Анализ пьезоэлектрических керамических характеристик

пьезоэлектрический эффект и диэлектрический эффект пьезоэлектрической керамики

Пьезоэлектрический эффект заключается в том, что когда некоторые диэлектрики деформированы внешней силой в определенном направлении, поляризация происходит внутри, а положительные и отрицательные противоположные заряды появляются на двух противоположных поверхностях. Когда внешняя сила будет удалена, она вернется в незаряженное состояние. Это явление вызвано положительным пьезоэлектрическим эффектом. Когда направление силы меняется, полярность заряда также меняется. Напротив, когда электрическое поле применяется в направлении поляризации диэлектрика, эти диэлектрики также деформируются, а деформация диэлектрика исчезает после удаления электрического поля. Это явление называется обратным пьезоэлектрическим эффектом или электротехникой. Один тип датчика, разработанный на основе диэлектрического пьезоэлектрического эффекта, называется датчиком пьезоэлектрического кристаллов.

Любая среда в электрическом поле будет вызывать деформацию среды из -за влияния индуцированной поляризации, и эта деформация отличается от деформации, вызванной обратным пьезоэлектрическим эффектом. Диэлектрик может быть эластически деформирован внешней силой, пьезоэлектрический датчик керамического удара может деформироваться путем поляризации внешнего электрического поля. Деформация из -за индуцированной поляризации пропорциональна квадрату внешнего электрического поля, которое является электрострикционным эффектом Анкет Деформация, которую он производит, не зависит от направления внешнего электрического поля. Деформация, вызванная обратным пьезоэлектрическим эффектом, пропорциональна внешнему электрическому полю, и при изменении электрического поля деформация также изменяется (например, исходное удлинение может быть сокращено, или исходное сокращение может быть изменено на удлинение). Кроме того, электрострикционный эффект присутствует во всех диэлектриках, независимо от того, оказывает ли не пизоэлектрические или пьезоэлектрические эффекты диэлектрических кристаллов различных структур. Обратный пьезоэлектрический эффект обнаруживается только в кристаллах пьезоэлектрической керамики.

Пьезо -керамический кристалл материалов PZT, который дает пьезоэлектрический эффект, называется пьезоэлектрическим кристаллом. Одним из типов пьезоэлектрического кристалла является монокристалл, такой как кварц (SIO2), тартрат калия натрия (также известный как соль неудачника, NAKC4H4O6.H2O), рутенат висмута (BI12GEO20). Другой тип пьезоэлектрического кристалла называется пьезоэлектрической керамикой, такой как титанат бария (BATIO3), свинцовый цирконат титанат PB (ZRXTIRX) O3, свинец бискус магния цирконата, сделанный в Японии, добавленный в PZT, висмут -мангезец в Китае. Ведущий цирконат титанат PB (MN1/2SB2/3) O3 добавляли в яму.

Диэлектрик - это изолятор, который может быть электродирован. Использование диэлектриков довольно обширно. Диэлектрическая проводимость пьезоэлектрического керамического элемента очень низкая, в сочетании с хорошими свойствами диэлектрической прочности, которые можно использовать для изготовления электрических изоляторов. Кроме того, диэлектрик может быть высоко электроодепс. Изучение диэлектрических свойств включает в себя хранение и рассеяние электрической и магнитной энергии в материале. Это исследование чрезвычайно важно для объяснения различных явлений электроники, оптики и физики твердого состояния. Диэлектрические свойства относятся к свойствам хранения и потери электростатической энергии под действием электрического поля, обычно выражаемого диэлектрической постоянной и диэлектрической потерей. Когда высокочастотные технологии применяются к материалам, таким как составное настил твердого древесины, диэлектрические свойства очень важны при использовании высокочастотного горячего прессования. Когда среда применяется с помощью электрического поля, индуцированный заряд генерируется для ослабления электрического поля. Соотношение исходного приложенного электрического поля (в вакууме) к электрическому полю в конечной среде - это диэлектрическая проницаемость, также известная как индуцированная скорость тока.

В электромагнетизме, когда к диэлектрику применяется электрическое поле пьезоэлектрических кнопок, генерируется электрический диполь из -за относительного смещения положительных и отрицательных зарядов внутри диэлектрика. Это явление вызвано электрической поляризацией. Приложенное электрическое поле может быть внешним электрическим полем или электрическим полем, генерируемым бесплатным зарядом, встроенным внутри диэлектрика. Электрический диполь, генерируемый поляризацией, называется \ «Индуктивный электрический диполь \», а его электрический дипольный момент называется индуктивным электрическим дипольным моментом. Piezo Ceramic обладает способностью формировать электрод под действием электрического поля. Разделен на электрическую изоляцию, конденсаторы, пьезоэлектрическую, пироэлектрическую и сегнетоэлектрическую керамику в соответствии с их использованием и производительностью.

Поляризация пьезоэлектрической керамической диэлектрической

Кристаллы пьезоэлектрической керамики представляют собой диэлектрические и анизотропные диэлектрики, поэтому диэлектрические свойства пьезоэлектрических кристаллов отличаются от свойств изотропных диэлектриков.

