Введення в п'єзоелектричні матеріали та технічні параметри

П'єзоелектричний матеріал п'єзокераміка це кристалічні матеріали, які створюють напругу між своїми двома кінцями під час застосування тиску. У 1880 році французькі фізики П. Кюрі та брати Ж. Кюрі виявили, що коли на кристал кварцу помістити важкий предмет, деякі поверхні кристала будуть генерувати заряди, і кількість заряду пропорційна тиску. Це явище називається п'єзоелектричним ефектом. Відразу після цього брати Кюрі відкрили зворотний п'єзоелектричний ефект, тобто п'єзоелектричне тіло деформується під дією зовнішнього електричного поля. Механізм п'єзоефекту такий: кристал з п'єзоелектрикою має низьку симетрію. Коли він деформується зовнішньою силою, відносне зміщення позитивних і негативних іонів в елементарній комірці змушує центри позитивного і негативного зарядів більше не перекриватися, що призводить до макроскопічної поляризації кристала, тоді як поверхнева щільність заряду кристала дорівнює проекції інтенсивності поляризації на нормальний напрям поверхні, тому, коли п’єзоелектричний матеріал деформується тиском, на двох з’являться заряди протилежних знаків. кінці п'єзоелектричного матеріалу. І навпаки, коли п’єзоелектричний матеріал поляризується в електричному полі, матеріал деформується через зміщення центру заряду.

 

Датчик п’єзоелектричної пластини може генерувати електричні поля через механічну деформацію, а також може генерувати механічну деформацію через дію електричних полів. Цей властивий ефект електромеханічного зв’язку робить п’єзоелектричні матеріали широко використовуваними в техніці. Наприклад, п’єзоелектричні матеріали були використані для виготовлення розумних структур. Окрім здатності до самопідтримки, такі конструкції також мають такі функції, як самодіагностика, самоадаптація та самовідновлення, і відіграватимуть важливу роль у майбутньому проектуванні літаків.

 

Технічні параметри п'єзоелектричних матеріалів:

 

Коефіцієнт п'єзоелектричності d33

 

П'єзоелектричний коефіцієнт - це коефіцієнт перетворення п'єзоелектричний керамічний кристал , який перетворює механічну енергію в електричну енергію або перетворює електричну енергію в механічну енергію, відображаючи взаємозв'язок між пружними та діелектричними властивостями п'єзоелектричних матеріалів

 

Вільна діелектрична проникність ε T33 (вільна діелектрична проникність)

 

Діелектрична проникність діелектрика при нульовій (або постійній) деформації, виражена в фарадах/метр.

 

Відносна діелектрична проникність ε Tr3 (відносна діелектрична проникність)

 

Відношення діелектричної проникності ε T33 до діелектричної проникності вакууму ε 0, ε Tr3= ε T33/ ε 0, є безрозмірною фізичною величиною.

 

Діелектричні втрати (діелектричні втрати)

 

Діелектрик - це енергія, що втрачається в діелектрику внаслідок процесу релаксації електричної поляризації та провідності витоку під дією електричного поля.

 

Тангенс кута втрат tg δ (тангенс кута втрат)

 

Під дією синусоїдального змінного електричного поля струм, що протікає в ідеальному діелектрику, на 90 0 випереджає фазу напруги, але в зразку п'єзоелектричної кераміки через втрати енергії фазовий кут ψ струмопідводу менше 900, а його додатковий кут δ ( δ + ψ =900) називається кутом втрат, який є безрозмірним фізичним кількість. Люди зазвичай використовують тангенс втрат tg δ для представлення величини діелектричних втрат, які представляють відношення активної потужності (потужності втрат) P діелектрика до реактивної потужності Q . Тобто: електричний коефіцієнт якості Qe (електричний коефіцієнт якості)

 

Значення електричної добротності дорівнює значенню, зворотному значенню тангенса кута втрат зразка, вираженому через Qe, яке є безрозмірною фізичною величиною. Якщо для представлення зразка п’єзоелектричної кераміки в змінному електричному полі використовується паралельна еквівалентна схема, то Qe=1/ tg δ = ω CR

 

Механічний коефіцієнт якості Qm (механічний коефіцієнт якості)

 

Відношення механічної енергії, накопиченої П'єзоелектричний пластинчастий вібратор при резонансі механічної енергії, втраченої за один цикл, називається механічною добротністю. Зв'язок між ним і параметрами осцилятора такий: коефіцієнт Пуассона

 

Коефіцієнт Пуассона означає відношення відносного поперечного усадки та поздовжнього відносного подовження твердого тіла під напругою та є безрозмірною фізичною величиною, вираженою δ : δ = - S 12 /S11

 

Послідовна резонансна частота fs (послідовна резонансна частота)

 

Резонансна частота послідовної гілки в еквівалентній схемі п’єзоелектричного вібратора називається послідовною резонансною частотою і виражається fs ,

Паралельна резонансна частота fp (паралельна резонансна частота)

 

Резонансна частота паралельної гілки в еквівалентній схемі п’єзоелектричного вібратора називається паралельною резонансною частотою, представленою fp, тобто fp = резонансна частота fr (резонансна частота)

 

Нижня частота пари частот, яка робить сприйнятливість п’єзоелектричного вібратора рівною нулю, називається резонансною частотою, представленою fr .

