Аналіз характеристик п'єзоелектричної кераміки

 п'єзоелектричний ефект і діелектричний ефект п'єзоелектричної кераміки

 

П'єзоелектричний ефект полягає в тому, що коли деякі діелектрики деформуються зовнішньою силою в певному напрямку, всередині виникає поляризація, і на двох протилежних поверхнях з'являються позитивні та негативні протилежні заряди. Коли зовнішня сила припиняється, він повернеться в незаряджений стан. Це явище називається позитивним п'єзоелектричним ефектом. При зміні напрямку сили змінюється і полярність заряду. Навпаки, коли електричне поле прикладено в напрямку поляризації діелектрика, ці діелектрики також деформуються, і деформація діелектрика зникає після зняття електричного поля. Це явище називається зворотним п'єзоелектричним ефектом або електрострикцією. Один тип датчика, розробленого на основі діелектричного п'єзоелектричного ефекту, називається датчиком на п'єзоелектричних кристалах.

 

 

Будь-яке середовище в електричному полі викличе деформацію середовища через ефект індукованої поляризації, і ця деформація відрізняється від деформації, викликаної зворотним п'єзоелектричним ефектом. Діелектрик може пружно деформуватися під дією зовнішньої сили, п’єзоелектричний керамічний датчик детонації може бути деформований поляризацією зовнішнього електричного поля. Деформація через індуковану поляризацію пропорційна квадрату зовнішнього електричного поля, що є електрострикційним ефектом. Деформація, яку він створює, не залежить від напрямку зовнішнього електричного поля. Деформація, спричинена зворотним п’єзоелектричним ефектом, пропорційна зовнішньому електричному полю, і коли електричне поле змінюється на протилежне, деформація також змінюється (наприклад, вихідне подовження може бути скороченим або вихідне скорочення може бути змінено на видовження). Крім того, електрострикційний ефект присутній у всіх діелектриках, незалежно від того, п'єзоелектричні чи п'єзоелектричні мають лише електрострикційні ефекти діелектричних кристалів різної структури. Зворотний п'єзоелектричний ефект зустрічається лише в кристалах п'єзоелектричної кераміки.

 

П'єзокерамічний кристал PZT, який створює п'єзоелектричний ефект, називається п'єзокристалом. Одним із типів п’єзоелектричних кристалів є монокристал, такий як кварц (SiO2), тартрат натрію калію (також відомий як сіль Лозера, NaKC4H4O6.H2O), рутенат вісмуту (Bi12GeO20). Інший тип п'єзоелектричного кристала називається п'єзоелектричною керамікою, такою як титанат барію (BaTiO3), титанат цирконат свинцю Pb(ZrxTirx)O3, титанат цирконат свинцю, вісмуту, магнію, виготовлений у Японії, доданий до PZT, марганцевий вісмут, виготовлений у Китаї. Цирконат титанат свинцю Pb(Mn1/2Sb2/3)O3 додано до PIT.

 

Діелектрик — ізолятор, який можна електродеізувати. Застосування діелектриків досить широко. Діелектрична провідність п'єзоелектричного керамічного елемента дуже низька в поєднанні з хорошими властивостями діелектричної міцності, які можна використовувати для виготовлення електричних ізоляторів. Крім того, діелектрик може бути високоелектроосадженим і є чудовим конденсаторним матеріалом. Вивчення діелектричних властивостей передбачає накопичення та розсіювання електричної та магнітної енергії всередині матеріалу. Це дослідження є надзвичайно важливим для пояснення різноманітних явищ електроніки, оптики та фізики твердого тіла. Діелектричні властивості відносяться до властивостей накопичення та втрати електростатичної енергії під дією електричного поля, які зазвичай виражаються діелектричною проникністю та діелектричними втратами. Коли високочастотна технологія застосовується до матеріалів, таких як композитна підлога з твердої деревини, діелектричні властивості є дуже важливими, коли використовується високочастотне гаряче пресування. Коли на середовище прикладається електричне поле, утворюється індукований заряд, який послаблює електричне поле. Відношення початкового прикладеного електричного поля (у вакуумі) до електричного поля в кінцевому середовищі є діелектричною проникністю, також відомою як швидкість індукованого струму.

