Analiza właściwości ceramiki piezoelektrycznej

 Efekt piezoelektryczny i efekt dielektryczny ceramiki piezoelektrycznej

 

Efekt piezoelektryczny polega na tym, że gdy niektóre dielektryki są odkształcane pod wpływem siły zewnętrznej w określonym kierunku, wewnątrz następuje polaryzacja, a na ich dwóch przeciwległych powierzchniach pojawiają się przeciwne ładunki dodatnie i ujemne. Kiedy siła zewnętrzna zostanie usunięta, powróci do stanu nienaładowanego. Zjawisko to nazywane jest dodatnim efektem piezoelektrycznym. Kiedy zmienia się kierunek siły, zmienia się także polaryzacja ładunku. I odwrotnie, gdy przyłożone zostanie pole elektryczne w kierunku polaryzacji dielektryka, dielektryki te również ulegną odkształceniu, a odkształcenie dielektryka zanika po usunięciu pola elektrycznego. Zjawisko to nazywane jest odwrotnym efektem piezoelektrycznym lub elektrostrykcją. Jeden typ czujnika opracowany w oparciu o dielektryczny efekt piezoelektryczny nazywany jest czujnikiem piezoelektrycznym.

 

 

Każde medium znajdujące się w polu elektrycznym spowoduje jego odkształcenie w wyniku działania indukowanej polaryzacji, przy czym odkształcenie to różni się od odkształcenia spowodowanego odwrotnym efektem piezoelektrycznym. Dielektryk może odkształcać się elastycznie pod wpływem siły zewnętrznej, piezoelektryczny ceramiczny czujnik spalania stukowego może odkształcać się pod wpływem polaryzacji zewnętrznego pola elektrycznego. Odkształcenie spowodowane indukowaną polaryzacją jest proporcjonalne do kwadratu zewnętrznego pola elektrycznego, co jest efektem elektrostrykcyjnym. Wytwarzane przez nią odkształcenie jest niezależne od kierunku zewnętrznego pola elektrycznego. Odkształcenie spowodowane odwrotnym efektem piezoelektrycznym jest proporcjonalne do zewnętrznego pola elektrycznego, a gdy pole elektryczne zostanie odwrócone, odkształcenie również się zmienia (na przykład pierwotne wydłużenie można skrócić lub pierwotne skrócenie można zmienić na wydłużenie). Ponadto efekt elektrostrykcyjny występuje we wszystkich dielektrykach, zarówno niepiezoelektrycznych, jak i piezoelektrycznych, ma jedynie działanie elektrostrykcyjne kryształów dielektrycznych o różnych strukturach. Odwrotny efekt piezoelektryczny występuje tylko w kryształach ceramiki piezoelektrycznej.

 

Kryształ piezoelektryczny z materiału PZT, który wytwarza efekt piezoelektryczny, nazywany jest kryształem piezoelektrycznym. Jednym z rodzajów kryształów piezoelektrycznych jest monokryształ, taki jak kwarc (SiO2), winian sodowo-potasowy (znany również jako sól Loser, NaKC4H4O6.H2O), rutenian bizmutu (Bi12GeO20). Inny rodzaj kryształu piezoelektrycznego nazywany jest ceramiką piezoelektryczną, taką jak tytanian baru (BaTiO3), tytanian cyrkonu ołowiu Pb(ZrxTirx)O3, tytanian cyrkonianu bizmutu i magnezu wytwarzany w Japonii, dodawany do PZT, manganu bizmutu produkowanego w Chinach. Do PIT dodano tytanian cyrkonianu ołowiu Pb(Mn1/2Sb2/3)O3.

