Az ultrahangos piezoelektromos kerámiák jellemzői
Az ultrahangos piezoelektromos kerámia a piezoelektromos tulajdonságokkal rendelkező elektronikus kerámia anyagok egy osztálya. A fő különbség a tipikus piezoelektromos kvarckristályoktól, amelyek nem tartalmaznak ferroelektromos komponenseket, az, hogy a fő összetevőket alkotó kristályfázisok mind ferroelektromos szemcsék. Mivel a kerámia polikristályos aggregátumok véletlenszerűen orientált szemcsékkel, az egyes ferroelektromos szemcsék spontán polarizációs vektora is chaotikusan. orientált. Ahhoz, hogy a kerámiák makroszkopikus piezoelektromos tulajdonságokkal rendelkezzenek, piezoelektromos kerámiában kell kiégetni. A kompozit elektródával a végfelületen történő kialakítása és kombinálása után erős egyenáramú elektromos tér alá helyezik a polarizációs kezelés céljából, így az eredeti rendezetlen orientáció megfelelő polarizációs vektorai előnyösen az elektromos tér iránya mentén orientálódnak. A piezoelektromos kerámiák a polarizációs kezelés után, az elektromos tér kioltása után egy bizonyos makroszkopikus remanens polarizáció megmarad, így a kerámia bizonyos piezoelektromos tulajdonságokkal rendelkezik.
Dielektromos és rugalmas tulajdonságok:
A piezoelektromos kerámiák dielektromos tulajdonsága a kerámiaanyag külső elektromos térre adott válaszának mértékét tükrözi, amelyet általában az ε0 dielektromos állandóval jellemeznek. Ha a külső elektromos tér nem túl nagy, lineáris összefüggést lehet használni a dielektrikum elektromos térre adott válaszára:
Piezoelektromos kerámiák esetén P a polarizációs erősség, ε0 a vákuum permittivitása, E az elektromos szuszceptibilitás, E pedig az alkalmazott elektromos tér. A piezoelektromos kerámia alkatrészek különböző felhasználási területei eltérő követelményeket támasztanak a piezoelektromos kerámiák dielektromos állandójával szemben. Például az olyan audiokomponensek, mint a piezoelektromos kerámia hangszórók, nagy dielektromos állandót igényelnek a kerámiától, míg a nagyfrekvenciás piezoelektromos kerámia alkatrészek kis dielektromos állandót igényelnek az anyagból.
A piezoelektromos kerámiák rugalmassági együtthatója olyan paraméter, amely a kerámia deformációja és az alkalmazott erő közötti összefüggést tükrözi. Más elasztomerekhez hasonlóan a piezoelektromos kerámiaanyagok is követik a Hooke-törvényt: Xmn=cmnpqxmnpq, ahol cmnpq az elasztomer rugalmas keménységi állandója, X a feszültség és x az alakváltozás. Piezoelektromos testeknél a piezoelektromosság miatt a rugalmassági együttható értéke összefügg az elektromos peremfeltételekkel.
Piezoelektromos kerámiák piezoelektromossága:
A piezoelektromos kerámiák legnagyobb jellemzője a piezoelektromosság, beleértve a pozitív piezoelektromosságot és az inverz piezoelektromosságot. A pozitív piezoelektromosság egyes dielektrikumok pozitív és negatív töltésközpontjainak relatív elmozdulását jelenti mechanikai külső erő hatására, ami polarizációt okoz, ami ellentétes előjelű kötött töltések megjelenéséhez vezet a dielektrikumok felületén. Abban az esetben, ha a külső erő nem túl nagy, a töltéssűrűsége arányos a külső erővel, a következő képlet szerint:
ahol δ a felületi töltéssűrűség, d a piezoelektromos alakváltozási állandó és T a húzófeszültség. Ezzel szemben, amikor külső elektromos mezőt alkalmaznak egy piezoelektromos dielektrikumra, a dielektrikumon belüli pozitív és negatív töltésközpontok relatív elmozduláson mennek keresztül, és polarizálódnak, és az elmozdulás a dielektrikum deformálódását okozza. Ezt a hatást inverz piezoelektromosságnak nevezzük. Ha az elektromos tér nem túl erős, a deformáció lineáris kapcsolatban áll a külső elektromos térrel, a következő képlet szerint:
dt az inverz piezoelektromos alakváltozási állandó, azaz d transzponált mátrixa, E az alkalmazott elektromos tér, x pedig a deformáció. A piezoelektromos hatás erőssége tükrözi a kristály rugalmas tulajdonságai és dielektromos tulajdonságai közötti csatolás mértékét, amelyet a K elektromechanikus csatolási együttható képvisel, amely a következő képletet követi:
ahol u12 a piezoelektromos energia, u1 a rugalmas energia és u2 a dielektromos energia.
