Analiza caracteristicilor ceramicii piezoelectrice

 efectul piezoelectric și efectul dielectric al ceramicii piezoelectrice

 

Efectul piezoelectric este că, atunci când unii dielectrici sunt deformați de o forță externă într-o anumită direcție, în interior are loc polarizarea, iar sarcinile opuse pozitive și negative apar pe cele două suprafețe opuse ale acestora. Când forța externă este îndepărtată, aceasta va reveni la starea neîncărcată. Acest fenomen se numește efectul piezoelectric pozitiv. Când direcția forței se schimbă, se schimbă și polaritatea sarcinii. Din contră, atunci când se aplică un câmp electric în direcția de polarizare a dielectricului, acești dielectrici sunt de asemenea deformați, iar deformarea dielectricului dispare după ce câmpul electric este îndepărtat. Acest fenomen se numește efect piezoelectric invers sau electrostricție. Un tip de senzor dezvoltat pe baza efectului piezoelectric dielectric este numit senzor cu cristale piezoelectrice.

 

 

Orice mediu din câmpul electric va provoca deformarea mediului datorită efectului polarizării induse, iar această deformare este diferită de deformarea cauzată de efectul piezoelectric invers. Dielectricul poate fi deformat elastic de o forță externă, senzorul de detonare ceramică piezoelectrică poate fi deformat de polarizarea câmpului electric extern. Deformarea datorată polarizării induse este proporțională cu pătratul câmpului electric extern, care este un efect electrostrictiv. Deformația pe care o produce este independentă de direcția câmpului electric extern. Deformația cauzată de efectul piezoelectric invers este proporțională cu câmpul electric extern, iar atunci când câmpul electric este inversat, deformația se modifică și ea (de exemplu, alungirea inițială poate fi scurtată sau scurtarea inițială poate fi schimbată în alungire). În plus, efectul electrostrictiv este prezent în toți dielectricii, indiferent dacă nu sunt piezoelectrici sau piezoelectrici, are doar efectele electrostrictive ale cristalelor dielectrice de diferite structuri. Efectul piezoelectric invers se găsește numai în cristalele ceramice piezoelectrice.

 

Un cristal piezo-ceramic din materiale PZT care produce un efect piezoelectric se numește cristal piezoelectric. Un tip de cristal piezoelectric este un singur cristal, cum ar fi cuarțul (SiO2), tartratul de sodiu și potasiu (cunoscut și sub numele de sare Loser, NaKC4H4O6.H2O), rutenatul de bismut (Bi12GeO20). Un alt tip de cristal piezoelectric este numit pe ceramica piezoelectrică, cum ar fi titanat de bariu (BaTiO3), titanat de zirconat de plumb Pb(ZrxTirx)O3, titanat de zirconat de magneziu bismut de plumb fabricat în Japonia, adăugat la PZT, mangan de bismut fabricat în China. La PIT s-a adăugat zirconat de plumb Pb(Mn1/2Sb2/3)O3.

 

Dielectricul este un izolator care poate fi electrodeizat. Utilizarea dielectricilor este destul de extinsă. Conductivitatea dielectrică a elementului ceramic piezoelectric este foarte scăzută, împreună cu proprietățile bune de rezistență dielectrică, care pot fi utilizate pentru a face izolatori electrici. În plus, dielectricul poate fi foarte electrodepus și este un material excelent pentru condensator. Studiul proprietăților dielectrice implică stocarea și disiparea energiei electrice și magnetice în interiorul materialului. Acest studiu este extrem de important pentru explicarea diferitelor fenomene ale electronicii, opticii și fizicii stării solide. Proprietățile dielectrice se referă la proprietățile de stocare și pierdere a energiei electrostatice sub acțiunea unui câmp electric, exprimate de obicei prin constantă dielectrică și pierdere dielectrică. Când tehnologia de înaltă frecvență este aplicată materialelor, cum ar fi podelele compozite din lemn masiv, proprietățile dielectrice sunt foarte importante atunci când se utilizează presarea la cald de înaltă frecvență. Când mediul este aplicat cu un câmp electric, se generează o sarcină indusă pentru a slăbi câmpul electric. Raportul dintre câmpul electric aplicat inițial (în vid) și câmpul electric din mediul final este permisivitatea, cunoscută și sub denumirea de rată a curentului indus.