 

Dielektryk jest izolatorem, który można elektrodować. Zastosowanie dielektryków jest dość szerokie. Przewodność dielektryczna piezoelektrycznego elementu ceramicznego jest bardzo niska, w połączeniu z dobrymi właściwościami wytrzymałości dielektrycznej, które można wykorzystać do wytwarzania izolatorów elektrycznych. Ponadto dielektryk można w dużym stopniu osadzać galwanicznie i jest doskonałym materiałem na kondensatory. Badanie właściwości dielektrycznych obejmuje magazynowanie i rozpraszanie energii elektrycznej i magnetycznej w materiale. Badanie to jest niezwykle ważne dla wyjaśnienia różnych zjawisk elektroniki, optyki i fizyki ciała stałego. Właściwości dielektryczne odnoszą się do właściwości magazynowania i utraty energii elektrostatycznej pod działaniem pola elektrycznego, zwykle wyrażanych przez stałą dielektryczną i stratę dielektryczną. Kiedy technologia wysokiej częstotliwości jest stosowana do materiałów, takich jak podłogi kompozytowe z litego drewna, właściwości dielektryczne są bardzo ważne, gdy stosuje się prasowanie na gorąco o wysokiej częstotliwości. Kiedy na ośrodek działa pole elektryczne, powstaje indukowany ładunek osłabiający pole elektryczne. Stosunek pierwotnie przyłożonego pola elektrycznego (w próżni) do pola elektrycznego w ośrodku końcowym to przenikalność elektryczna, znana również jako natężenie prądu indukowanego.

 

W elektromagnetyzmie, gdy pole elektryczne piezoelektrycznych tarcz guzikowych jest przyłożone do dielektryka, powstaje dipol elektryczny w wyniku względnego przemieszczenia ładunków dodatnich i ujemnych wewnątrz dielektryka. Zjawisko to nazywa się polaryzacją elektryczną. Przyłożone pole elektryczne może być zewnętrznym polem elektrycznym lub polem elektrycznym generowanym przez swobodny ładunek osadzony wewnątrz dielektryka. Dipol elektryczny wytwarzany w wyniku polaryzacji nazywany jest „indukcyjnym dipolem elektrycznym”, a jego elektryczny moment dipolowy nazywany jest indukcyjnym elektrycznym momentem dipolowym. Ceramika piezoelektryczna ma zdolność formowania elektrody pod wpływem pola elektrycznego. Ze względu na zastosowanie i działanie dzieli się na izolację elektryczną, kondensatory, ceramikę piezoelektryczną, piroelektryczną i ferroelektryczną.

Polaryzacja piezoelektrycznego dielektryka ceramicznego

 

Kryształy ceramiki piezoelektrycznej są dielektrykami zarówno dielektrycznymi, jak i anizotropowymi, więc właściwości dielektryczne kryształów piezoelektrycznych różnią się od właściwości dielektryków izotropowych.

Dielektryk jest spolaryzowany pod działaniem pola elektrycznego, a stan polaryzacji to stan, w którym pole elektryczne wywiera względną siłę przemieszczenia na punkt ładowania dielektryka i tymczasową równowagę wzajemnego przyciągania pomiędzy ładunkami. Pole elektryczne jest zewnętrzną przyczyną polaryzacji. Wewnętrzna przyczyna polaryzacji leży we wnętrzu ośrodka. W przypadku mikroskopijnych procesów zachodzących wewnątrz ośrodka istnieją trzy główne mechanizmy polaryzacji.

 

(1) Atom lub jon stanowiący dielektryk. Pod działaniem pola elektrycznego dodatnio naładowane jądro nie pokrywa się z ujemnym środkiem elektronu powłoki, wytwarzając w ten sposób elektryczny moment dipolowy. Polaryzacja ta nazywana jest polaryzacją z przesunięciem elektronów.

(2) Jony dodatnie i ujemne tworzące dielektryki ulegają względnemu przemieszczeniu pod wpływem pola elektrycznego, w wyniku czego powstaje elektryczny moment dipolowy zwany polaryzacją przemieszczenia jonów.

