Piezoelektrisk keramisk egenskapsanalys

 piezoelektrisk effekt och dielektrisk effekt av piezoelektrisk keramik

 

Den piezoelektriska effekten är att när vissa dielektrika deformeras av en yttre kraft i en viss riktning, uppstår polarisering inuti, och positiva och negativa motsatta laddningar uppträder på de två motsatta ytorna därav. När den yttre kraften avlägsnas kommer den att återgå till det oladdade tillståndet. Detta fenomen kallas den positiva piezoelektriska effekten. När kraftens riktning ändras ändras också laddningens polaritet. Tvärtom, när ett elektriskt fält appliceras i dielektrikets polarisationsriktning, deformeras även dessa dielektrika, och deformationen av dielektrikumet försvinner efter att det elektriska fältet har avlägsnats. Detta fenomen kallas en omvänd piezoelektrisk effekt eller elektrostriktion. En typ av sensor som utvecklats baserat på den dielektriska piezoelektriska effekten kallas en piezoelektrisk kristallsensor.

 

 

Varje medium i det elektriska fältet kommer att orsaka deformation av mediet på grund av effekten av inducerad polarisation, och denna deformation skiljer sig från deformationen som orsakas av den omvända piezoelektriska effekten. Dielektrikumet kan deformeras elastiskt av en extern kraft, piezoelektrisk keramisk knackningssensor kan deformeras av polariseringen av det externa elektriska fältet. Deformationen på grund av den inducerade polarisationen är proportionell mot kvadraten på det externa elektriska fältet, vilket är en elektrostriktiv effekt. Deformationen den producerar är oberoende av riktningen för det yttre elektriska fältet. Deformationen som orsakas av den omvända piezoelektriska effekten är proportionell mot det externa elektriska fältet, och när det elektriska fältet vänds ändras också deformationen (till exempel kan den ursprungliga förlängningen förkortas, eller den ursprungliga förkortningen kan ändras till förlängning). Dessutom är den elektrostriktiva effekten närvarande i alla dielektrika, oavsett om de är icke-piezoelektriska eller piezoelektriska, har endast de elektrostriktiva effekterna av dielektriska kristaller av olika strukturer. Den omvända piezoelektriska effekten finns endast i piezoelektriska keramiska kristaller.

 

En piezokeramisk kristall av PZT-material som ger en piezoelektrisk effekt kallas en piezoelektrisk kristall. En typ av piezoelektrisk kristall är en enkristall som kvarts (SiO2), natriumkaliumtartrat (även känt som Loser salt, NaKC4H4O6.H2O), vismutrutenat (Bi12GeO20). En annan typ av piezoelektrisk kristall kallas på piezoelektrisk keramik, såsom bariumtitanat (BaTiO3), blyzirkonattitanat Pb(ZrxTirx)O3, blyvismutmagnesiumzirkonattitanat tillverkat i Japan, lagt till PZT, vismutmangan tillverkat i Kina. Blyzirkonattitanat Pb(Mnl/2Sb2/3)03 tillsattes till PIT.

 

Dielectric är en isolator som kan elektrodeiseras. Användningen av dielektrikum är ganska omfattande. Den dielektriska ledningsförmågan hos piezoelektriska keramiska element är mycket låg, tillsammans med de goda dielektriska hållfasthetsegenskaperna, som kan användas för att tillverka elektriska isolatorer. Dessutom kan dielektrikumet vara mycket elektrolytiskt utfällt och är ett utmärkt kondensatormaterial. Studiet av dielektriska egenskaper involverar lagring och förlust av elektrisk och magnetisk energi i materialet. Denna studie är oerhört viktig för att förklara de olika fenomenen inom elektronik, optik och fasta tillståndets fysik. Dielektriska egenskaper avser egenskaperna för lagring och förlust av elektrostatisk energi under inverkan av ett elektriskt fält, vanligtvis uttryckt av dielektricitetskonstant och dielektrisk förlust. När högfrekvensteknik tillämpas på material, såsom kompositgolv av massivt trä, är dielektriska egenskaper mycket viktiga när högfrekvent varmpressning används. När mediet appliceras med ett elektriskt fält genereras en inducerad laddning för att försvaga det elektriska fältet. Förhållandet mellan det ursprungliga pålagda elektriska fältet (i vakuum) och det elektriska fältet i det slutliga mediet är permittiviteten, även känd som den inducerade strömhastigheten.

