Характеристики ультразвуковой пьезоэлектрической керамики
Ультразвуковая пьезоэлектрическая керамика представляет собой класс электронных керамических материалов с пьезоэлектрическими свойствами. Основное отличие от типичных пьезоэлектрических кристаллов кварца, не содержащих сегнетоэлектрических компонентов, состоит в том, что все кристаллические фазы, составляющие их основные компоненты, представляют собой сегнетоэлектрические зерна. ориентированный. Чтобы керамика проявляла макроскопические пьезоэлектрические свойства, она должна быть обожжена в пьезоэлектрической керамике. После формирования и объединения с композитным электродом на торце его помещают в сильное постоянное электрическое поле для поляризационной обработки, так что соответствующие векторы поляризации исходной неупорядоченной ориентации преимущественно ориентированы вдоль направления электрического поля. Пьезоэлектрическая керамика после поляризационной обработки. После отключения электрического поля сохраняется определенная макроскопическая остаточная поляризация, так что керамика обладает определенными пьезоэлектрическими свойствами.
Диэлектрические и упругие свойства:
Диэлектрические свойства пьезоэлектрической керамики отражают степень реакции керамического материала на внешнее электрическое поле, которое обычно представлено диэлектрической проницаемостью ε0. Когда внешнее электрическое поле не слишком велико, для реакции диэлектрика на электрическое поле можно использовать линейную зависимость:
Для пьезоэлектрической керамики P — сила поляризации, ε0 — диэлектрическая проницаемость вакуума, E — электрическая восприимчивость, E — приложенное электрическое поле. Различные области применения пьезоэлектрических керамических компонентов предъявляют различные требования к диэлектрической проницаемости пьезокерамики. Например, аудиокомпоненты, такие как пьезоэлектрические керамические динамики, требуют большой диэлектрической проницаемости керамики, в то время как высокочастотные пьезоэлектрические керамические компоненты требуют небольшой диэлектрической проницаемости материала.
Коэффициент упругости пьезоэлектрической керамики представляет собой параметр, отражающий взаимосвязь между деформацией керамики и приложенной силой. Как и другие эластомеры, пьезоэлектрические керамические материалы подчиняются закону Гука: Xmn=cmnpqxmnpq, где cmnpq называется упругой константой твердости эластомера, X — напряжение, а x — деформация. Для пьезоэлектрических тел из-за пьезоэлектричества значение коэффициента упругости связано с электрическими граничными условиями.
Пьезоэлектричество пьезоэлектрической керамики:
Самой большой характеристикой пьезоэлектрической керамики является пьезоэлектричество, включая положительное пьезоэлектричество и обратное пьезоэлектричество. Под положительным пьезоэлектричеством понимается относительное смещение центров положительного и отрицательного заряда в некоторых диэлектриках под действием механической внешней силы, вызывающее поляризацию, приводящую к возникновению на поверхности диэлектриков связанных зарядов противоположного знака. В случае, когда внешняя сила не слишком велика, его плотность заряда пропорциональна внешней силе по формуле:
где δ — плотность поверхностного заряда, d — постоянная пьезоэлектрической деформации, T — растягивающее напряжение. И наоборот, когда внешнее электрическое поле приложено к пьезоэлектрическому диэлектрику, центры положительного и отрицательного заряда внутри диэлектрика испытывают относительное смещение и поляризуются, и это смещение вызывает деформацию диэлектрика. Этот эффект называется обратным пьезоэлектричеством. Когда электрическое поле не очень сильное, деформация имеет линейную зависимость от внешнего электрического поля по формуле:
dt — обратная константа пьезоэлектрической деформации, т. е. транспонированная матрица d, E — приложенное электрическое поле, а x — деформация. Сила пьезоэлектрического эффекта отражает степень связи между упругими и диэлектрическими свойствами кристалла, которая представлена коэффициентом электромеханической связи К, который следует формуле:
где u12 — пьезоэлектрическая энергия, u1 — упругая энергия, u2 — диэлектрическая энергия.
Физические механизмы пьезоэлектрических свойств:
Два конца поляризованного пьезоэлектрического керамического листа будут иметь связанные заряды, поэтому на поверхности электрода адсорбируется слой свободных зарядов из внешнего мира. Когда к керамическому листу прикладывается внешнее давление F, разряд происходит на обоих концах листа. Наоборот, если его потянуть, произойдет явление зарядки. Явление, при котором этот механический эффект превращается в электрический, относится к положительному пьезоэлектрическому эффекту.
Кроме того, пьезокерамика обладает свойством спонтанной поляризации, причем спонтанная поляризация может трансформироваться под действием внешнего электрического поля. Следовательно, когда к пьезоэлектрическому диэлектрику приложено внешнее электрическое поле, произойдет изменение, показанное на рисунке, и пьезоэлектрическая керамика будет деформирована. Однако причина, по которой пьезоэлектрическая керамика деформируется, заключается в том, что при приложении того же внешнего электрического поля, что и спонтанная поляризация, это эквивалентно увеличению силы поляризации. Увеличение силы поляризации заставляет пьезоэлектрический керамический лист удлиняться в направлении поляризации. Наоборот, если приложено обратное электрическое поле, керамический лист укорачивается в направлении поляризации. Это явление, которое преобразуется в механический эффект за счет электрического эффекта, называется обратным пьезоэлектрическим эффектом.
Другие особенности:
Пьезокерамика обладает чувствительными характеристиками и может преобразовывать чрезвычайно слабые механические колебания в электрические сигналы, что может быть использовано в гидроакустических системах, метеообследовании, телеметрии, охране окружающей среды, бытовых приборах и т.д. Чувствительность пьезокерамики к внешним силам позволяет даже ощущать возмущение воздуха, вызванное взмахами крыльев летающих насекомых на расстоянии более десяти метров. Используя его для изготовления пьезоэлектрических сейсмометров, можно точно измерять интенсивность землетрясений и указывать азимут и расстояние до землетрясений. Это, надо сказать, большой подвиг пьезоэлектрической керамики.
Деформация пьезокерамики под действием электрического поля очень мала, самое большее не более одной десятимиллионной своего собственного размера. Не стоит недооценивать это небольшое изменение. Управление прецизионными приборами и машинами, технологиями микроэлектроники, биоинженерии и другими областями — большое благо.
Устройства регулирования частоты, такие как резонаторы и фильтры, являются ключевыми компонентами, определяющими характеристики оборудования связи. Пьезоэлектрическая керамика имеет в этом отношении очевидные преимущества. Он обладает хорошей стабильностью частоты, высокой точностью, широким диапазоном частот, малыми размерами, отсутствием влагопоглощения и длительным сроком службы. Особенно в многоканальном коммуникационном оборудовании это может улучшить характеристики защиты от помех, что делает предыдущее электромагнитное оборудование неспособным оглянуться назад и столкнуться с проблемой перегрузки. Альтернативная судьба.
