Analyse der piezoelektrischen Keramikeigenschaften

piezoelektrischer Effekt und dielektrischer Effekt von piezoelektrischem Keramik

Der piezoelektrische Effekt besteht darin, dass wenn einige Dielektrika durch eine externe Kraft in eine bestimmte Richtung deformiert werden, Polarisation im Inneren auftritt und positive und negative entgegengesetzte Ladungen auf den beiden gegenüberliegenden Oberflächen davon auftreten. Wenn die externe Kraft entfernt wird, kehrt sie in den ungeladenen Zustand zurück. Dieses Phänomen wird auf den positiven piezoelektrischen Effekt aufgerufen. Wenn sich die Richtung der Kraft ändert, ändert sich auch die Polarität der Ladung. Im Gegenteil, wenn ein elektrisches Feld in die Polarisationsrichtung des Dielektrikums angewendet wird, werden diese Dielektrika ebenfalls deformiert und die Verformung des Dielektrizität verschwindet, nachdem das elektrische Feld entfernt wurde. Dieses Phänomen wird als inverser piezoelektrischer Effekt oder Elektrostrema bezeichnet. Eine Art von Sensor, die basierend auf dem dielektrischen piezoelektrischen Effekt entwickelt wird, wird als piezoelektrischer Kristalle -Sensor bezeichnet.

Jedes Medium im elektrischen Feld verursacht aufgrund der Wirkung der induzierten Polarisation eine Verformung des Mediums, und diese Deformation unterscheidet sich von der Verformung, die durch den inversen piezoelektrischen Effekt verursacht wird. Das Dielektrikum kann durch eine externe Kraft, piezoelektrischer Keramik -Knock -Sensor . Die Verformung, die sie erzeugt, ist unabhängig von der Richtung des externen elektrischen Feldes. Die durch den inverse piezoelektrischen Effekt verursachte Verformung ist proportional zum externen elektrischen Feld, und wenn das elektrische Feld umgekehrt ist, ändert sich auch die Verformung (z. B. kann die ursprüngliche Dehnung verkürzt werden oder die ursprüngliche Verkürzung kann in die Dehnung geändert werden). Darüber hinaus ist der elektrostriktive Effekt in allen Dielektrika vorhanden, ob nicht piezoelektrische oder piezoelektrische, nur die elektrostriktiven Wirkungen von dielektrischen Kristallen verschiedener Strukturen. Der inverse piezoelektrische Effekt findet sich nur in piezoelektrischen Keramikkristallen.

Ein PZT -Materialpiezo -Keramikkristall, der einen piezoelektrischen Effekt erzeugt, wird als piezoelektrischer Kristall bezeichnet. Eine Art von piezoelektrischem Kristall ist ein einzelner Kristall wie Quarz (SiO2), Natrium -Kaliumtartrat (auch als Verlierersalz bekannt, Nakc4H4O6.H2O), Bismuthus Ruthenat (BI12GEO20). Eine andere Art von piezoelektrischem Kristall ist auf piezoelektrische Keramik wie Bariumtitanat (Batio3), Bleizirkonat -Titanat PB (Zrxtirx) O3, Lead -Bismut -Magnesium -Zirkonat -Titanat, das in Japan hergestellt wurde, zu PZT, Bismuthutmuthut -Magnesium -Titanat, hinzugefügt, hinzugefügt in PZT, Bismutmuth, das in China in China hergestellt wurde. Blei -Zirkonat -Titanat PB (MN1/2SB2/3) O3 wurde in die Grube gegeben.

Dielektrikum ist ein Isolator, der elektrodiert werden kann. Die Verwendung von Dielektrika ist ziemlich umfangreich. Die dielektrische Leitfähigkeit des piezoelektrischen Keramikelements ist sehr niedrig, gekoppelt mit den guten dielektrischen Festigkeitseigenschaften, mit denen elektrische Isolatoren hergestellt werden können. Darüber hinaus kann das Dielektrikum stark elektriert werden und ist ein ausgezeichnetes Kondensatormaterial. Die Untersuchung der dielektrischen Eigenschaften umfasst die Lagerung und Ablassung von elektrischer und magnetischer Energie innerhalb des Materials. Diese Studie ist äußerst wichtig, um die verschiedenen Phänomene von Elektronik, Optik und Festkörperphysik zu erklären. Dielektrische Eigenschaften beziehen sich auf die Eigenschaften der Lagerung und des Verlusts der elektrostatischen Energie unter der Wirkung eines elektrischen Feldes, der normalerweise durch Dielektrizitätskonstante und dielektrischer Verlust ausgedrückt wird. Wenn die Hochfrequenztechnologie auf Materialien wie massive Holzböden angewendet wird, sind dielektrische Eigenschaften sehr wichtig, wenn eine heiße Pressung mit hohem Frequenz verwendet wird. Wenn das Medium mit einem elektrischen Feld aufgetragen wird, wird eine induzierte Ladung erzeugt, um das elektrische Feld zu schwächen. Das Verhältnis des ursprünglichen angelegten elektrischen Feldes (im Vakuum) zum elektrischen Feld im endgültigen Medium ist die Permittivität, die auch als induzierte Stromrate bezeichnet wird.