 

Inom elektromagnetism, när ett elektriskt fält av piezoelektriska knappskivor appliceras på ett dielektrikum, genereras en elektrisk dipol på grund av den relativa förskjutningen av de positiva och negativa laddningarna inuti dielektrikumet. Detta fenomen kallas elektrisk polarisering. Det pålagda elektriska fältet kan vara ett externt elektriskt fält eller ett elektriskt fält genererat av en fri laddning inbäddad i dielektrikumet. Den elektriska dipolen som genereras av polarisationen kallas 'induktiv elektrisk dipol', och dess elektriska dipolmoment kallas för induktiv elektrisk dipolmoment. Piezokeramik har en elektrodbildande förmåga under inverkan av ett elektriskt fält. Uppdelad i elektrisk isolering, kondensatorer, piezoelektrisk, pyroelektrisk och ferroelektrisk keramik efter deras användning och prestanda.

Polarisering av piezoelektrisk keramisk dielektrikum

 

Piezoelektriska keramiska kristaller är både dielektriska och anisotropa dielektrika, så de dielektriska egenskaperna hos piezoelektriska kristaller skiljer sig från de hos isotropiska dielektrika.

Dielektrikumet är polariserat under inverkan av ett elektriskt fält, och polarisationstillståndet är ett tillstånd där det elektriska fältet utövar en relativ förskjutningskraft på dielektrikets laddningspunkt och en tillfällig balans mellan ömsesidig attraktion mellan laddningarna. Det elektriska fältet är den yttre orsaken till polarisering. Den inre orsaken till polarisering ligger i mediets inre. Med de mikroskopiska processerna inuti mediet finns det tre huvudmekanismer för polarisering.

 

(1) En atom eller jon som utgör ett dielektrikum. Under inverkan av ett elektriskt fält sammanfaller inte en positivt laddad kärna med den negativa mitten av dess skalelektron, vilket genererar ett elektriskt dipolmoment. Denna polarisation kallas elektronförskjutningspolarisation.

(2) De positiva och negativa jonerna som utgör dielektrikumen genomgår relativ förskjutning under inverkan av ett elektriskt fält, vilket resulterar i ett elektriskt dipolmoment som kallas jonförskjutningspolarisation.

(3) Molekylerna som utgör dielektrikumet är polära molekyler med ett visst inneboende elektriskt moment, men på grund av termisk rörelse är orienteringen oordnad, och det totala elektriska momentet för hela dielektrikumet är noll. När ett externt elektriskt fält verkar, kommer dessa elektriska dipolmoment att vara inriktade längs det yttre fältet, piezoelektrisk ultraljudskristall producerar ett makroskopiskt elektriskt dipolmoment i dielektrikumet, vilket kallas för orienteringspolarisation.

 

1. Förskjutningspolarisation av en oändlig molekyl

 

När det elektrodlösa dielektrikumet befinner sig i ett externt elektriskt fält under inverkan av den elektriska fältkraften, kommer molekylens positiva och negativa laddningscentra att producera relativa förskjutningar för att bilda en elektrisk dipol, och deras ekvivalenta elektriska dipolmoment P är orienterade längs det elektriska fältets riktning. För ett dielektriskt piezoelektriskt som helhet, eftersom varje molekyl i dielektrikumet bildar elektriska dipoler, är de arrangerade i dielektrikumet. De positiva och negativa laddningarna av intilliggande elektriska dipoler i dielektrikumet ligger nära varandra. Om dielektrikumet är likformigt förblir det elektriskt neutralt genom hela det, men på ytan av dielektrikumet som är vinkelrät mot den yttre elektriska fältstyrkan E0. Det kommer att finnas positiva respektive negativa laddningar som inte kan lämna dielektrikumet och inte kan röra sig fritt i dielektrikumet. Detta fenomen med polariserade laddningar i dielektrikumet under inverkan av ett yttre elektriskt fält kallas polarisering av dielektrikumet. Ju starkare yttre elektriskt fält, desto större är den relativa förskjutningen mellan de positiva och negativa laddningscentrumen för varje molekyl, desto större är det elektriska dipolmomentet för molekylen, desto mer polariserade laddningar uppträder på båda ytorna av dielektrikumet, och desto mer polariserad hög. När det externa elektriska fältet av resonansfrekvens piezoelektrisk omvandlare tas bort, är mitten av de positiva och negativa laddningarna återigen sammanfallande (P = 0), så denna typ av molekyl kan betraktas som en elastisk elektrisk dipol vars elastiska kraft är förbunden med två ekvivalenta ekvivalenta elektriska laddningar. Storleken på det elektriska dipolmomentet P är proportionell mot fältstyrkan. Eftersom polariseringen av den oändliga molekylen ligger i den relativa förskjutningen av mitten av de positiva och negativa laddningarna, kallas det ofta lite.