 

В електромагнетизмі, коли електричне поле п’єзоелектричних кнопкових дисків прикладається до діелектрика, утворюється електричний диполь через відносне зміщення позитивних і негативних зарядів усередині діелектрика. Це явище називається електричною поляризацією. Прикладене електричне поле може бути зовнішнім електричним полем або електричним полем, створеним вільним зарядом, вбудованим у діелектрик. Електричний диполь, створений поляризацією, називається 'індуктивним електричним диполем', а його електричний дипольний момент називається індуктивним електричним дипольним моментом. П'єзокераміка має здатність утворювати електроди під дією електричного поля. Поділяється на електричну ізоляцію, конденсатори, п’єзоелектричну, піроелектричну та сегнетоелектричну кераміку відповідно до їх використання та продуктивності.

Поляризація п'єзоелектричного керамічного діелектрика

 

Кристали п’єзоелектричної кераміки є як діелектриками, так і анізотропними діелектриками, тому діелектричні властивості п’єзоелектричних кристалів відрізняються від властивостей ізотропних діелектриків.

Діелектрик поляризується під дією електричного поля, а стан поляризації — це стан, при якому електричне поле створює силу відносного зміщення зарядової точки діелектрика і тимчасовий баланс взаємного тяжіння між зарядами. Електричне поле є зовнішньою причиною поляризації. Внутрішня причина поляризації криється всередині середовища. При мікроскопічних процесах всередині середовища існує три основних механізми поляризації.

 

(1) Атом або іон, який є діелектриком. Під дією електричного поля позитивно заряджене ядро ​​не збігається з негативним центром електрона своєї оболонки, створюючи тим самим електричний дипольний момент. Ця поляризація називається поляризацією електронного зміщення.

(2) Позитивні та негативні іони, що утворюють діелектрики, зазнають відносного зміщення під дією електричного поля, що призводить до електричного дипольного моменту, який називається поляризацією іонного зміщення.

(3) Молекули, що утворюють діелектрик, є полярними молекулами з певним власним електричним моментом, але внаслідок теплового руху орієнтація невпорядкована, і загальний електричний момент усього діелектрика дорівнює нулю. Коли діє зовнішнє електричне поле, ці електричні дипольні моменти будуть вирівняні вздовж зовнішнього поля, ультразвуковий п’єзоелектричний кристал створює макроскопічний електричний дипольний момент у діелектрику, який називається орієнтаційною поляризацією.

 

1. Поляризація зміщення нескінченної молекули

 

Коли безелектродний діелектрик перебуває у зовнішньому електричному полі під дією сили електричного поля, центри позитивного та негативного заряду молекули будуть виробляти відносні зміщення з утворенням електричного диполя, а їхні еквівалентні електричні дипольні моменти P орієнтовані вздовж напрямку електричного поля. Для діелектричного п’єзоелектрика в цілому, оскільки кожна молекула в діелектрику утворює електричні диполі, вони розташовані в діелектрику. Позитивні і негативні заряди сусідніх електричних диполів в діелектрику близькі один до одного. Якщо діелектрик однорідний, він залишається електрично нейтральним у всьому ньому, але на поверхні діелектрика, яка перпендикулярна напруженості зовнішнього електричного поля E0. Будуть відповідно позитивні і негативні заряди, які не можуть покинути діелектрик і не можуть вільно переміщатися в діелектрику. Це явище поляризованих зарядів в діелектрику під дією зовнішнього електричного поля називається поляризацією діелектрика. Чим сильніше зовнішнє електричне поле, тим більше відносне зміщення між центрами позитивного і негативного заряду кожної молекули, чим більше електричний дипольний момент молекули, тим більше поляризованих зарядів з’являється на обох поверхнях діелектрика, і тим більше поляризованих високих. Коли зовнішнє електричне поле резонансної частоти п'єзоелектричного перетворювача видаляється, центри позитивних і негативних зарядів знову збігаються (P = 0), тому цей тип молекули можна розглядати як пружний електричний диполь, сила пружності якого пов'язана двома еквівалентними еквівалентними електричними зарядами. Величина електричного дипольного моменту Р пропорційна напруженості поля. Оскільки поляризація нескінченної молекули полягає у відносному зміщенні центру позитивних і негативних зарядів, її часто називають бітом.

