Wprowadzenie do materiałów piezoelektrycznych i parametrów technicznych

Piezoceramika z materiału piezoelektrycznego to materiały krystaliczne, które po przyłożeniu ciśnienia wytwarzają napięcie między swoimi dwoma końcami. W 1880 roku francuscy fizycy P. Curie i J. Curie odkryli, że po umieszczeniu ciężkiego przedmiotu na krysztale kwarcu na niektórych powierzchniach kryształu powstają ładunki, których wielkość jest proporcjonalna do ciśnienia. Zjawisko to nazywane jest efektem piezoelektrycznym. Zaraz potem bracia Curie odkryli odwrotny efekt piezoelektryczny, to znaczy korpus piezoelektryczny odkształca się pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego. Mechanizm efektu piezoelektrycznego jest następujący: kryształ o piezoelektryczności ma niską symetrię. Kiedy jest odkształcany przez siłę zewnętrzną, względne przemieszczenie jonów dodatnich i ujemnych w komórce elementarnej powoduje, że centra ładunku dodatniego i ujemnego nie nakładają się już na siebie, co powoduje makroskopową polaryzację kryształu, podczas gdy gęstość powierzchniowa ładunku powierzchniowego kryształu jest równa rzutowi intensywności polaryzacji na normalny kierunek powierzchni, więc gdy materiał piezoelektryczny zostanie odkształcony pod ciśnieniem, na dwóch końcach materiału piezoelektrycznego pojawią się ładunki o przeciwnych znakach. I odwrotnie, gdy materiał piezoelektryczny jest spolaryzowany w polu elektrycznym, materiał odkształca się w wyniku przemieszczenia środka ładunku.

 

Piezoelektryczny czujnik płytowy może generować pola elektryczne w wyniku odkształceń mechanicznych, a także może generować odkształcenia mechaniczne w wyniku działania pól elektrycznych. Ten nieodłączny efekt sprzężenia elektromechanicznego sprawia, że ​​materiały piezoelektryczne są szeroko stosowane w inżynierii. Na przykład do tworzenia inteligentnych konstrukcji wykorzystano materiały piezoelektryczne. Oprócz możliwości samonośności, takie konstrukcje pełnią również funkcje, takie jak autodiagnostyka, samoadaptacja i samonaprawa, i odegrają ważną rolę w przyszłym projektowaniu samolotów.

 

Parametry techniczne materiałów piezoelektrycznych:

 

Współczynnik piezoelektryczny d33

 

Współczynnik piezoelektryczny jest współczynnikiem konwersji piezoelektryczny kryształ ceramiczny , który przekształca energię mechaniczną w energię elektryczną lub przekształca energię elektryczną w energię mechaniczną, odzwierciedlając zależność sprzężenia między właściwościami sprężystymi i właściwościami dielektrycznymi materiałów piezoelektrycznych

 

Swobodna przenikalność elektryczna ε T33 (swobodna przenikalność elektryczna)

 

Przenikalność dielektryka przy zerowym (lub stałym) odkształceniu, wyrażona w faradach/metr.

 

Przenikalność względna ε Tr3 (przenikalność względna)

 

Stosunek stałej dielektrycznej ε T33 do stałej dielektrycznej próżni ε 0, ε Tr3= ε T33/ ε 0, jest bezwymiarową wielkością fizyczną.

 

Strata dielektryczna (strata dielektryczna)

 

Dielektryk to energia tracona w dielektryku w wyniku procesu relaksacji polaryzacji elektrycznej i przewodzenia upływu pod wpływem pola elektrycznego.

 

Tangens kąta straty tg δ (tangens kąta straty)

 

Pod działaniem sinusoidalnego zmiennego pola elektrycznego prąd płynący w idealnym dielektryku jest 90 0 przed fazą napięcia, ale w piezoelektrycznej próbce ceramicznej z powodu utraty energii kąt fazowy ψ przewodu prądowego jest mniejszy niż 900, a jego kąt dopełniający δ ( δ + ψ =900) nazywany jest kątem strat, który jest bezwymiarową wielkością fizyczną. Ludzie zwykle używają stycznej straty tg δ do przedstawienia wielkości strat dielektrycznych, która reprezentuje stosunek mocy czynnej (mocy strat) P dielektryka do mocy biernej Q. Czyli: współczynnik jakości elektrycznej Qe (współczynnik jakości elektrycznej)