 

Orienterad polarisering av polära molekyler

 

När det gäller det polära molekylära dielektrikumet är mitten av de positiva och negativa laddningarna i molekylen ekvivalent med en elektrisk dipol. Under verkan av det yttre elektriska fältet kommer det att utsättas för ett moment, så att det elektriska dipolmomentet P för molekylen vrids till det elektriska fältets riktning. På grund av interferensen av molekylär termisk rörelse är denna styrning liten, och det är omöjligt att rikta in de elektriska dipolmomenten för alla molekyler längs det elektriska fältets riktning. Ju starkare yttre elektriska fält av piezoelektrisk elektrod piezoelektrisk keramik, desto snyggare är styrordningen för molekylens elektriska dipolmoment. På den makroskopiska nivån, ju mer polariserade laddningar som uppträder på båda ytorna vinkelrät mot det dielektriska och det yttre elektriska fältet, desto högre grad av polarisation. När det externa elektriska fältet avlägsnas blir riktningen för det elektriska dipolmomentet hos molekylen ett oregelbundet arrangemang på grund av molekylernas termiska rörelse, och dielektrikumet är fortfarande neutralt. Polarisering av polära molekyler ligger i den riktning i vilken den ekvivalenta elektriska dipolen vänder sig till det yttre elektriska fältet, så det kallas orienteringspolarisation. I allmänhet, medan molekylerna är polariserade samtidigt, finns det också förskjutningspolarisering. Även om de mikroskopiska processerna för polarisering av två typer av dielektrika, är polär olika, men de makroskopiska effekterna är desamma. Polariserade laddningar av olika antal piezoelektriska plattsensorer visas på de två motsatta ytorna av dielektrikumet, och det externa elektriska fältet ökar. desto mer polariserade laddningar visas. Därför, när polarisationsfenomenet för dielektrikumet beskrivs makroskopiskt nedan, är det inte nödvändigt att dela upp i två typer av dielektrikum för diskussion.

3. Ferroelektricitet hos piezoelektriska keramiska kristaller

 

Polariseringen av vissa dielektrika är mycket speciell. I ett visst temperaturområde är deras dielektriska konstanter inte konstanta, utan varierar med fältstyrkan, och efter att det externa elektriska fältet har tagits bort är dessa dielektrika inte neutrala. Det finns kvarvarande polarisering. För att vara analog med det faktum att ferromagnetiska material kan förbli magnetiserade, kallas denna egenskap hos en piezokeramisk omvandlare ofta som ferroelektricitet. Ett ferroelektriskt dielektrikum kallas ferroelektriskt. Bland dem är bariumtitanatkeramik (BaTiO3), natriumkaliumtartrat enkristall (NaKC4H4O6⋅H2O) och liknande mest framträdande. Ferroelektriska ämnen kommer att uppvisa hysteres under elektroavsättningsprocessen. Hysteresloopen visar att polarisationen mellan den ferroelektriska kroppen och det pålagda elektriska fältet är olinjär, och polarisationen vänds när det externa elektriska fältet vänds. Polarisationsinversionen är resultatet av domäninversion, så hysteresloopen indikerar närvaron av domäner i ferroelektriken. De så kallade domänerna är små områden där de spontana polarisationsriktningarna i ferroelektriken är enhetliga, och domänerna. Gränsen mellan dem kallas domänväggen. Ferroelektriska kristaller av piezoelektriska keramiska produkter är vanligtvis multidomäner, den spontana polariseringen i varje domän har samma riktning och den spontana polariseringen i de olika domänerna är stark.

