Proces piezoelektrycznego ceramicznego mechanizmu fizycznego

Ceramika piezoelektryczna to folia polikrystaliczna o działaniu piezoelektrycznym, a nazwa procesu jej produkcji pochodzi od podobnego procesu produkcyjnego (proszkowanie surowca, formowanie, spiekanie w wysokiej temperaturze). Niektóre anizotropowe kryształy piezoelektryczne ulegają odkształceniu pod wpływem siły mechanicznej, powodując względne przemieszczenie naładowanych cząstek,Piezoceramiczny dysk z materiału PZT powoduje dodatnie i ujemne ładunki związane na powierzchni kryształu piezoelektrycznego. Zjawisko to nazywane jest efektem piezoelektrycznym. Ta właściwość kryształu nazywa się piezoelektrycznością. Piezoelektryczność odkryli w 1880 roku bracia J. Curie i P. Curie. Kilka miesięcy później zweryfikowali eksperymentalnie odwrotny efekt piezoelektryczny, to znaczy, że po przyłożeniu napięcia do kryształu piezoelektrycznego, kryształ piezoelektryczny ulegnie odkształceniu geometrycznemu. Przed rokiem 1940 znane były tylko dwa rodzaje ferroelektryków (nie tylko spolaryzowane spontanicznie w określonym zakresie temperatur, ale także spontaniczna polaryzacja kryształów, które można zmienić w wyniku zewnętrznego natężenia pola): jeden to pozostała sól i jakiś blisko spokrewniony winian; jednym z nich jest diwodorofosforan potasu i jego odpowiednik. Ten pierwszy ma piezoelektryczność w normalnej temperaturze i ma techniczną wartość użytkową, ale ma tę wadę, że jest łatwy do rozpuszczenia; ten ostatni ma piezoelektryczność w niskiej temperaturze (poniżej -14 C), a wartość użytkowa inżynieryjna nie jest duża. W latach 1942–1945 stwierdzono, że tytanian baru (BaTiO) ma nienormalnie wysoką stałą dielektryczną. Wkrótce odkryto, że jest on piezoelektryczny, a odkrycie ceramiki piezoelektrycznej BaTi O było milowym krokiem w dziedzinie materiałów piezoelektrycznych. Wcześniej istniał tylko piezoelektryczny materiał monokrystaliczny, a następnie pojawił się piezoelektryczny materiał polikrystaliczny, ceramika piezoelektryczna, która była szeroko stosowana. W 1947 roku Stany Zjednoczone wykorzystały ceramikę BaTiO do produkcji przetworników do gramofonów. Japonia zastosowała go dwa lata później niż Stany Zjednoczone. BaTiO ma tę wadę, że piezoelektryczność jest słabsza niż sól spoczynkowa, a piezoelektryczność jest większa niż kryształ piezoelektryczny z temperaturą. W 1954 roku B. Jaffe i inni odkryli piezoelektryczny układ roztworów stałych PbZrO-PbTiO (PZT), co jest wydarzeniem epokowym, które uniemożliwiło wytwarzanie urządzeń w epoce BaTiO. Od tego czasu opracowano przezroczystą ceramikę piezoelektryczną PZT, aby rozszerzyć zastosowanie ceramiki piezoelektrycznej na dziedzinę optyki. Jak dotąd zastosowanie ceramiki piezoelektrycznej, od rozwoju wszechświata po życie rodziny, jest niezwykle szerokie. Badania w Chinach nad ceramiką piezoelektryczną rozpoczęły się pod koniec lat pięćdziesiątych XX wieku, około 10 lat później niż w innych krajach. Obecnie istnieją dość duże siły w produkcji próbnej i produkcji przemysłowej ceramiki piezoelektrycznej. Wiele materiałów osiągnęło lub jest blisko poziomu międzynarodowego.

Fizyczny mechanizm piezoelektryczności piezoceramicznej

Ceramika piezoelektryczna to polikryształy, których piezoelektryczność można wyjaśnić piezoelektrycznością kryształowe dyski piezoelektryczne . Pod wpływem siły mechanicznej zmienia się całkowity elektryczny moment dipolowy (polaryzacja), w wyniku czego powstaje zjawisko piezoelektryczne. Piezoelektryczność jest ściśle związana z polaryzacją, deformacją.

