Принцип і класифікація матеріалів ультразвукового п'єзоелектричного керамічного перетворювача

Принцип п’єзоелектричного ефекту ультразвукового п’єзоелектричного керамічного листа полягає в тому, що якщо до п’єзоелектричного матеріалу прикладати тиск, він створюватиме різницю потенціалів (так званий позитивний п’єзоелектричний ефект), а якщо прикладати напругу, це створюватиме механічну напругу (так званий зворотний п’єзоелектричний ефект кільце п'єзокерамічних елементів ). Якщо тиск є високочастотною вібрацією, буде генеруватися високочастотний струм. Коли високочастотний електричний сигнал подається на п’єзоелектричну кераміку, генерується високочастотний акустичний сигнал (механічна вібрація), який ми зазвичай називаємо ультразвуковим сигналом. Іншими словами, п'єзоелектрична кераміка має функцію перетворення та зворотного перетворення між механічною енергією та електричною енергією. Ці взаємовідносини дуже цікаві.

Поділяється на кристали п'єзоелектричної кераміки і ультразвукові п'єзокерамічні елементи . П'єзоелектричні кристали зазвичай відносяться до п'єзоелектричних монокристалів, а п'єзоелектрична кераміка - до п'єзоелектричних полікристалів. П'єзоелектрична кераміка - це тип полікристалів, які утворюються шляхом змішування, формування та спікання високотемпературної сировини з необхідними компонентами, а також нерегулярні дрібні частинки, отримані шляхом твердофазної реакції та спікання між частинками. П'єзокерамічні пластини з п'єзоелектричними властивостями називаються п'єзокерамікою, яка насправді є сегнетоелектричною п'єзокерамікою. Зерна цієї п’єзокераміки мають сегнетоелектричні домени. Сегнетоелектричні домени складаються з 180 доменів з антипаралельними напрямками спонтанної поляризації та 90 доменів з перпендикулярними напрямками спонтанної поляризації. За умови штучної поляризації (застосування посиленого електричного поля постійного струму) ці домени ідеально вирівнюються в напрямку зовнішнього електричного поля, а сила поляризації, що залишилася, зберігається після видалення зовнішнього електричного поля, тому вони мають макроскопічні п’єзоелектричні характеристики. Наприклад, титанат барію Bt, титанат цирконат свинцю PZT, титанат цирконат свинцю модифікований, метаніобат свинцю, ніобат свинцю літію барій pbln, титанат свинцю модифікований pt тощо. Успішна розробка цього матеріалу PZT сприяла вдосконаленню та підвищенню продуктивності різних п’єзоелектричних пристроїв акустичних ультразвукових перетворювачів і п’єзоелектричних датчиків.

П'єзоелектричний ефект ультразвукового п'єзоелектричного керамічного листа означає, що структура деяких окремих п'єзокристалічних матеріалів має асиметричні характеристики. Коли ці PZT-матеріали піддаються прикладеній напрузі та деформації, зміни (деформація) у внутрішній структурі решітки зруйнують оригінальність електричної нейтральності. Макроскопічний стан генерує поляризоване електричне поле (поляризація), а генероване електричне поле (інтенсивність поляризації) пропорційне величині деформації. Це явище називається позитивним п'єзоелектричним ефектом, який був відкритий братами Кюрі в 1880 році. Пізніше, в 1881 році, було додатково виявлено, що цей монокристалічний матеріал також має зворотний п'єзоелектричний ефект. Коли матеріал із позитивним п’єзоелектричним ефектом піддається дії зовнішнього електричного поля, утворюється напруга та деформація, яка пропорційна величині зовнішнього електричного поля. П'єзоелектричний ефект - це особливість кристалічної структури, яка пов'язана з асиметрією кристалічної структури, а величина і природа п'єзоелектричного ефекту пов'язані з напрямком прикладеної напруги або електричного поля відносно осі кристала. Існують різні одинарні PZT високопотужні п’єзокерамічні кристалічні матеріали з п’єзоелектричними ефектами, такі як природні кристали кварцу (SiO 2) і штучні монокристалічні матеріали, такі як сульфат літію (Li2SO4), ніобат літію (LiNbO3) тощо.