 

Wartość współczynnika jakości elektrycznej jest równa odwrotności wartości stycznej strat próbki, wyrażonej przez Qe, który jest bezwymiarową wielkością fizyczną. Jeżeli do przedstawienia piezoelektrycznej próbki ceramicznej w zmiennym polu elektrycznym stosuje się równoległy obwód zastępczy, wówczas Qe=1/tg δ = ω CR

 

Współczynnik jakości mechanicznej Qm (współczynnik jakości mechanicznej)

 

Stosunek energii mechanicznej zmagazynowanej przez wibrator płytowy piezoelektryczny w rezonansie z energią mechaniczną traconą w jednym cyklu nazywany jest współczynnikiem jakości mechanicznej. Zależność między nim a parametrami oscylatora jest następująca: Współczynnik Poissona

 

Współczynnik Poissona odnosi się do stosunku względnego skurczu poprzecznego i względnego wydłużenia wzdłużnego ciała stałego pod naprężeniem i jest bezwymiarową wielkością fizyczną wyrażoną przez δ : δ = - S 12 /S11

 

Częstotliwość rezonansowa szeregowa fs (częstotliwość rezonansowa szeregowa)

 

Częstotliwość rezonansowa gałęzi szeregowej w obwodzie zastępczym wibratora piezoelektrycznego nazywana jest częstotliwością rezonansową szeregową, wyrażoną przez fs ,

Równoległa częstotliwość rezonansowa fp (równoległa częstotliwość rezonansowa)

 

Częstotliwość rezonansowa równoległej gałęzi w obwodzie zastępczym wibratora piezoelektrycznego nazywana jest równoległą częstotliwością rezonansową, reprezentowaną przez fp, to znaczy fp = częstotliwość rezonansowa fr (częstotliwość rezonansowa)

 

Dolna częstotliwość pary częstotliwości, która powoduje, że susceptancja wibratora piezoelektrycznego wynosi zero, nazywana jest częstotliwością rezonansową, reprezentowaną przez fr.

 

Częstotliwość antyrezonansowa fa (częstotliwość antyrezonansowa)

 

Wyższa częstotliwość pary częstotliwości, która powoduje, że susceptancja wibratora piezoelektrycznego wynosi zero, nazywana jest częstotliwością antyrezonansową, wyrażoną przez fa.

 

Maksymalna częstotliwość dopuszczania fm (maksymalna częstotliwość dopuszczania)

 

Częstotliwość, przy której wibrator piezoelektryczny jest duży, nazywana jest dużą częstotliwością wstępną. W tym momencie impedancja wibratora jest mała, dlatego nazywa się ją również częstotliwością małej impedancji, wyrażoną przez f m.

 

Mała częstotliwość dopuszczania fn (minimalna częstotliwość dopuszczania)

 

Częstotliwość, przy której wejściowy wibrator piezoelektryczny jest mały, nazywana jest małą częstotliwością wstępną. W tym czasie impedancja wibratora jest duża, dlatego nazywa się ją również częstotliwością dużej impedancji, wyrażoną przez fn.

 

częstotliwość podstawowa

 

Niska częstotliwość rezonansowa w danym trybie wibracji nazywana jest częstotliwością wysokości dźwięku i zwykle staje się częstotliwością podstawową.

 

Częstotliwość alikwotu (częstotliwość podstawowa)

 

Częstotliwości rezonansowe inne niż częstotliwość podstawowa w danym trybie drgań nazywane są częstotliwościami alikwotowymi.

 

stabilność temperatury

 

Stabilność temperaturowa odnosi się do cechy, że wydajność ceramiki piezoelektrycznej zmienia się wraz z temperaturą.

 

W określonej temperaturze, gdy temperatura zmienia się o 1 ° C, stosunek zmiany numerycznej określonej częstotliwości do wartości liczbowej częstotliwości w tej temperaturze nazywany jest współczynnikiem temperaturowym częstotliwości TKf.

 

Ponadto do scharakteryzowania stabilności temperaturowej określonego parametru zwykle stosuje się duży dryft względny.