 

Орієнтована поляризація полярних молекул

 

Що стосується полярного молекулярного діелектрика, то центр позитивних і негативних зарядів у молекулі еквівалентний електричному диполю. Під дією зовнішнього електричного поля на неї буде впливати момент, так що електричний дипольний момент P молекули буде повернений до напрямку електричного поля. Через втручання молекулярного теплового руху це керування є крихітним, і неможливо вирівняти електричні дипольні моменти всіх молекул уздовж напрямку електричного поля. Чим сильніше зовнішнє електричне поле п’єзоелектричного керамічного п’єзоелектричного електрода, тим більш акуратним є порядок керування електричним дипольним моментом молекули. На макроскопічному рівні чим більше поляризованих зарядів з’являється на обох поверхнях, перпендикулярних до діелектрика та зовнішнього електричного поля, тим вищий ступінь поляризації. Коли зовнішнє електричне поле припиняється, напрямок електричного дипольного моменту молекули стає нерегулярним через тепловий рух молекул, і діелектрик залишається нейтральним. Поляризація полярних молекул лежить у напрямку, в якому еквівалентний електричний диполь повертається до зовнішнього електричного поля, тому її називають орієнтаційною поляризацією. Загалом, хоча молекули поляризовані одночасно, існує також поляризація зміщення. Хоча мікроскопічні процеси поляризації двох типів діелектриків, полярні різні, але макроскопічні ефекти однакові. На двох протилежних поверхнях діелектрика з'являються поляризовані заряди різної кількості п'єзоелектричних пластинчастих датчиків, і зовнішнє електричне поле посилюється. тим більше з’являються поляризовані заряди. Тому, коли явище поляризації діелектрика макроскопічно описано нижче, немає необхідності ділити діелектрики на два види для обговорення.

3. Сегнетоелектрика п'єзоелектричних керамічних кристалів

 

Поляризація деяких діелектриків дуже особлива. У певному діапазоні температур їх діелектричні проникності непостійні, а змінюються залежно від напруженості поля, і після зняття зовнішнього електричного поля ці діелектрики не нейтральні. Є залишкова поляризація. Щоб бути аналогічним тому факту, що феромагнітні матеріали можуть залишатися намагніченими, цю властивість п’єзокерамічного перетворювача часто називають сегнетоелектрикою. Сегнетоелектричний діелектрик називають сегнетоелектриком. Серед них найвідомішими є кераміка з титанату барію (BaTiO3), монокристал тартрату натрію калію (NaKC4H4O6⋅H2O) тощо. Сегнетоелектрики демонструватимуть гістерезис під час процесу електроосадження. Петля гістерезису показує, що поляризація між сегнетоелектричним тілом і прикладеним електричним полем є нелінійною, і поляризація змінюється на протилежну, оскільки змінюється зовнішнє електричне поле. Інверсія поляризації є результатом інверсії домену, тому петля гістерезису вказує на наявність доменів у сегнетоелектрику. Так звані домени — це невеликі області, в яких напрямки спонтанної поляризації в сегнетоелектриках однорідні, і домени. Кордон між ними називається доменною стінкою. Сегнетоелектричні кристали п’єзоелектричних керамічних виробів зазвичай багатодоменні, спонтанна поляризація в кожному домені має однаковий напрямок, а спонтанна поляризація в різних доменах сильна.