Mikroskopijny mechanizm polaryzacji
Stan polaryzacji to stan, w którym pole elektryczne wywiera względną siłę przemieszczenia na naładowany punkt dielektryka i chwilową równowagę wzajemnego przyciągania pomiędzy ładunkami. Istnieją trzy główne mechanizmy polaryzacji.

(1) Polaryzacja z przemieszczeniem elektronów — atom lub jon dielektryka nie pokrywa się z ujemnym środkiem ładunku dodatnio naładowanego jądra i elektronu powłoki pod działaniem siły pola elektrycznego.
(2) Polaryzacja z długim przemieszczeniem – jony dodatnie i ujemne dielektryka ulegają względnemu przemieszczaniu pod wpływem siły pola elektrycznego, wytwarzając w ten sposób elektryczny moment dipolowy.
(3) Polaryzacja orientacji – cząsteczki polarne tworzące dielektryk mają pewien wewnętrzny (wrodzony) moment elektryczny. Z powodu ruchu termicznego orientacja jest zaburzona, całkowity moment elektryczny wynosi zero. Po przyłożeniu pola elektrycznego kierunek pola elektrycznego jest wyrównany i pojawia się makroskopowy elektryczny moment dipolowy.
Dla kryształów anizotropowych związek między polaryzacją a polem elektrycznym

2. Efekt piezoelektryczny

(1) Dodatni efekt piezoelektryczny
Gdy Przetwornik ceramiczny z dyskami peizoelektrycznymi zostaje odkształcony przez siłę zewnętrzną, centra ładunku dodatniego i ujemnego zostają względnie przesunięte, a na niektórych odpowiadających sobie powierzchniach generowane są przeciwne ładunki i następuje intensywność polaryzacji. Zjawisko braku pola elektrycznego i polaryzacji poprzez odkształcenie nazywane jest dodatnim efektem piezoelektrycznym.

W przypadku kryształów anizotropowych do kryształu piezoelektrycznego przykładane jest naprężenie, a kryształ będzie wykazywał proporcjonalną polaryzację w trzech kierunkach X, Y i Z, które nazywane są odpowiednio stałą naprężenia piezoelektrycznego i stałą odkształcenia piezoelektrycznego.

(2) Odwrotny efekt piezoelektryczny
Kiedy do kryształu przyłożone jest pole elektryczne, powstaje nie tylko polaryzacja, ale także odkształcenie, a to zjawisko odkształcenia pod wpływem pola elektrycznego nazywa się odwrotnym efektem piezoelektrycznym. Dzieje się tak dlatego, że gdy kryształ jest poddawany działaniu pola elektrycznego, wewnątrz kryształu powstają naprężenia (naprężenia piezoelektryczne), a w wyniku naprężenia powstają odkształcenia piezoelektryczne.
.
3. Mechanizm działania ciśnienia

Efekt piezoelektryczny został po raz pierwszy odkryty na kryształach piezoelektrycznych. Teraz używamy kryształów materiału PZT jako modelu do zilustrowania fizycznego mechanizmu efektu piezoelektrycznego.

Gdy nie jest stosowane żadne ciśnienie, dodatnie i ujemne centra ładunku kryształu piezoelektrycznego są rozdzielone. W tym momencie centra ładunku dodatniego i ujemnego pokrywają się, a całkowity moment elektryczny kryształu piezoelektrycznego jest równy zeru, a powierzchnia kryształu nie jest naładowana (nie piezoelektryczna).

Kiedy czujnik ciśnienia zostanie przyłożony w kierunku x, kryształ materiału ulega deformacji, a centra ładunku dodatniego i ujemnego zostają oddzielone, czyli zmienia się dipol elektryczny, w wyniku czego następuje akumulacja ładunku w płaszczyźnie X.
Po przyłożeniu ciśnienia w kierunku osi Y pokazano tutaj rozkład środków ładunku dodatniego i ujemnego kryształu, gdy zmienia się całkowity elektryczny moment dipolowy i powoduje akumulację ładunku w płaszczyźnie X przeciwnej do przodu. Oczywiście zastąpienie dotychczasowej siły ściskającej siłą rozciągającą oznacza odwrócenie znaku ładunku. Krótko mówiąc, gdy czujnik ciśnienia zostanie przyłożony do kryształu piezoelektrycznego, może nastąpić efekt piezoelektryczny.