(3) Cząsteczki tworzące dielektryk są cząsteczkami polarnymi o pewnym wewnętrznym momencie elektrycznym, ale z powodu ruchu termicznego orientacja jest nieuporządkowana, a całkowity moment elektryczny całego dielektryka wynosi zero. Kiedy działa zewnętrzne pole elektryczne, te elektryczne momenty dipolowe zostaną wyrównane wzdłuż pola zewnętrznego, ultradźwiękowy kryształ piezoelektryczny wytwarza makroskopowy elektryczny moment dipolowy w dielektryku, który nazywa się polaryzacją orientacji.

 

1. Polaryzacja przemieszczenia nieskończonej cząsteczki

 

Kiedy dielektryk bezelektrodowy znajduje się w zewnętrznym polu elektrycznym pod działaniem siły pola elektrycznego, dodatnie i ujemne centra ładunku cząsteczki powodują względne przemieszczenia, tworząc dipol elektryczny, a ich równoważne elektryczne momenty dipolowe P są zorientowane wzdłuż kierunku pola elektrycznego. W przypadku dielektryka piezoelektrycznego jako całości, ponieważ każda cząsteczka dielektryka tworzy dipole elektryczne, są one rozmieszczone w dielektryku. Ładunki dodatnie i ujemne sąsiednich dipoli elektrycznych w dielektryku są blisko siebie. Jeśli dielektryk jest jednorodny, pozostaje w nim obojętny elektrycznie, ale na powierzchni dielektryka, która jest prostopadła do zewnętrznego natężenia pola elektrycznego E0. Będą odpowiednio ładunki dodatnie i ujemne, które nie mogą opuścić dielektryka i nie mogą swobodnie poruszać się w dielektryku. To zjawisko polaryzacji ładunków w dielektryku pod działaniem zewnętrznego pola elektrycznego nazywa się polaryzacją dielektryka. Im silniejsze zewnętrzne pole elektryczne, tym większe względne przesunięcie między dodatnimi i ujemnymi centrami ładunku każdej cząsteczki, tym większy jest elektryczny moment dipolowy cząsteczki, tym bardziej spolaryzowane ładunki pojawiają się na obu powierzchniach dielektryka i tym bardziej spolaryzowany jest wysoki. Po usunięciu zewnętrznego pola elektrycznego przetwornika piezoelektrycznego o częstotliwości rezonansowej środki ładunków dodatnich i ujemnych ponownie pokrywają się (P = 0), więc ten typ cząsteczki można uznać za elastyczny dipol elektryczny, którego siła sprężystości jest połączona dwoma równoważnymi ładunkami elektrycznymi. Wielkość elektrycznego momentu dipolowego P jest proporcjonalna do natężenia pola. Ponieważ polaryzacja nieskończonej cząsteczki polega na względnym przemieszczeniu środka ładunków dodatnich i ujemnych, często nazywa się ją bitem.

 

Ukierunkowana polaryzacja cząsteczek polarnych

 

