Piezoelektrisk keramisk karakteristikkanalyse

 piezoelektrisk effekt og dielektrisk effekt av piezoelektrisk keramikk

 

Den piezoelektriske effekten er at når noen dielektriske stoffer deformeres av en ytre kraft i en bestemt retning, oppstår polarisering inni, og positive og negative motsatte ladninger vises på de to motsatte overflatene derav. Når den ytre kraften fjernes, vil den gå tilbake til uladet tilstand. Dette fenomenet kalles på den positive piezoelektriske effekten. Når retningen på kraften endres, endres også ladningens polaritet. Tvert imot, når et elektrisk felt påføres i dielektrikumets polarisasjonsretning, deformeres også disse dielektriket, og deformasjonen av dielektrikumet forsvinner etter at det elektriske feltet er fjernet. Dette fenomenet kalles en invers piezoelektrisk effekt eller elektrostriksjon. En type sensor utviklet basert på den dielektriske piezoelektriske effekten kalles en piezoelektrisk krystallsensor.

 

 

Ethvert medium i det elektriske feltet vil forårsake deformasjon av mediet på grunn av effekten av indusert polarisering, og denne deformasjonen er forskjellig fra deformasjonen forårsaket av den inverse piezoelektriske effekten. Dielektrikumet kan bli elastisk deformert av en ekstern kraft, piezoelektrisk keramisk bankesensor kan deformeres av polariseringen av det eksterne elektriske feltet. Deformasjonen på grunn av den induserte polarisasjonen er proporsjonal med kvadratet på det eksterne elektriske feltet, som er en elektrostriktiv effekt. Deformasjonen den produserer er uavhengig av retningen til det eksterne elektriske feltet. Deformasjonen forårsaket av den inverse piezoelektriske effekten er proporsjonal med det eksterne elektriske feltet, og når det elektriske feltet reverseres, endres også deformasjonen (for eksempel kan den opprinnelige forlengelsen forkortes, eller den opprinnelige forlengelsen kan endres til forlengelse). I tillegg er den elektrostriktive effekten tilstede i alle dielektrikum, enten ikke-piezoelektriske eller piezoelektriske har bare de elektrostriktive effektene av dielektriske krystaller med forskjellige strukturer. Den omvendte piezoelektriske effekten finnes bare i piezoelektriske keramiske krystaller.

 

En PZT-materiale piezokeramisk krystall som produserer en piezoelektrisk effekt kalles en piezoelektrisk krystall. En type piezoelektrisk krystall er en enkeltkrystall som kvarts (SiO2), natriumkaliumtartrat (også kjent som Loser salt, NaKC4H4O6.H2O), vismutruthenat (Bi12GeO20). En annen type piezoelektrisk krystall kalles på piezoelektrisk keramikk, som bariumtitanat (BaTiO3), blyzirkonattitanat Pb(ZrxTirx)O3, blyvismutmagnesiumzirkonattitanat laget i Japan, lagt til PZT, vismutmangan laget i Kina. Blyzirkonattitanat Pb(Mn1/2Sb2/3)O3 ble tilsatt til PIT.

 

Dielektrisk er en isolator som kan elektrodeiseres. Bruken av dielektrikum er ganske omfattende. Den dielektriske ledningsevnen til piezoelektriske keramiske elementer er svært lav, kombinert med de gode dielektriske styrkeegenskapene, som kan brukes til å lage elektriske isolatorer. I tillegg kan dielektrikumet være svært elektroavsatt og er et utmerket kondensatormateriale. Studiet av dielektriske egenskaper involverer lagring og spredning av elektrisk og magnetisk energi i materialet. Denne studien er ekstremt viktig for å forklare de ulike fenomenene elektronikk, optikk og faststofffysikk. Dielektriske egenskaper refererer til egenskapene til lagring og tap av elektrostatisk energi under påvirkning av et elektrisk felt, vanligvis uttrykt ved dielektrisk konstant og dielektrisk tap. Når høyfrekvent teknologi brukes på materialer, for eksempel komposittgulv i massivtre, er dielektriske egenskaper svært viktige når høyfrekvent varmpressing brukes. Når mediet påføres et elektrisk felt, genereres en indusert ladning for å svekke det elektriske feltet. Forholdet mellom det opprinnelige påførte elektriske feltet (i vakuum) og det elektriske feltet i det endelige mediet er permittiviteten, også kjent som den induserte strømhastigheten.

