X, Y en Z, die respectievelijk piëzo-elektrische spanningsconstante en piëzo-elektrische spanningsconstante worden genoemd.

(2) Invers piëzo-elektrisch effect
Wanneer een elektrisch veld op het kristal wordt aangelegd, wordt niet alleen polarisatie maar ook vervorming gegenereerd, en dit fenomeen van vervorming door het elektrische veld wordt een omgekeerd piëzo-elektrisch effect genoemd. Dit komt omdat wanneer het kristal wordt blootgesteld aan een elektrisch veld, er spanning (piëzo-elektrische spanning) wordt gegenereerd in het kristal, en er wordt piëzo-elektrische spanning gegenereerd door spanning.
.
3. Mechanisme van drukeffect

Het piëzo-elektrische effect werd voor het eerst ontdekt op piëzokristallen. Nu gebruiken we kristallen van PZT-materiaal als model om het fysieke mechanisme van het piëzo-elektrische effect te illustreren.

Als er geen druk wordt uitgeoefend, worden de positieve en negatieve ladingscentra van het piëzokristal verdeeld. Op dit moment vallen de positieve en negatieve ladingscentra samen en is het totale elektrische moment van het piëzokristal gelijk aan nul, en is het kristaloppervlak niet geladen (niet piëzo-elektrisch).

Wanneer de druksensor in de x-richting wordt toegepast, wordt het materiaalkristal vervormd en worden de positieve en negatieve ladingscentra gescheiden, dat wil zeggen dat de elektrische dipool verandert, zodat ladingsaccumulatie plaatsvindt in het X-vlak.
Wanneer er druk wordt uitgeoefend in de richting van de Y-as, wordt hier de verdeling van de positieve en negatieve ladingscentra van het kristal weergegeven, wanneer het totale elektrische dipoolmoment verandert en een ladingsaccumulatie veroorzaakt op het X-vlak tegenovergesteld aan de voorkant. Het is duidelijk dat het vervangen van de vorige drukkracht door een trekkracht aangeeft dat het teken van de lading is omgekeerd. Kortom, wanneer een druksensor wordt toegepast op een piëzo-elektrisch kristal, kan een piëzo-elektrisch effect worden veroorzaakt.