Диэлектрик поляризован под действием электрического поля, а поляризационное состояние представляет собой состояние, в котором электрическое поле оказывает относительное силу смещения на точке заряда диэлектрического и временный баланс взаимного притяжения между зарядами. Электрическое поле является внешней причиной поляризации. Внутренняя причина поляризации лежит во внутренней части среды. С микроскопическими процессами внутри среды существуют три основных механизма поляризации.

(1) атом или ион, который составляет диэлектрик. Под действием электрического поля положительно заряженное ядро ​​не совпадает с негативным центром его оболочки, тем самым генерируя электрический дипольный момент. Эта поляризация называется поляризацией смещения электронов.

(2) Положительные и отрицательные ионы, которые составляют диэлектрики, подвергаются относительному смещению под действием электрического поля, что приводит к электрическому дипольному моменту, называемому поляризацией смещения ионов.

(3) Молекулы, которые составляют диэлектрик, представляют собой полярные молекулы с определенным внутренним электрическим моментом, но из -за теплового движения ориентация неупорядочена, а общий электрический момент всего диэлектрика равен нулю. Когда внешнее электрическое поле действует, эти электрические дипольные моменты будут выровнены вдоль внешнего поля, ультразвуковой пьезоэлектрический кристалл создает макроскопический электрический дипольный момент в диэлектрике, который вызывается на поляризации ориентации.

1. Поляризация смещения бесконечной молекулы

Когда диэлектрик без электродов находится во внешнем электрическом поле под действием силы электрического поля, положительные и отрицательные центры заряда молекулы будут производить относительные смещения с образованием электрического диполя, а их эквивалентные электрические дипольные моменты P ориентированы вдоль направления электрического поля. Для диэлектрического пьезоэлектрического в целом, так как каждая молекула в диэлектрических формах электрических диполей они расположены в диэлектрике. Положительные и отрицательные заряды смежных электрических диполей в диэлектрике близки друг к другу. Если диэлектрик является равномерным, он остается электрически нейтральным по всему нему, но на поверхности диэлектрика, перпендикулярно внешней прочности электрического поля E0. Там будет положительный и отрицательный заряд, соответственно, которые не могут оставить диэлектрик и не могут свободно перемещаться в диэлектрике, это явление поляризованных зарядов в диэлектрике под действием внешнего электрического поля называется поляризацией диэлектрика. Чем сильнее внешнее электрическое поле, тем больше относительное смещение между положительным и отрицательным зарядом центров каждой молекулы, тем больше, тем больше электрический дипольный момент молекулы, тем более поляризованные заряды появляются на обеих поверхностях диэлектрика, так и тем более поляризованные высокие Анкет Когда внешнее электрическое поле резонансной частоты пьезоэлектрического преобразователя удаляется, центры положительных и отрицательных зарядов снова совпадают (p = 0), поэтому этот тип молекулы можно рассматривать как упругой электрический диполь, эластичная сила, подключенным двумя двумя эквивалентные эквивалентные электрические заряды. Величина электрического дипольного момента P пропорциональна прочтению поля. Поскольку поляризация бесконечной молекулы лежит в относительном смещении центра положительных и отрицательных зарядов, ее часто называют немного.

Ориентированная поляризация полярных молекул

Что касается полярного молекулярного диэлектрика, то центр положительных и отрицательных зарядов в молекуле эквивалентен электрическому диполю. Под действием внешнего электрического поля оно будет подвергнуто мгновению, так что электрический дипольный момент p молекулы поворачивается в направлении электрического поля. Из -за вмешательства молекулярного теплового движения это рулевое управление крошечное, и невозможно выравнивать электрические дипольные моменты всех молекул вдоль направления электрического поля. Более сильное внешнее электрическое поле пьезоэлектрического электрода пьезоэлектрической керамики, тем более аккуратным является порядок рулевого управления электрическим дипольным моментом молекулы. На макроскопическом уровне более поляризованные заряды появляются на обеих поверхностях, перпендикулярных диэлектрику, так и внешнее электрическое поле, более высокая степень поляризации. Когда внешнее электрическое поле удаляется, направление электрического дипольного момента молекулы становится нерегулярным расположением из -за теплового движения молекул, а диэлектрик все еще нейтрален. Поляризация полярных молекул лежит в направлении, в котором эквивалентный электрический диполь превращается в внешнее электрическое поле, поэтому он называется поляризацией ориентации. В целом, хотя молекулы поляризованы одновременно, существует также поляризация смещения. Хотя микроскопические процессы поляризации двух типов диэлектриков, полярные разные, но макроскопические эффекты одинаковы. Поляризованные заряды различных чисел пьезоэлектрических датчиков появляются на двух противоположных поверхностях диэлектрика, и внешнее электрическое поле увеличивается. Появляются более поляризованные заряды. Следовательно, когда явление поляризации диэлектрика описано макроскопически ниже, нет необходимости делиться на два вида диэлектриков для обсуждения.