 

I elektromagnetisme, når et elektrisk felt av piezoelektriske knappeskiver påføres et dielektrikum, genereres en elektrisk dipol på grunn av den relative forskyvningen av de positive og negative ladningene inne i dielektrikumet. Dette fenomenet kalles elektrisk polarisering. Det påførte elektriske feltet kan være et eksternt elektrisk felt eller et elektrisk felt generert av en fri ladning innebygd i dielektrikumet. Den elektriske dipolen generert av polarisasjonen kalles 'induktiv elektrisk dipol', og dens elektriske dipolmoment kalles på induktiv elektrisk dipolmoment. Piezokeramikk har en elektrodedannende evne under påvirkning av et elektrisk felt. Delt inn i elektrisk isolasjon, kondensatorer, piezoelektrisk, pyroelektrisk og ferroelektrisk keramikk i henhold til deres bruk og ytelse.

Polarisering av piezoelektrisk keramisk dielektrikum

 

Piezoelektriske keramiske krystaller er både dielektriske og anisotrope dielektriske stoffer, så de dielektriske egenskapene til piezoelektriske krystaller er forskjellige fra isotropiske dielektrika.

Dielektrikumet er polarisert under påvirkning av et elektrisk felt, og polarisasjonstilstanden er en tilstand der det elektriske feltet utøver en relativ forskyvningskraft på ladepunktet til dielektrikumet og en midlertidig balanse av gjensidig tiltrekning mellom ladningene. Det elektriske feltet er den ytre årsaken til polarisering. Den indre årsaken til polarisering ligger i mediets indre. Med de mikroskopiske prosessene inne i mediet er det tre hovedmekanismer for polarisering.

 

(1) Et atom eller ion som utgjør et dielektrikum. Under påvirkning av et elektrisk felt faller ikke en positivt ladet kjerne sammen med det negative sentrum av skallelektronet, og genererer dermed et elektrisk dipolmoment. Denne polarisasjonen kalles elektronforskyvningspolarisering.

(2) De positive og negative ionene som utgjør dielektrikumene gjennomgår relativ forskyvning under påvirkning av et elektrisk felt, noe som resulterer i et elektrisk dipolmoment kalt ioneforskyvningspolarisering.

(3) Molekylene som utgjør dielektrikumet er polare molekyler med et visst iboende elektrisk moment, men på grunn av termisk bevegelse er orienteringen uordnet, og det totale elektriske momentet til hele dielektriket er null. Når et eksternt elektrisk felt virker, vil disse elektriske dipolmomentene bli justert langs det ytre feltet, ultralyd piezoelektrisk krystall produserer et makroskopisk elektrisk dipolmoment i dielektrikumet, som kalles på orienteringspolarisering.

 

1. Forskyvningspolarisering av et uendelig molekyl

 

Når det elektrodeløse dielektrikumet er i et eksternt elektrisk felt under påvirkning av den elektriske feltkraften, vil de positive og negative ladningssentrene til molekylet produsere relative forskyvninger for å danne en elektrisk dipol, og deres ekvivalente elektriske dipolmomenter P er orientert langs retningen til det elektriske feltet. For et dielektrisk piezoelektrisk som helhet, siden hvert molekyl i dielektrikumet danner elektriske dipoler, er de ordnet i dielektrikumet. De positive og negative ladningene til tilstøtende elektriske dipoler i dielektrikumet er nær hverandre. Hvis dielektrikumet er jevnt, forblir det elektrisk nøytralt gjennom det, men på overflaten av dielektrikumet som er vinkelrett på den eksterne elektriske feltstyrken E0. Det vil være henholdsvis positive og negative ladninger, som ikke kan forlate dielektrikumet og ikke kan bevege seg fritt i dielektrikumet. Dette fenomenet med polariserte ladninger i dielektrikumet under påvirkning av et eksternt elektrisk felt kalles polarisering av dielektrikumet. Jo sterkere eksternt elektrisk felt, jo større er den relative forskyvningen mellom de positive og negative ladningssentrene til hvert molekyl, jo større er det elektriske dipolmomentet til molekylet, jo mer polariserte ladninger vises på begge overflater av dielektrikumet, og jo mer polarisert høy. Når det eksterne elektriske feltet med resonansfrekvens piezoelektrisk transduser fjernes, er sentrene til de positive og negative ladningene igjen sammenfallende (P = 0), så denne typen molekyler kan betraktes som en elastisk elektrisk dipol hvis elastiske kraft er forbundet med to ekvivalente ekvivalente elektriske ladninger. Størrelsen på det elektriske dipolmomentet P er proporsjonal med feltstyrken. Siden polariseringen av det uendelige molekylet ligger i den relative forskyvningen av midten av de positive og negative ladningene, kalles det ofte litt.