 

În electromagnetism, atunci când un câmp electric de discuri de butoane piezoelectrice este aplicat unui dielectric, un dipol electric este generat datorită deplasării relative a sarcinilor pozitive și negative din interiorul dielectricului. Acest fenomen se numește polarizare electrică. Câmpul electric aplicat poate fi un câmp electric extern sau un câmp electric generat de o sarcină liberă încorporată în interiorul dielectricului. Dipolul electric generat de polarizare se numește „dipol electric inductiv”, iar momentul său dipol electric este numit momentul dipol electric inductiv. Piezoceramica are capacitatea de a forma electrozi sub acțiunea unui câmp electric. Împărțit în izolație electrică, condensatoare, ceramică piezoelectrică, piroelectrică și feroelectrică în funcție de utilizare și performanță.

Polarizarea dielectricului ceramic piezoelectric

 

Cristalele ceramice piezoelectrice sunt atât dielectrice dielectrice, cât și anizotrope, astfel încât proprietățile dielectrice ale cristalelor piezoelectrice sunt diferite de cele ale dielectricilor izotropi.

Dielectricul este polarizat sub acțiunea unui câmp electric, iar starea de polarizare este o stare în care câmpul electric exercită o forță relativă de deplasare asupra punctului de încărcare al dielectricului și un echilibru temporar de atracție reciprocă între sarcini. Câmpul electric este cauza externă a polarizării. Cauza internă a polarizării se află în interiorul mediului. Cu procesele microscopice din interiorul mediului, există trei mecanisme principale de polarizare.

 

(1) Un atom sau ion care constituie un dielectric. Sub acțiunea unui câmp electric, un nucleu încărcat pozitiv nu coincide cu centrul negativ al electronului său de înveliș, generând astfel un moment de dipol electric. Această polarizare se numește polarizare prin deplasare a electronilor.

(2) Ionii pozitivi și negativi care alcătuiesc dielectricii suferă o deplasare relativă sub acțiunea unui câmp electric, rezultând un moment dipol electric numit polarizare cu deplasare ionică.

(3) Moleculele care alcătuiesc dielectricul sunt molecule polare cu un anumit moment electric intrinsec, dar din cauza mișcării termice, orientarea este dezordonată, iar momentul electric total al întregului dielectric este zero. Când acționează un câmp electric extern, aceste momente dipol electrice vor fi aliniate de-a lungul câmpului exterior, cristalul piezoelectric cu ultrasunete produce un moment dipol electric macroscopic în dielectric, care se numește polarizare de orientare.

 

1. Polarizarea prin deplasare a unei molecule infinite

 

Când dielectricul fără electrod se află într-un câmp electric extern sub acțiunea forței câmpului electric, centrii de sarcină pozitiv și negativ ai moleculei vor produce deplasări relative pentru a forma un dipol electric, iar momentele lor echivalente de dipol electric P sunt orientate de-a lungul direcției câmpului electric. Pentru un piezoelectric dielectric în ansamblu, deoarece fiecare moleculă din dielectric formează dipoli electrici, aceștia sunt aranjați în dielectric. Sarcinile pozitive și negative ale dipolilor electrici adiacenți din dielectric sunt aproape una de cealaltă. Dacă dielectricul este uniform, acesta rămâne neutru din punct de vedere electric pe tot parcursul acestuia, dar pe suprafața dielectricului care este perpendiculară pe intensitatea câmpului electric extern E0. Vor exista sarcini pozitive și, respectiv, negative, care nu pot părăsi dielectricul și nu se pot mișca liber în dielectric, Acest fenomen de sarcini polarizate în dielectric sub acțiunea unui câmp electric extern se numește polarizare a dielectricului. Cu cât câmpul electric extern este mai puternic, cu atât este mai mare deplasarea relativă între centrii de sarcină pozitivă și negativă a fiecărei molecule, cu atât este mai mare momentul dipolului electric al moleculei, cu atât sarcinile polarizate apar pe ambele suprafețe ale dielectricului și cu atât mai mare polarizat. Când câmpul electric extern al traductorului piezoelectric de frecvență de rezonanță este îndepărtat, centrele sarcinilor pozitive și negative sunt din nou coincidente (P = 0), astfel încât acest tip de moleculă poate fi privit ca un dipol electric elastic a cărui forță elastică este conectată prin două sarcini electrice echivalente echivalente. Mărimea momentului dipolar electric P este proporțională cu intensitatea câmpului. Deoarece polarizarea moleculei infinite constă în deplasarea relativă a centrului sarcinilor pozitive și negative, este adesea numită bit.

