Процес п'єзоелектричної кераміки фізичний механізм

П'єзоелектрична кераміка - це полікристалічна плівка з п'єзоелектричним ефектом, і її виробничий процес названий на честь подібного процесу виробництва (подрібнення сировини, формування, високотемпературне спікання). Деякі анізотропні п’єзокристали зазнають деформації під дією механічної сили, що призводить до відносного зміщення заряджених частинок,П'єзокерамічний диск із матеріалу PZT призводить до появи позитивних і негативних зв'язаних зарядів на поверхні п'єзокристала. Це явище називається п'єзоелектричним ефектом. Ця властивість кристала називається п'єзоелектрикою. П'єзоелектрика була відкрита в 1880 році Ж. Кюрі і братами П. Кюрі. Кілька місяців по тому вони експериментально перевірили зворотний п'єзоелектричний ефект, тобто коли на п'єзокристал подається напруга, п'єзокристал зазнає геометричної деформації. До 1940 року були відомі лише два типи сегнетоелектриків (не тільки спонтанно поляризовані в певному температурному діапазоні, але також спонтанна поляризація кристалів, які можуть бути переорієнтовані через напруженість зовнішнього поля): один - це сіль, що залишилася, і трохи близько пов'язаний тартрат; одним є дигідрофосфат калію та його еквівалент. Перший має п’єзоелектрику при нормальній температурі та має технічну цінність, але має недолік — легко розчиняється; останній має п'єзоелектричність при низькій температурі (менше -14 C), і інженерне використання невелике. Між 1942 і 1945 роками було виявлено, що титанат барію (BaTiO) має аномально високу діелектричну проникність. Невдовзі було встановлено, що він є п’єзоелектричним, і відкриття п’єзоелектричної кераміки BaTi O стало квантовим стрибком у п’єзоелектричних матеріалах. Раніше існував лише п’єзоелектричний монокристалічний матеріал, а згодом з’явився і широко використовувався п’єзоелектричний полікристалічний матеріал – п’єзоелектрична кераміка. У 1947 році Сполучені Штати використовували кераміку BaTiO для виготовлення звукознімачів для фонографів. Японія використала його на два роки пізніше, ніж США. Недоліком BaTiO є те, що п’єзоелектрика слабша, ніж у спочиваючої солі, а п’єзоелектрика більша, ніж у кристала п’єзокварцу з температурою. У 1954 році Б. Джаффе та інші відкрили п’єзоелектричну систему твердих розчинів PbZrO-PbTiO (PZT), що є епохальною подією, яка унеможливила виготовлення пристроїв в епоху BaTiO. З того часу була розроблена прозора п’єзоелектрична кераміка PZT, щоб розширити застосування п’єзоелектричної кераміки в галузі оптики. Поки що застосування п'єзоелектричної кераміки, від розвитку Всесвіту до життя сім'ї, надзвичайно широке. Дослідження п'єзоелектричної кераміки в Китаї почалися наприкінці 1950-х років, приблизно на 10 років пізніше, ніж у інших країнах. В даний час є досить сильні сили в дослідному виробництві та промисловому виробництві п'єзоелектричної кераміки. Багато матеріалів досягли або близькі до міжнародного рівня.

Фізичний механізм п'єзоелектрики п'єзокераміки

П’єзоелектрична кераміка — це полікристали, п’єзоелектричність яких можна пояснити п’єзоелектричністю п'єзоелектричні диски кристал . Під дією механічної сили загальний електричний дипольний момент (поляризація) змінюється, в результаті чого виникає п'єзоелектричне явище. П'єзоелектрика тісно пов'язана з поляризацією, деформацією.

Мікроскопічний механізм поляризації
Стан поляризації — це стан, при якому електричне поле чинить відносну силу зміщення зарядженої точки діелектрика та тимчасово врівноважує взаємне тяжіння між зарядами. Існує три основних механізми поляризації.

(1) Поляризація електронного зміщення — атом або іон діелектрика не збігається з центром негативного заряду позитивно зарядженого ядра та електронної оболонки під дією сили електричного поля.
(2) Поляризація іонного зміщення — позитивні та негативні іони діелектрика відносно зміщуються під дією сили електричного поля, створюючи таким чином електричний дипольний момент.
(3) Орієнтаційна поляризація — полярні молекули, що утворюють діелектрик, мають певний власний (властивий) електричний момент. Внаслідок теплового руху орієнтація невпорядкована, загальний електричний момент дорівнює нулю. Коли прикладається електричне поле, напрямок електричного поля вирівнюється, і з’являється макроскопічний електричний дипольний момент.
Для анізотропних кристалів зв'язок між поляризацією та електричним полем

2. П'єзоелектричний ефект

(1) Позитивний п'єзоелектричний ефект
Коли керамічний перетворювач пейзоелектричних дисків деформується зовнішньою силою, центри позитивного та негативного заряду відносно зміщуються, а на деяких відповідних гранях генеруються протилежні заряди, і виникає інтенсивність поляризації. Це явище відсутності електричного поля та поляризації через деформацію називається позитивним п’єзоелектричним ефектом.

Для анізотропних кристалів напруга прикладається до п’єзокристала, і кристал демонструватиме пропорційну поляризацію в трьох напрямках X, Y та Z, які називаються константою п’єзоелектричної напруги та константою п’єзоелектричної деформації відповідно.

(2) Зворотний п’єзоелектричний ефект
Коли до кристала прикладається електричне поле, виникає не лише поляризація, але й деформація, і це явище деформації електричним полем називається зворотним п’єзоелектричним ефектом. Це пов’язано з тим, що коли кристал піддається електричному полю, усередині кристала виникає напруга (п’єзоелектрична напруга), а п’єзоелектрична напруга породжується напругою.
.
3. Механізм дії тиску

П'єзоелектричний ефект вперше був виявлений на п'єзокристалах. Тепер ми використовуємо кристали матеріалу PZT як модель для ілюстрації фізичного механізму п’єзоелектричного ефекту.

Коли тиск не прикладається, центри позитивного та негативного заряду п’єзокристала розподіляються. У цей час центри позитивного і негативного заряду збігаються, і повний електричний момент п'єзокристала дорівнює нулю, а поверхня кристала не заряджена (не п'єзоелектрична).

Коли датчик тиску прикладається в напрямку x, кристал матеріалу деформується, а центри позитивного та негативного заряду розділяються, тобто електричний диполь змінюється, так що накопичення заряду відбувається в площині X.
Коли тиск прикладається в напрямку осі Y, тут показано розподіл позитивних і негативних центрів заряду кристала, коли загальний електричний дипольний момент змінюється і викликає накопичення заряду в площині X, протилежній фронту. Очевидно, що заміна попередньої стискаючої сили на розтягуючу вказує на зміну знака заряду. Коротше кажучи, коли датчик тиску прикладається до п’єзоелектричного кристала, може виникнути п’єзоелектричний ефект.