3. Сегроэлектричество пьезоэлектрических керамических кристаллов

Поляризация некоторых диэлектриков очень особенная. В определенном температурном диапазоне их диэлектрические константы не являются постоянными, а изменяются в зависимости от прочности поля, и после удаления внешнего электрического поля эти диэлектрики не являются нейтральными. Есть остаточная поляризация. Чтобы быть аналогичным тому факту, что ферромагнитные материалы могут оставаться намагниченными, это свойство пьезо керамического преобразователя часто называют сегнетоэлектричеством. Сегнетоэлектрический диэлектрик называется сегнетоэлектрическим. Среди них керамика Barium Titanate (BATIO3), монокристалл тартрат калия натрия (NAKC4H4O6 церх2O) и тому подобное наиболее заметны. Цикл гистерезиса показывает, что поляризация между сегнетоэлектрическим телом и приложенным электрическим полем нелинейной, и поляризация обращается вспять, когда внешнее электрическое поле изменяется. Инверсия поляризации является результатом инверсии домена, поэтому петля гистерезиса указывает на наличие доменов в сегнетоэлектрических. Так называемые домены представляют собой небольшие области, в которых спонтанные направления поляризации в сегнетоэлектриках являются равномерными, и домены. Граница между ними называется доменной стеной. Ферроэлектрические кристаллы пьезоэлектрических керамических продуктов обычно представляют собой многодомены, спонтанная поляризация в каждом домене имеет одинаковое направление, а спонтанная поляризация в разных доменах сильна.

Для поликристаллических сегнетоэлектриков нет регулярности между относительной ориентацией спонтанной поляризации в различных доменах для всего поликристалла из -за полного произвола ориентации кристаллических оси между зернами.

Ферроэлектрики, как правило, не спонтанно образуют отдельные домены, но мультидоменные кристаллы могут быть монодоманизированы под сильным внешним электрическим полем. Под действием сильного внешнего электрического поля объем домена спонтанной поляризации в многодоменной кристаллической параллельной или близкой к направлению внешнего поля будет быстро расширяться из-за образования ядерных доменных ядер и движения стен домена, и объем домена в других направлениях будет быстро уменьшаться. Small исчезает, что превращает весь кристалл в один домен. Под действием внешнего электрического поля динамический процесс ядра нового домена и движения доменной стенки называется процессом обращения домена. Это изменение имеет некоторые характеристики гистерезиса, поэтому сегнетоэлектрик демонстрирует вышеупомянутую петлю гистерезиса.

Учитывая, что один пьезо -кристалл предполагает, что ориентация спонтанной поляризации имеет только две возможности. Он положительный и отрицательный вдоль определенной оси кристаллов; Направление внешнего электрического поля параллельно оси поляризации. Когда внешнее электрическое поле равно нулю, поляризация соседних доменов в кристалле противоположна, а общий электрический момент кристалла равен нулю. Когда внешнее электрическое поле постепенно увеличивается, объем домена спонтанного направления поляризации, противоположного направлению электрического поля, будет постепенно уменьшаться из -за инверсии домена, и эти домены имеют такое же направление, что и электрическое поле постепенно будет постепенно Расширить, чтобы кристалл находился в направлении внешнего поля. Интенсивность увеличивается с увеличением электрического поля. Когда электрическое поле пьезоэлектрического диска увеличивается достаточно, чтобы обратить вспять все обратные домены в кристалле на внешнее поле, кристалл становится одним доменом, поляризация кристалла достигает насыщения, а затем увеличивается электрическое поле. Поляризация будет линейно увеличиваться с электрическим полем (так же, как поляризация типичного диэлектрика) и достигнет максимального значения PMAX, что является функцией наивысшего поляризационного электрического поля. Когда линейная часть экстраполируется до нулевого электрического поля, полученный PS -перехват на вертикальной оси называется насыщенной поляризацией, которая на самом деле является спонтанной поляризацией каждого домена. Когда электрическое поле начнет уменьшаться от C, поляризация будет постепенно уменьшаться. вдоль кривой C-B. Когда электрическое поле пьезоэлектрического керамического компонента уменьшается до нуля, поляризация уменьшается до определенного значения PR, который называется остаточной поляризацией сегнетоэлектрического. Когда электрическое поле меняет направление и увеличивается до ЕС в отрицательном направлении, поляризация уменьшается до нуля, обратное электрическое поле продолжает увеличиваться, а поляризация обращается вспять. ЕС называется принудительным полем цепной мощности. По мере того, как обратное электрическое поле продолжает увеличиваться, поляризация продолжает увеличиваться в направлении отрицательного градиента и достигает значения насыщения (-pr) в отрицательном направлении, а ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь становится кристаллом единого домена, который имеет отрицательную поляризацию. Если электрическое поле постоянно изменяется от высокого отрицательного значения до высокого положительного значения, положительный домен начинает образовываться и расти снова, пока весь кристалл не станет односторонним кристаллом домена с прямой поляризацией. В ходе этого процесса поляризация возвращается в точку C вдоль части FGH возвратной линии. Таким образом, под действием большого переменного электрического поля электрическое поле изменяется на одну неделю, а вышеупомянутый процесс повторяется один раз, показывая показанный цикл гистерезиса. Площадь, заключенная в обратную линию, представляет собой энергию, необходимую для обращения поляризации дважды.