Jeśli chodzi o polarny dielektryk molekularny, środek ładunków dodatnich i ujemnych w cząsteczce jest równoważny dipolowi elektrycznemu. Pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego zostanie ona poddana działaniu momentu, w wyniku czego elektryczny moment dipolowy P cząsteczki zostanie obrócony w kierunku pola elektrycznego. Ze względu na interferencję molekularnego ruchu termicznego to sterowanie jest niewielkie i niemożliwe jest wyrównanie elektrycznych momentów dipolowych wszystkich cząsteczek wzdłuż kierunku pola elektrycznego. Im silniejsze zewnętrzne pole elektryczne elektrody piezoelektrycznej, tym bardziej uporządkowany jest porządek sterowania elektrycznym momentem dipolowym cząsteczki. Na poziomie makroskopowym im bardziej spolaryzowane ładunki pojawiają się na obu powierzchniach prostopadłych do dielektryka i zewnętrznego pola elektrycznego, tym wyższy stopień polaryzacji. Kiedy zewnętrzne pole elektryczne zostanie usunięte, kierunek elektrycznego momentu dipolowego cząsteczki staje się nieregularny z powodu ruchu termicznego cząsteczek, a dielektryk jest nadal neutralny. Polaryzacja cząsteczek polarnych polega na kierunku, w którym równoważny dipol elektryczny zamienia się w zewnętrzne pole elektryczne, dlatego nazywa się to polaryzacją orientacji. Ogólnie rzecz biorąc, chociaż cząsteczki są spolaryzowane w tym samym czasie, występuje również polaryzacja przemieszczenia. Chociaż mikroskopijne procesy polaryzacji dwóch rodzajów dielektryków, polarne są różne, ale efekty makroskopowe są takie same. Na dwóch przeciwległych powierzchniach dielektryka pojawiają się spolaryzowane ładunki piezoelektrycznych czujników płytowych o różnej liczbie, a zewnętrzne pole elektryczne wzrasta. tym bardziej pojawiają się ładunki spolaryzowane. Dlatego też, gdy poniżej makroskopowo opisano zjawisko polaryzacji dielektryka, nie ma potrzeby dzielenia ich na dwa rodzaje dielektryków.

3. Ferroelektryczność piezoelektrycznych kryształów ceramicznych

 

Polaryzacja niektórych dielektryków jest bardzo szczególna. W pewnym zakresie temperatur ich stałe dielektryczne nie są stałe, ale zmieniają się wraz z natężeniem pola, a po usunięciu zewnętrznego pola elektrycznego dielektryki te nie są obojętne. Występuje polaryzacja resztkowa. Aby zachować analogię do faktu, że materiały ferromagnetyczne mogą pozostać namagnesowane, tę właściwość przetwornika piezoceramicznego często nazywa się ferroelektrycznością. Dielektryk ferroelektryczny nazywany jest ferroelektrykiem. Wśród nich najbardziej wyróżniają się ceramika z tytanianu baru (BaTiO3), monokryształ winianu sodowo-potasowego (NaKC4H4O6⋅H2O) i tym podobne. Ferroelektryki będą wykazywać histerezę podczas procesu osadzania elektrolitycznego. Pętla histerezy pokazuje, że polaryzacja między ciałem ferroelektrycznym a przyłożonym polem elektrycznym jest nieliniowa i polaryzacja ulega odwróceniu wraz z odwróceniem zewnętrznego pola elektrycznego. Inwersja polaryzacji jest wynikiem inwersji domeny, więc pętla histerezy wskazuje na obecność domen w ferroelektryku. Tak zwane domeny to małe obszary, w których kierunki polaryzacji spontanicznej w ferroelektrykach są jednolite, oraz domeny. Granicę między nimi nazywa się ścianą domenową. Kryształy ferroelektryczne piezoelektrycznych wyrobów ceramicznych są zwykle wielodomenowe, spontaniczna polaryzacja w każdej domenie ma ten sam kierunek, a spontaniczna polaryzacja w różnych domenach jest silna.

 

W przypadku ferroelektryków polikrystalicznych nie ma prawidłowości pomiędzy względnymi orientacjami spontanicznej polaryzacji w różnych domenach całego polikryształu ze względu na całkowitą dowolność orientacji osi kryształu pomiędzy ziarnami.

Ferroelektryki na ogół nie tworzą spontanicznie pojedynczych domen, ale kryształy wielodomenowe mogą być monodomenowe pod silnym zewnętrznym polem elektrycznym. Pod wpływem silnego zewnętrznego pola elektrycznego objętość domeny spontanicznej polaryzacji w krysztale wielodomenowym równoległym lub zbliżonym do kierunku pola zewnętrznego gwałtownie wzrośnie w wyniku tworzenia się nowych jąder domen i ruchu ścian domen, a objętość domeny w innych kierunkach szybko się zmniejszy. Małe znika, co zamienia cały kryształ w jedną domenę. Pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego dynamiczny proces ruchu jądra nowej domeny i ściany domeny nazywany jest procesem odwrócenia domeny. To odwrócenie ma pewne cechy histerezy, więc ferroelektryk wykazuje wspomnianą pętlę histerezy.