 

Для полікристалічних сегнетоелектриків відсутня закономірність між взаємними орієнтаціями спонтанної поляризації в різних доменах для всього полікристала через повну довільність орієнтації кристалічних осей між зернами.

Сегнетоелектрики, як правило, не утворюють спонтанно одиничні домени, але багатодоменні кристали можуть бути монодоменними під сильним зовнішнім електричним полем. Під дією сильного зовнішнього електричного поля об’єм домену спонтанної поляризації в багатодоменному кристалі, паралельному або близькому до напрямку зовнішнього поля, буде швидко розширюватися за рахунок утворення нових зародків домену та руху стінок домену, а об’єм домену в інших напрямках буде швидко зменшуватися. Малий зникає, що перетворює весь кристал в єдиний домен. Під дією зовнішнього електричного поля динамічний процес руху зародка нового домену та доменної стінки називається процесом інверсії домену. Цей реверс має деякі характеристики гістерезису, тому сегнетоелектрик демонструє вищезгадану петлю гістерезису.

 

Розгляд окремого п’єзокристала означає припущення, що орієнтація спонтанної поляризації має лише дві можливості: вона позитивна та негативна вздовж певної осі кристала; напрямок зовнішнього електричного поля паралельний осі поляризації. Коли зовнішнє електричне поле дорівнює нулю, поляризація сусідніх доменів у кристалі протилежна, і повний електричний момент кристала дорівнює нулю. Коли зовнішнє електричне поле поступово збільшується, об’єм домену спонтанного напрямку поляризації, протилежного напрямку електричного поля, поступово зменшуватиметься через інверсію домену, і ці домени мають той самий напрямок, що й електричне поле, поступово розширюватимуться, так що кристал буде в напрямку зовнішнього поля. Інтенсивність зростає зі збільшенням електричного поля. Коли електричне поле п’єзоелектричного дискового елемента збільшується настільки, щоб перетворити всі зворотні домени в кристалі на зовнішнє поле, кристал стає одним доменом, поляризація кристала досягає насичення, а потім електричне поле збільшується. Поляризація буде зростати лінійно з електричним полем (так само, як поляризація типового діелектрика) і досягне максимального значення Pmax, яке є функцією електричного поля найвищої поляризації. Коли лінійна частина екстраполюється до нульового електричного поля, результуючий відрізок Ps на вертикальній осі називається насиченою поляризацією, яка насправді є спонтанною поляризацією кожного домену. Коли електричне поле починає зменшуватися від C, поляризація поступово зменшуватиметься вздовж кривої CB. Коли електричне поле п'єзоелектричного керамічного компонента зменшується до нуля, поляризація зменшується до певного значення Pr, яке називається залишковою поляризацією сегнетоелектрика. Коли електричне поле змінює напрямок і збільшується до Ec у негативному напрямку, поляризація зменшується до нуля, зворотне електричне поле продовжує зростати, а поляризація змінюється на протилежну. Ec називають напруженістю коерцитивного поля сегнетоелектрика. Оскільки зворотне електричне поле продовжує збільшуватися, поляризація продовжує збільшуватися в напрямку негативного градієнта та досягає значення насичення (-Pr) у негативному напрямку, і ультразвуковий п’єзоелектричний перетворювач стає однодоменним кристалом, який має негативну поляризацію. Якщо електричне поле безперервно змінюється від високого негативного значення до високого позитивного значення, позитивний домен починає формуватися та рости знову, доки весь кристал знову не стане єдиним доменним кристалом із прямою поляризацією. Під час цього процесу поляризація повертається до точки C вздовж частини FGH зворотної лінії. Таким чином, під дією великого змінного електричного поля електричне поле змінюється на один тиждень, і вищевказаний процес повторюється один раз, показуючи показану петлю гістерезису. Площа, обмежена зворотною лінією, є енергією, необхідною для подвійного інвертування поляризації.