 

Polarizarea orientată a moleculelor polare

 

În ceea ce privește dielectricul molecular polar, centrul sarcinilor pozitive și negative din moleculă este echivalent cu un dipol electric. Sub acțiunea câmpului electric extern, acesta va fi supus unui moment, astfel încât momentul dipolar electric P al moleculei este rotit în direcția câmpului electric. Din cauza interferenței mișcării termice moleculare, această direcție este mică și este imposibil să se alinieze momentele dipolului electric ale tuturor moleculelor de-a lungul direcției câmpului electric. Cu cât câmpul electric extern al electrodului piezoelectric piezoelectric este mai puternic, cu atât este mai ordonată ordinea de direcție a momentului dipolului electric al moleculei. La nivel macroscopic, pe ambele suprafețe apar perpendiculare pe dielectric și pe câmpul electric extern sarcinile mai polarizate, cu atât gradul de polarizare este mai mare. Când câmpul electric extern este îndepărtat, direcția momentului dipolar electric al moleculei devine un aranjament neregulat datorită mișcării termice a moleculelor, iar dielectricul este încă neutru. Polarizarea moleculelor polare se află în direcția în care dipolul electric echivalent se întoarce către câmpul electric extern, deci se numește polarizare de orientare. În general, în timp ce moleculele sunt polarizate în același timp, există și polarizare prin deplasare. Deși procesele microscopice de polarizare a două tipuri de dielectrici, polar este diferit, dar efectele macroscopice sunt aceleași. Pe cele două suprafețe opuse ale dielectricului apar încărcături polarizate cu numere diferite senzori piezoelectrici cu plăci, iar câmpul electric extern crește. cu atât apar sarcinile mai polarizate. Prin urmare, atunci când fenomenul de polarizare al dielectricului este descris macroscopic mai jos, nu este necesar să se împartă în două tipuri de dielectrici pentru discuție.

3. Feroelectricitatea cristalelor ceramice piezoelectrice

 

Polarizarea unor dielectrici este foarte specială. Într-un anumit interval de temperatură, constantele lor dielectrice nu sunt constante, dar variază în funcție de intensitatea câmpului, iar după îndepărtarea câmpului electric extern, acești dielectrici nu sunt neutri. Există polarizare reziduală. Pentru a fi analog cu faptul că materialele feromagnetice pot rămâne magnetizate, această proprietate a traductorului piezo-ceramic este adesea denumită feroelectricitate. Un dielectric feroelectric se numește feroelectric. Printre acestea, ceramica de titanat de bariu (BaTiO3), tartratul de sodiu și potasiu un singur cristal (NaKC4H4O6⋅H2O) și altele asemenea sunt cele mai proeminente. Feroelectricii vor prezenta histerezis în timpul procesului de electrodepunere. Bucla de histerezis arată că polarizarea dintre corpul feroelectric și câmpul electric aplicat este neliniară, iar polarizarea este inversată pe măsură ce câmpul electric extern este inversat. Inversia de polarizare este rezultatul inversării domeniului, astfel încât bucla de histerezis indică prezența domeniilor în feroelectric. Așa-numitele domenii sunt regiuni mici în care direcțiile de polarizare spontană în feroelectrice sunt uniforme, iar domeniile. Granița dintre ele se numește peretele domeniului. Cristalele feroelectrice ale produselor ceramice piezoelectrice sunt de obicei multi-domenii, polarizarea spontană în fiecare domeniu are aceeași direcție, iar polarizarea spontană în diferite domenii este puternică.