 

För polykristallin ferroelektrik finns det ingen regelbundenhet mellan de relativa orienteringarna av spontan polarisation i de olika domänerna för hela polykristallen på grund av den fullständiga godtyckligheten i orienteringen av kristallaxlarna mellan kornen.

Ferroelektrik bildar i allmänhet inte spontant enstaka domäner, men multidomänkristaller kan monodomainiseras under ett starkt externt elektriskt fält. Under verkan av ett starkt externt elektriskt fält kommer domänvolymen för den spontana polarisationen i multidomänkristallen parallellt med eller nära den externa fältriktningen att expandera snabbt på grund av bildandet av nya domänkärnor och domänväggarnas rörelse, och domänvolymen i andra riktningar kommer att minska snabbt. Small försvinner, vilket gör hela kristallen till en enda domän. Under inverkan av ett yttre elektriskt fält kallas den dynamiska processen med ny domänkärna och domänväggsrörelse för domänomvändningsprocessen. Denna omkastning har vissa hysteresegenskaper, så ferroelektriken uppvisar den tidigare nämnda hysteresloopen.

 

Att betrakta en enskild piezokristall är att anta att orienteringen av spontan polarisation endast har två möjligheter. Den är positiv och negativ längs en viss kristallaxel; riktningen för det externa elektriska fältet är parallell med polarisationsaxeln. När det externa elektriska fältet är noll, är polariseringen av intilliggande domäner i kristallen motsatt, och det totala elektriska momentet för kristallen är noll. När det externa elektriska fältet gradvis ökas, kommer domänvolymen för den spontana polarisationsriktningen motsatt riktningen för det elektriska fältet gradvis att minska på grund av inversionen av domänen, och dessa domäner har samma riktning som det elektriska fältet kommer gradvis att expandera, så att kristallen är i riktning mot det yttre fältet. Intensiteten ökar med ökningen av det elektriska fältet. När det elektriska fältet hos piezoelektriska skivelement ökar tillräckligt för att vända alla de omvända domänerna i kristallen till det yttre fältet, blir kristallen en enda domän, polariseringen av kristallen når mättnad, och sedan ökar det elektriska fältet. Polariseringen kommer att öka linjärt med det elektriska fältet (samma som polariseringen av ett typiskt dielektrikum) och nå ett maximalt värde Pmax, vilket är en funktion av det elektriska fältet med högsta polarisationen. När den linjära delen extrapoleras till ett elektriskt fält noll kallas den resulterande skärningen Ps på den vertikala axeln för den mättade polariseringen, vilket faktiskt är den spontana polariseringen av varje domän. När det elektriska fältet börjar minska från C kommer polarisationen gradvis att minska längs CB-kurvan. När det elektriska fältet för den piezoelektriska keramiska komponenten reduceras till noll, minskar polarisationen till ett visst värde Pr, vilket kallas restpolariseringen av ferroelektriken. När det elektriska fältet ändrar riktning och ökar till Ec i negativ riktning, minskar polarisationen till noll, det omvända elektriska fältet fortsätter att öka och polarisationen vänds. Ec kallas ferroelektrikens koercitivfältstyrka. När det omvända elektriska fältet fortsätter att öka, fortsätter polarisationen att öka i den negativa gradientriktningen och når ett mättnadsvärde (-Pr) i den negativa riktningen, och den piezoelektriska ultraljudsgivaren blir en endomänkristall som har en negativ polarisation. Om det elektriska fältet ändras kontinuerligt från ett högt negativt värde till ett högt positivt värde, börjar den positiva domänen att bildas och växa igen tills hela kristallen blir en enda domänkristall med framåtpolarisering igen. Under denna process återförs polarisationen till punkt C längs FGH-delen av returledningen. Under inverkan av ett stort elektriskt växelfält ändras sålunda det elektriska fältet med en vecka, och ovanstående process upprepas en gång, vilket visar den visade hysteresloopen. Området som omges av returledningen är den energi som krävs för att invertera polarisationen två gånger.