Принцип п'єзоелектричного ефекту та його застосування в п'єзокераміці

Коли деякі діелектрики деформуються зовнішньою силою в певному напрямку, всередині них виникає поляризація, і на двох протилежних поверхнях виникають 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 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'єзоефектом, або електрострикцією. П'єзоелектрична кераміка насправді є поляризованою сегнетоелектричною керамікою з п'єзоелектричним ефектом. Це новий матеріал для інформації. П'єзоелектрична кераміка є одним із видів функціональної кераміки.

По-перше, принцип п'єзоелектричного ефекту:
   Принцип п'єзоелектричного ефекту pzt п’єзокераміка полягає в тому, що якщо до п’єзоелектричного матеріалу прикладати тиск, він створює різницю потенціалів (так званий позитивний п’єзоелектричний ефект), і навпаки, створюється механічне напруження (так званий зворотний п’єзоелектричний ефект). Якщо тиск є високочастотною вібрацією, то генерується високочастотний струм. Коли високочастотний електричний сигнал подається на п’єзоелектричну кераміку, генерується високочастотний акустичний сигнал (механічна вібрація), який ми зазвичай називаємо ультразвуковим сигналом. Тобто, п’єзоелектрична кераміка має функцію перетворення та зворотного перетворення між механічною енергією та електричною енергією, і цей взаємозв’язок справді дуже цікавий. П’єзоелектричні матеріали можуть створювати електричні поля через механічну деформацію або механічну деформацію через електричне поле. Цей властивий механічно-електричний ефект зв’язку робить п’єзоелектричні матеріали широко використовуваними в техніці. Наприклад, п’єзоелектричні матеріали були використані для створення інтелектуальних структур. Окрім здатності до самопідтримки, такі конструкції мають такі функції, як самодіагностика, самоадаптація та самовідновлення, і вони відіграють важливу роль у майбутньому проектуванні літаків.

2. П'єзоелектричний матеріал
П'єзоелектричний ефект п'єзоелектричних матеріалів п'єзодисковий датчик завдяки особливому розташуванню атомів у кристалічній решітці, завдяки чому матеріал має ефект зв'язку поля напруги та електричного поля. Залежно від типу матеріалу п'єзоелектричні матеріали можна класифікувати на п'єзоелектричні монокристали, п'єзоелектричні полікристали (п'єзоелектрична кераміка), п'єзоелектричні полімери та п'єзоелектричні композитні матеріали. Відповідно до конкретної форми матеріалу, його можна розділити на два типи: п'єзоелектричний матеріал і п'єзоелектрична плівка.

3. П’єзоелектричний монокристал
П’єзоелектричні монокристали — це здебільшого залізні транзистори. Також до складу входять кварц, сульфід кадмію, оксид цинку, нітрид алюмінію та інші кристали. Ці сегнетоелектричні кристали включають кисневий транзистор з кисневим октаедром, такий як кристал титанату барію, ніобат літію зі структурою ніобату літію, рутенат вісмуту та кристал рутенату стронцію зі структурою вольфрамової бронзи. Сегнетоелектричний транзистор містить водневий зв’язок, такий як кристали дигідрофосфату калію, дигідрофосфату амонію та гідрофосфату свинцю (і фосфату свинцю-стронцію). Кристал титанату барію або подібне, що має шарувату структуру. В даний час найбільш широко використовується несегнетоелектричний кварцовий транзистор, залізний типовий транзистор тиску, ніобат літію та рутенат вісмуту.

4. П’єзоелектричний полімер
Ще в 1940 році Радянський Союз виявив, що деревина є п’єзоелектричною керамікою. П’єзоелектрика була виявлена ​​в таких тканинах, як рамі, шовковий бамбук, кістки тварин, шкіра та кровоносні судини. У 1960 році була відкрита п'єзоелектрика синтетичних полімерів. У 1969 році було виявлено, що полівініліденфторид після електроосадження має сильну п'єзоелектрику. Матеріали з сильними п’єзоелектричними властивостями включають PVDF та його кополімери, полівінілфторид, полівінілхлорид, полі-γ-метил-L-глутамат і нейлон-11.

5. П’єзоелектричні композитні матеріали
П’єзоелектричні композити — це п’єзоелектричні матеріали, складені з двох або більше матеріалів. Звичайні п’єзоелектричні композити – це двофазні композити з п’єзоелектричної кераміки та полімерів, таких як полівініліденфторид-активна епоксидна смола. Цей композитний матеріал поєднує в собі сильні сторони п’єзоелектричної кераміки та полімерів, має відмінну гнучкість і властивості обробки, а також має низьку щільність і легко підібрати акустичний імпеданс до повітря, води та біологічних тканин. Крім того, п'єзоелектричні композити також мають високу п'єзоелектричну постійну. П’єзоелектричні композити мають широкий спектр застосування в медицині, датчиках і вимірюваннях.