 

Orientert polarisering av polare molekyler

 

Når det gjelder det polare molekylære dielektriske, tilsvarer sentrum av de positive og negative ladningene i molekylet en elektrisk dipol. Under påvirkning av det eksterne elektriske feltet vil det bli utsatt for et øyeblikk, slik at det elektriske dipolmomentet P til molekylet dreies til retningen til det elektriske feltet. På grunn av interferensen av molekylær termisk bevegelse, er denne styringen liten, og det er umulig å justere de elektriske dipolmomentene til alle molekyler langs retningen til det elektriske feltet. Jo sterkere eksternt elektrisk felt av piezoelektrisk elektrode piezoelektrisk keramikk, jo mer ryddig er styringsrekkefølgen til det elektriske dipolmomentet til molekylet. På makroskopisk nivå, jo mer polariserte ladninger vises på begge overflater vinkelrett på det dielektriske og det eksterne elektriske feltet, jo høyere grad av polarisering. Når det eksterne elektriske feltet fjernes, blir retningen til det elektriske dipolmomentet til molekylet et uregelmessig arrangement på grunn av den termiske bevegelsen til molekylene, og dielektrikumet er fortsatt nøytralt. Polarisering av polare molekyler ligger i retningen som den ekvivalente elektriske dipolen vender seg til det eksterne elektriske feltet, så det kalles orienteringspolarisering. Generelt, mens molekylene er polarisert på samme tid, er det også forskyvningspolarisering. Selv om de mikroskopiske prosessene for polarisering av to typer dielektrikum, er polar forskjellig, men de makroskopiske effektene er de samme. Polariserte ladninger med forskjellige tall piezoelektriske platesensorer vises på de to motsatte overflatene av dielektrikumet, og det eksterne elektriske feltet øker. jo mer polariserte ladninger vises. Derfor, når polarisasjonsfenomenet til dielektrikumet er beskrevet makroskopisk nedenfor, er det ikke nødvendig å dele inn i to typer dielektrikum for diskusjon.

3. Ferroelektrisitet til piezoelektriske keramiske krystaller

 

Polariseringen av enkelte dielektriske stoffer er veldig spesiell. I et visst temperaturområde er deres dielektriske konstanter ikke konstante, men varierer med feltstyrken, og etter å ha fjernet det eksterne elektriske feltet er disse dielektrikkerne ikke nøytrale. Det er gjenværende polarisering. For å være analog med det faktum at ferromagnetiske materialer kan forbli magnetiserte, blir denne egenskapen til en piezokeramisk transduser ofte referert til som ferroelektrisitet. Et ferroelektrisk dielektrikum kalles et ferroelektrisk. Blant dem er bariumtitanat-keramikk (BaTiO3), natriumkaliumtartrat-enkrystall (NaKC4H4O6⋅H2O) og lignende mest fremtredende. Ferroelektriske stoffer vil utvise hysterese under elektroavsetningsprosessen. Hysteresesløyfen viser at polarisasjonen mellom det ferroelektriske legemet og det påførte elektriske feltet er ikke-lineær, og polarisasjonen reverseres når det eksterne elektriske feltet reverseres. Polarisasjonsinversjonen er resultatet av domeneinversjonen, så hysteresesløyfen indikerer tilstedeværelsen av domener i det ferroelektriske. De såkalte domenene er små områder der de spontane polarisasjonsretningene i ferroelektrikken er ensartede, og domenene. Grensen mellom dem kalles domeneveggen. Ferroelektriske krystaller av piezoelektriske keramiske produkter er vanligvis multidomener, den spontane polarisasjonen i hvert domene har samme retning, og den spontane polarisasjonen i de forskjellige domenene er sterk.