 

Względne przesunięcie częstotliwości w temperaturze dodatniej = △ fs (duża temperatura dodatnia)/fs (25 ℃ )

 

Duże względne przesunięcie częstotliwości w temperaturze ujemnej = △ fs (duża temperatura ujemna)/fs (25 ℃ )

 

Współczynnik sprzężenia elektromechanicznego (WSPÓŁCZYNNIK SPRZĘŻENIA ELEKTROMECHANICZNEGO)

 

Współczynnik sprzężenia elektromechanicznego K jest pierwiastkiem kwadratowym ze stosunku kwadratu gęstości energii oddziaływania sprężystego i dielektrycznego V122 do iloczynu zmagazynowanej gęstości energii sprężystej V1 i gęstości energii dielektrycznej V2.

 

W ceramice piezoelektrycznej powszechnie stosuje się pięć podstawowych współczynników sprzężenia

 

A. Płaski współczynnik sprzężenia elektromechanicznego KP (odzwierciedla polaryzację i wzbudzenie elektryczne cienkiego dysku w kierunku grubości i jest parametrem efektu sprzężenia elektromechanicznego podczas promieniowych drgań rozciągających).

 

B. Współczynnik sprzężenia elektromechanicznego poprzecznego K31 (parametry odzwierciedlające efekt sprzężenia elektromechanicznego smukłej taśmy wzdłuż polaryzacji kierunku grubości i wzbudzenia elektrycznego dla drgań rozciągających na długość).

 

C. Współczynnik sprzężenia elektromechanicznego wzdłużnego K33 (parametr odzwierciedlający efekt sprzężenia elektromechanicznego cienkiego pręta wzdłuż kierunku polaryzacji i wzbudzenia elektrycznego dla drgań rozciągających).

 

D. Współczynnik sprzężenia elektromechanicznego KT rozciągania grubościowego

 

E. Współczynnik sprzężenia elektromechanicznego ścinania grubościowego K15 (odzwierciedla polaryzację prostokątnej płytki wzdłuż kierunku długości, kierunek pola elektrycznego wzbudzenia jest prostopadły do ​​kierunku polaryzacji i jest używany jako parametr efektu sprzężenia elektromechanicznego podczas drgań ścinających grubości).

 

Stała odkształcenia piezoelektrycznego D (STAŁA ODKSZTAŁCENIA PIEZOELEKTRYCZNEGO)

 

Stała odkształcenia piezoelektrycznego jest stosunkiem zmiany składowej odkształcenia SI do zmiany EI spowodowanej zmianą składowej pola elektrycznego E pod warunkiem, że zarówno naprężenie T, jak i składowa pola elektrycznego EM (M ≠ I) są stałe.

 

Stała napięcia piezoelektrycznego G (STAŁA NAPIĘCIA PIEZOELEKTRYCZNEGO)

 

Stała jest stosunkiem zmiany składowej natężenia pola elektrycznego EI spowodowanej zmianą składowej naprężenia TI do zmiany TI pod warunkiem, że przemieszczenie elektryczne D i składowa naprężenia TN (N ≠ I) są stałe.

 

Temperatura Curie TC (TEMPERATURA CURIE)

 

Ceramika piezoelektryczna ma efekt piezoelektryczny tylko w pewnym zakresie temperatur. Ma temperaturę krytyczną TC. Gdy temperatura jest wyższa niż TC, ceramika piezoelektryczna ulega strukturalnej przemianie fazowej. Ta temperatura krytyczna TC nazywana jest temperaturą Curie.

 

Stabilność temperaturowa (STABILNOŚĆ TEMPERATURY)

 

Odnosi się do charakterystyki działania piezoelektryczne przetworniki ceramiczne , które zmieniają się wraz z temperaturą. Ogólnie rzecz biorąc, istnieją dwie metody opisu stabilności temperatury: współczynnik temperaturowy lub duży dryft względny.

 

Dziesięciokrotność tempa starzenia (SZYBKOŚĆ STARZENIA NA DEKADĘ) Y reprezentuje pewien parametr

 

Stała częstotliwość (STAŁA CZĘSTOTLIWOŚCI)

 

W przypadku drgań z rozciąganiem promieniowym i poprzecznym stała częstotliwości jest iloczynem częstotliwości rezonansowej szeregowej i wymiaru elementu (średnicy lub długości), który określa tę częstotliwość. W przypadku drgań wzdłużnych o grubości i ścinania przy rozciąganiu stała częstotliwości jest iloczynem częstotliwości rezonansu równoległego i rozmiaru wibratora (długości lub grubości), który określa tę częstotliwość, oraz jej jednostki: HZ.M