 

Rozważanie pojedynczego kryształu piezoelektrycznego zakłada, że ​​orientacja spontanicznej polaryzacji ma tylko dwie możliwości: jest dodatnia i ujemna wzdłuż określonej osi kryształu; kierunek zewnętrznego pola elektrycznego jest równoległy do ​​osi polaryzacji. Gdy zewnętrzne pole elektryczne wynosi zero, polaryzacja sąsiednich domen w krysztale jest przeciwna, a całkowity moment elektryczny kryształu wynosi zero. Gdy zewnętrzne pole elektryczne będzie stopniowo zwiększane, objętość domeny o kierunku polaryzacji spontanicznej przeciwnej do kierunku pola elektrycznego będzie stopniowo zmniejszać się w wyniku inwersji domeny, a domeny te mają ten sam kierunek co pole elektryczne, będą się stopniowo rozszerzać, tak że kryształ będzie w kierunku pola zewnętrznego. Intensywność wzrasta wraz ze wzrostem pola elektrycznego. Kiedy pole elektryczne elementu dysku piezoelektrycznego wzrasta na tyle, aby odwrócić wszystkie odwrotne domeny w krysztale na pole zewnętrzne, kryształ staje się pojedynczą domeną, polaryzacja kryształu osiąga nasycenie, a następnie pole elektryczne wzrasta. Polaryzacja będzie rosła liniowo wraz z polem elektrycznym (tak samo jak polaryzacja typowego dielektryka) i osiągnie maksymalną wartość Pmax, która jest funkcją pola elektrycznego o najwyższej polaryzacji. Kiedy część liniową ekstrapoluje się na zerowe pole elektryczne, powstały punkt przecięcia Ps na osi pionowej nazywany jest polaryzacją nasyconą, która w rzeczywistości jest polaryzacją spontaniczną każdej domeny. Kiedy pole elektryczne zaczyna spadać od C, polaryzacja będzie stopniowo zmniejszać się wzdłuż krzywej CB. Kiedy pole elektryczne piezoelektrycznego elementu ceramicznego zostanie zmniejszone do zera, polaryzacja zmniejsza się do pewnej wartości Pr, która nazywana jest polaryzacją resztkową ferroelektryka. Kiedy pole elektryczne zmienia kierunek i wzrasta do Ec w kierunku ujemnym, polaryzacja spada do zera, odwrotne pole elektryczne nadal rośnie, a polaryzacja ulega odwróceniu. Ec nazywa się siłą pola koercyjnego ferroelektryka. W miarę wzrostu odwrotnego pola elektrycznego polaryzacja nadal rośnie w kierunku ujemnego gradientu i osiąga wartość nasycenia (-Pr) w kierunku ujemnym, a ultradźwiękowy przetwornik piezoelektryczny staje się kryształem jednodomenowym o polaryzacji ujemnej. Jeśli pole elektryczne zmienia się w sposób ciągły z wysokiej wartości ujemnej na wysoką wartość dodatnią, domena dodatnia zaczyna się formować i ponownie rosnąć, aż cały kryształ ponownie stanie się kryształem jednodomenowym z polaryzacją do przodu. Podczas tego procesu polaryzacja powraca do punktu C wzdłuż części FGH linii powrotnej. Zatem pod działaniem dużego zmiennego pola elektrycznego pole elektryczne zmienia się o jeden tydzień, a powyższy proces powtarza się raz, pokazując pokazaną pętlę histerezy. Obszar ograniczony przez linię powrotną to energia potrzebna do dwukrotnego odwrócenia polaryzacji.