A piezoelektromos tulajdonságok fizikai mechanizmusai:
A polarizált piezoelektromos kerámialap két végén kötött töltések lesznek, így a külvilágból származó szabad töltések rétege adszorbeálódik az elektróda felületén. Ha a kerámialapra F külső nyomást fejtenek ki, a lap mindkét végén kisülés következik be. Ellenkezőleg, ha meghúzzák, akkor a töltési jelenség jelentkezik. Az a jelenség, amikor ez a mechanikai hatás elektromos hatásgá alakul át, a pozitív piezoelektromos hatáshoz tartozik.
Emellett a piezoelektromos kerámiák spontán polarizáció tulajdonsággal is rendelkeznek, és a spontán polarizáció külső elektromos tér hatására átalakítható. Ezért amikor egy piezoelektromos dielektrikumra külső elektromos mezőt alkalmazunk, az ábrán látható változás következik be, és a piezoelektromos kerámia deformálódik. A piezoelektromos kerámia azonban azért deformálódik, mert ha ugyanazt a külső elektromos teret alkalmazzuk, mint a spontán polarizáció, az egyenértékű a polarizációs erősség fokozásával. A polarizációs szilárdság növekedése a piezoelektromos kerámialapot polarizációs irányban megnyúlik. Ellenkezőleg, ha fordított elektromos mezőt alkalmazunk, a kerámialap a polarizációs irány mentén lerövidül. Ez a jelenség, amely elektromos hatás hatására mechanikai hatásrá alakul át, az inverz piezoelektromos hatás.
Más funkciók:
A piezoelektromos kerámiák érzékeny tulajdonságokkal rendelkeznek, és a rendkívül gyenge mechanikai rezgéseket elektromos jelekké alakítják, amelyek felhasználhatók szonárrendszerekben, időjárás-érzékelésben, telemetriás környezetvédelemben, háztartási készülékekben stb. A piezoelektromos kerámiák külső erőkkel szembeni érzékenysége még az érzékelést is lehetővé teszi. a levegő zavarása, amelyet a repülő rovarok okoznak szárnyaikkal több mint tíz méterrel távolabb. Használata piezoelektromos szeizmométerek készítésére képes pontosan mérni a földrengések intenzitását, és jelezni a földrengések irányszögét és távolságát. Ez a piezoelektromos kerámia nagyszerű bravúrja.
A piezoelektromos kerámiák deformációja az elektromos tér hatására nagyon kicsi, legfeljebb a saját méretének egytíz milliomod része. Ne becsülje alá ezt a kis változást. A precíziós műszerek és gépek, a mikroelektronikai technológia, a biomérnöki és egyéb területek irányítása nagy áldás.
A frekvenciaszabályozó eszközök, például a rezonátorok és a szűrők kulcsfontosságú összetevők, amelyek meghatározzák a kommunikációs berendezések teljesítményét. A piezoelektromos kerámiának e tekintetben nyilvánvaló előnyei vannak. Jó frekvenciastabilitással, nagy pontossággal, széles alkalmazható frekvenciatartománysal, kis mérettel, nem abszorbeál nedvességet és hosszú élettartammal rendelkezik. Különösen a többcsatornás kommunikációs berendezésekben javíthatja az interferencia elleni teljesítményt, ami miatt a korábbi elektromágneses berendezések nem tudnak visszanézni, és szembesülnek a túlterheltség problémájával. Alternatív sors.