 

Pentru feroelectricii policristalini, nu există o regularitate între orientările relative ale polarizării spontane în diferitele domenii pentru întregul policristal datorită arbitrarului complet al orientării axelor cristalului dintre granule.

Feroelectricii, în general, nu formează în mod spontan domenii unice, dar cristalele cu mai multe domenii pot fi monodomainizate sub un câmp electric extern puternic. Sub acțiunea unui câmp electric extern puternic, volumul domeniului polarizării spontane în cristalul multi-domeniu paralel sau aproape de direcția câmpului extern se va extinde rapid datorită formării de noi nuclee de domeniu și mișcării pereților domeniului, iar volumul domeniului în alte direcții va scădea rapid. Micul dispare, ceea ce transformă întregul cristal într-un singur domeniu. Sub acțiunea câmpului electric extern, procesul dinamic al mișcării noului nucleu al domeniului și al peretelui domeniului se numește proces de inversare a domeniului. Această inversare are unele caracteristici de histerezis, astfel încât feroelectricul prezintă bucla de histerezis menționată mai sus.

 

Considerând un singur cristal piezo, presupunem că orientarea polarizării spontane are doar două posibilități. Este pozitivă și negativă de-a lungul unei anumite axe a cristalului; direcția câmpului electric extern este paralelă cu axa de polarizare. Când câmpul electric extern este zero, polarizarea domeniilor adiacente din cristal este opusă, iar momentul electric total al cristalului este zero. Când câmpul electric extern crește treptat, volumul domeniului direcției de polarizare spontană opusă direcției câmpului electric va scădea treptat datorită inversării domeniului, iar acele domenii au aceeași direcție în care câmpul electric se va extinde treptat, astfel încât cristalul să fie în direcția câmpului extern. Intensitatea crește odată cu creșterea câmpului electric. Când câmpul electric al elementului de disc piezoelectric crește suficient pentru a inversa toate domeniile inverse din cristal în câmpul extern, cristalul devine un singur domeniu, polarizarea cristalului ajunge la saturație și apoi câmpul electric crește. Polarizarea va crește liniar cu câmpul electric (la fel ca polarizarea unui dielectric tipic) și va atinge o valoare maximă Pmax, care este o funcție a câmpului electric de cea mai mare polarizare. Când porțiunea liniară este extrapolată la câmpul electric zero, interceptarea rezultată Ps pe axa verticală se numește polarizare saturată, care este de fapt polarizarea spontană a fiecărui domeniu. Când câmpul electric începe să scadă de la C, polarizarea va scădea treptat de-a lungul curbei CB. Când câmpul electric al componentei ceramice piezoelectrice este redus la zero, polarizarea scade la o anumită valoare Pr, care se numește polarizare reziduală a feroelectricului. Când câmpul electric își schimbă direcția și crește la Ec în direcția negativă, polarizarea scade la zero, câmpul electric invers continuă să crească, iar polarizarea este inversată. Ec se numește intensitatea câmpului coercitiv al feroelectricului. Pe măsură ce câmpul electric invers continuă să crească, polarizarea continuă să crească în direcția gradientului negativ și atinge o valoare de saturație (-Pr) în direcția negativă, iar traductorul piezoelectric cu ultrasunete devine un cristal cu un singur domeniu care are o polarizare negativă. Dacă câmpul electric se schimbă continuu de la o valoare negativă mare la o valoare pozitivă ridicată, domeniul pozitiv începe să se formeze și să crească din nou până când întregul cristal devine din nou un cristal cu un singur domeniu cu polarizare directă. În timpul acestui proces, polarizarea este returnată la punctul C de-a lungul porțiunii FGH a liniei de întoarcere. Astfel, sub acțiunea unui câmp electric alternativ mare, câmpul electric se modifică cu o săptămână, iar procesul de mai sus se repetă o dată, arătând bucla de histerezis prezentată. Zona înconjurată de linia de retur este energia necesară pentru a inversa polarizarea de două ori.