 

For polykrystallinsk ferroelektrikk er det ingen regularitet mellom de relative orienteringene av spontan polarisering i de forskjellige domenene for hele polykrystallen på grunn av den fullstendige vilkårligheten til orienteringen av krystallaksene mellom kornene.

Ferroelektrikk danner generelt ikke spontant enkeltdomener, men multidomenekrystaller kan monodomene under et sterkt eksternt elektrisk felt. Under påvirkning av et sterkt eksternt elektrisk felt vil domenevolumet til den spontane polarisasjonen i multidomenekrystallen parallelt med eller nær den eksterne feltretningen raskt utvide seg på grunn av dannelsen av nye domenekjerner og bevegelsen av domeneveggene, og domenevolumet i andre retninger vil reduseres raskt. Small forsvinner, noe som gjør hele krystallen til et enkelt domene. Under påvirkning av eksternt elektrisk felt kalles den dynamiske prosessen med ny domenekjerne og domeneveggbevegelse domenereverseringsprosessen. Denne reverseringen har noen hysteresekarakteristikker, så ferroelektrikken viser den nevnte hysteresesløyfen.

 

Å vurdere en enkelt piezokrystall er å anta at orienteringen av spontan polarisering bare har to muligheter. Den er positiv og negativ langs en bestemt krystallakse; retningen til det eksterne elektriske feltet er parallell med polarisasjonsaksen. Når det eksterne elektriske feltet er null, er polarisasjonen av tilstøtende domener i krystallen motsatt, og det totale elektriske momentet til krystallen er null. Når det eksterne elektriske feltet økes gradvis, vil domenevolumet til den spontane polarisasjonsretningen motsatt retningen til det elektriske feltet gradvis avta på grunn av inversjonen av domenet, og disse domenene har samme retning som det elektriske feltet vil gradvis utvide seg, slik at krystallen er i retning av det ytre feltet. Intensiteten øker med økningen av det elektriske feltet. Når det elektriske feltet til piezoelektrisk plateelement øker nok til å reversere alle de omvendte domenene i krystallen til det ytre feltet, blir krystallen et enkelt domene, polarisasjonen av krystallen når metning, og deretter øker det elektriske feltet. Polarisasjonen vil øke lineært med det elektriske feltet (samme som polarisasjonen til et typisk dielektrikum) og nå en maksimal verdi Pmax, som er en funksjon av det elektriske feltet med høyest polarisasjon. Når den lineære delen ekstrapoleres til null elektrisk felt, kalles den resulterende avskjæringen Ps på den vertikale aksen den mettede polarisasjonen, som faktisk er den spontane polarisasjonen til hvert domene. Når det elektriske feltet begynner å avta fra C, vil polarisasjonen gradvis avta langs CB-kurven. Når det elektriske feltet til den piezoelektriske keramiske komponenten reduseres til null, avtar polarisasjonen til en viss verdi Pr, som kalles den gjenværende polarisasjonen av det ferroelektriske. Når det elektriske feltet endrer retning og øker til Ec i negativ retning, synker polarisasjonen til null, det omvendte elektriske feltet fortsetter å øke, og polarisasjonen reverseres. Ec kalles tvangsfeltstyrken til det ferroelektriske. Ettersom det omvendte elektriske feltet fortsetter å øke, fortsetter polarisasjonen å øke i negativ gradientretning og når en metningsverdi (-Pr) i negativ retning, og den piezoelektriske ultralydtransduseren blir en enkeltdomenekrystall som har en negativ polarisering. Hvis det elektriske feltet endres kontinuerlig fra en høy negativ verdi til en høy positiv verdi, begynner det positive domenet å dannes og vokse igjen til hele krystallen blir en enkelt domenekrystall med foroverpolarisering igjen. Under denne prosessen returneres polarisasjonen til punkt C langs FGH-delen av returlinjen. Således, under påvirkning av et stort vekslende elektrisk felt, endres det elektriske feltet med en uke, og prosessen ovenfor gjentas én gang, og viser hysteresesløyfen. Området som er omsluttet av returledningen er energien som kreves for å invertere polarisasjonen to ganger.