 

Антирезонансна частота fa (антирезонансна частота)

 

Вища частота пари частот, яка робить сприйнятливість п’єзоелектричного вібратора нульовою, називається антирезонансною частотою, яка виражається через fa.

 

Максимальна частота адмітансу fm (максимальна частота адмітансу)

 

Частота, коли адмітанс п'єзоелектричного вібратора великий, називається частотою великого адмітансу. У цей час імпеданс вібратора малий, тому його також називають частотою малого імпедансу, що виражається через f m.

 

Мала частота адмітансу fn (мінімальна частота адмітансу)

 

Частота, на якій адмітанс п'єзоелектричного вібратора є малим, називається частотою малого адмітансу. У цей час імпеданс вібратора великий, тому його також називають частотою великого імпедансу, що виражається через f n.

 

основна частота

 

Низька резонансна частота в даному режимі вібрації називається частотою основного тону і зазвичай стає основною частотою.

 

Частота обертонів (основна частота)

 

Резонансні частоти, відмінні від основної частоти в даному режимі вібрації, називаються обертонними частотами.

 

температурна стабільність

 

Температурна стабільність стосується характеристики п’єзоелектричної кераміки, яка змінюється залежно від температури.

 

При певній температурі, коли температура змінюється на 1 ° С, відношення чисельного зміни певної частоти до числового значення частоти при цій температурі називається температурним коефіцієнтом частоти TKf.

 

Крім того, для характеристики температурної стабільності певного параметра зазвичай використовують великий відносний дрейф.

 

Відносний зсув частоти при позитивній температурі = △ fs (велика позитивна температура)/fs (25 ℃ )

 

Великий відносний зсув частоти при негативній температурі = △ fs (велика негативна температура)/fs (25 ℃ )

 

Коефіцієнт електромеханічного зчеплення (ELECTRO MECHANICAL COOPLING COEFFICIENT)

 

Коефіцієнт електромеханічного зв’язку K є квадратним коренем із відношення квадрата щільності енергії пружно-діелектричної взаємодії V122 до добутку накопиченої щільності пружної енергії V1 і щільності діелектричної енергії V2.

 

П'єзоелектрична кераміка зазвичай використовує наступні п'ять основних коефіцієнтів зв'язку

 

A. Коефіцієнт електромеханічного зв’язку площини KP (відображає поляризацію та електричне збудження тонкого диска вздовж напрямку товщини та є параметром ефекту електромеханічного зв’язку під час радіальної розтягувальної вібрації.)

 

B. Коефіцієнт поперечного електромеханічного зв’язку K31 (параметри, що відображають ефект електромеханічного зв’язку тонкої смуги вздовж поляризації в напрямку товщини та електричного збудження для вібрації розтягування по довжині.)

 

C. Коефіцієнт поздовжнього електромеханічного зв’язку K33 (параметр, що відображає ефект електромеханічного зв’язку тонкого стрижня вздовж довжини напрямку поляризації та електричного збудження для вібрації розтягування довжини.)

 

D. Коефіцієнт електромеханічного зв'язку KT розтягування по товщині

 

E. Коефіцієнт електромеханічного зв’язку товщини зсуву K15 (відображає поляризацію прямокутної пластини вздовж напрямку довжини, напрям електричного поля збудження перпендикулярний напрямку поляризації та використовується як параметр для ефекту електромеханічного зв’язку під час вібрації зсуву товщини.)

 

Константа п'єзоелектричної деформації D (PIEZOELECTRIC STRAIN CONSTANT)

 

Константа п'єзоелектричної деформації - це відношення зміни компонента деформації SI до зміни EI, спричиненої зміною компонента E електричного поля за умови, що як напруга T, так і компонент EM електричного поля (M ≠ I) постійні.

 

П'єзоелектрична константа напруги G (П'ЄЗОЕЛЕКТРИЧНА КОНСТАНТНА НАПРУГА)

 

Константа - це відношення зміни компонента напруженості електричного поля EI, спричиненого зміною компонента напруги TI, до зміни TI за умови, що електричний зсув D і компонент напруги TN (N ≠ I) є постійними.

 

Температура Кюрі TC (ТЕМПЕРАТУРА КЮРИ)

 

П'єзоелектрична кераміка має п'єзоелектричний ефект лише в певному діапазоні температур. Має критичну температуру ТС. Коли температура вище TC, п’єзоелектрична кераміка зазнає структурного фазового переходу. Ця критична температура TC називається температурою Кюрі.

 

Термостабільність (TEMPERATURE STABILITY)

 

Відноситься до характеристик продуктивності п'єзоелектричні керамічні перетворювачі , які змінюються залежно від температури. Як правило, існує два методи опису температурної стабільності: температурний коефіцієнт або великий відносний дрейф.

 

Швидкість старіння в десять разів (ШВИДКІСТЬ СТАРІННЯ ЗА ДЕСЯТИЛІТТЯ) Y представляє певний параметр

 

Постійна частота (FREQUENCY CONSTANT)

 

Для радіальних і поперечних розтяжних коливань постійна частота є добутком послідовної резонансної частоти на розмір елемента (діаметр або довжину), який визначає цю частоту. Для поздовжньої довжини товщини та розтягувальних режимів коливань зсуву постійна частота є добутком паралельної резонансної частоти та розміру вібратора (довжини або товщини), який визначає цю частоту, та її одиниці: Гц.М