Застосування п'єзоелектричного ефекту п'єзокераміки

1. Виробничі характеристики
П’єзоелектрична кераміка характеризується поляризаційною обробкою сегнетоелектричної кераміки в електричному полі постійного струму для отримання п’єзоелектричного ефекту. Як правило, поляризаційне електричне поле становить від 3 до 5 кВ/мм, температура від 100 до 150 °C, час від 5 до 20 хв. Ці три основні фактори впливають на ефект поляризації. П’єзоелектрична кераміка з кращими характеристиками, така як кераміка з цирконат-титанату свинцю, має коефіцієнт електромеханічного зв’язку від 0,313 до 0,694.

П'єзоелектрична кераміка в основному використовується у виробництві ультразвукових перетворювачів, гідроакустичних перетворювачів, електроакустичних перетворювачів, керамічних фільтрів, керамічних трансформаторів, керамічних дискримінаторів, генераторів високої напруги, інфрачервоних детекторів, акустичних поверхневих пристроїв, електрооптичних пристроїв, запальників і п'єзоелектричних гіроскопів.

2. Властивості кераміки
П'єзоелектрична кераміка має чутливі характеристики і може перетворювати надзвичайно слабку механічну вібрацію в електричні сигнали, які можуть бути використані в сонарних системах, виявленні погоди, телеметрії захисту навколишнього середовища, побутовій техніці тощо. Землетруси є руйнівними катастрофами, і джерело землетрусу починається в глибинах земної кори. Раніше це було важко передбачити, і люди потрапляли в незручну ситуацію. Чутливість п'єзокераміки до зовнішньої сили дозволяє відчувати збурення повітря літаючими комахами, які махають крилами на відстані більше десяти метрів. Його можна використовувати для виготовлення п’єзоелектричного сейсмографа, який може точно вимірювати інтенсивність землетрусу та вказувати напрямок і відстань землетрусу. Це не може бути великим досягненням п'єзокераміки. П'єзоелектрична кераміка виробляє невелику деформацію під дією електричного поля, до частки мільйонної частки власного розміру. Не варто недооцінювати цю невелику зміну, точний механізм керування, заснований на цьому принципі – п’єзоелектричний привід для точних приладів і механічного керування, мікроелектроніки, біоінженерії та інших галузей є великою перевагою. Пристрої регулювання частоти, такі як резонатори та фільтри, є ключовими пристроями, які визначають продуктивність пристроїв зв’язку. У цьому відношенні п'єзокераміка має очевидні переваги. Він має хорошу стабільність частоти, високу точність і широкий діапазон частот, а також невеликий розмір, негігроскопічний і довгий термін служби. Особливо в багатоканальному комунікаційному обладнанні це може покращити здатність запобігати перешкодам, так що попереднє електромагнітне обладнання не можна озиратися назад.

3. Застосування
П'єзоелектрична кераміка - це нові функціональні електронні матеріали з високим інтелектом. Завдяки постійним дослідженням і вдосконаленню матеріалів і процесів застосування п’єзоелектричної кераміки стає все більш широким. Як машина, електрика, звук, світло та теплочутливі матеріали, п'єзоелектричні матеріали П'єзокерамічний дисковий перетворювач широко використовується в датчиках, перетворювачах, неруйнівному контролі та комунікаційних технологіях. Полікристали утворюються твердофазною реакцією в різних країнах світу. І загальна назва сегнетоелектричної кераміки з п'єзоелектричним ефектом шляхом обробки поляризацією високої напруги постійного струму є різновидом досліджень і розробок, які можуть надати великого значення механічній енергії п'єзоелектричних керамічних матеріалів. З розвитком високих технологій застосування п'єзоелектричної кераміки буде ставати все ширшим. Окрім використання у сферах високих технологій, це більше стосується служіння людям у повсякденному житті та створення кращого життя для людей.

П'ять поширених застосувань п'єзоелектричної кераміки в нашому повсякденному житті:
1: Застосування позитивного та негативного п'єзоелектричного ефекту
2: П'єзоелектричний керамічний зумер | Доповідач
3: П’єзоелектричний керамічний датчик
4: П’єзоелектричний трансформатор
5: П’єзоелектричний керамічний запал.
Можна сказати, що хоча п’єзоелектрична кераміка є новим матеріалом, вона досить цивільна. Його використовують у високих технологіях, але більше в житті, щоб створити краще життя для людей.