Bei Elektromagnetismus wird aufgrund der relativen Verschiebung der positiven und negativen Ladungen innerhalb des Dielektrikums ein elektrisches Feld von piezoelektrischen Knopfscheiben auf ein Dielektrikum erzeugt. Dieses Phänomen wird auf elektrische Polarisation aufgerufen. Das angelegte elektrische Feld kann ein externes elektrisches Feld oder ein elektrisches Feld sein, das durch eine freie Ladung erzeugt wird, die in das Dielektrikum eingebettet ist. Das durch die Polarisation erzeugte elektrische Dipol wird als \"induktives elektrisches Dipol\" bezeichnet, und sein elektrisches Dipolmoment wird nach induktivem elektrischem Dipolmoment aufgerufen. Die Piezo -Keramik hat eine Elektrodenformungsfähigkeit unter der Wirkung eines elektrischen Feldes. Unterteilt in elektrische Isolierung, Kondensatoren, piezoelektrische, pyroelektrische und ferroelektrische Keramik nach ihrer Verwendung und Leistung.

Polarisation von piezoelektrischem Keramikdielektrikum

Piezoelektrische Keramikkristalle sind sowohl dielektrische als auch anisotrope Dielektrika, daher unterscheiden sich die dielektrischen Eigenschaften von piezoelektrischen Kristallen von denen isotroper Dielektrika.

Das Dielektrikum wird unter der Wirkung eines elektrischen Feldes polarisiert, und der Polarisationszustand ist ein Zustand, in dem das elektrische Feld eine relative Verschiebungskraft auf den Ladungspunkt des Dielektrikums und ein vorübergehendes Gleichgewicht der gegenseitigen Anziehung zwischen den Ladungen ausübt. Das elektrische Feld ist die äußere Ursache der Polarisation. Die interne Ursache der Polarisation liegt im Inneren des Mediums. Bei den mikroskopischen Prozessen im Medium gibt es drei Hauptmechanismen der Polarisation.

(1) ein Atom oder Ion, das ein Dielektrikum darstellt. Unter der Wirkung eines elektrischen Feldes fällt ein positiv geladener Kern nicht mit dem negativen Zentrum seines Schalenelektrons zusammen, wodurch ein elektrisches Dipolmoment erzeugt wird. Diese Polarisation wird als Elektronenverschiebungspolarisation bezeichnet.

(2) Die positiven und negativen Ionen, aus denen sich die Dielektrika zusammensetzt, werden unter der Wirkung eines elektrischen Feldes relativ verdrängt, was zu einem elektrischen Dipolmoment bezeichnet wird, das als Ionenverschiebungspolarisation bezeichnet wird.

(3) Die Moleküle, aus denen das Dielektrikum besteht, sind polare Moleküle mit einem gewissen intrinsischen elektrischen Moment, aber aufgrund der thermischen Bewegung ist die Ausrichtung ungeordnet und das Gesamtmoment des gesamten Dielektrikums ist Null. Wenn ein externes elektrisches Feld wirkt, werden diese elektrischen Dipolmomente entlang des äußeren Feldes ausgerichtet. Ultraschallpiezoelektrischer Kristall erzeugt ein makroskopisches elektrisches Dipolmoment im Dielektrikum, das bei der Orientierungspolarisation aufgerufen wird.

1. Verschiebungspolarisation eines unendlichen Moleküls

Wenn sich das elektrodenlose Dielektrikum in einem externen elektrischen Feld unter der Wirkung der elektrischen Feldkraft befindet, erzeugen die positiven und negativen Ladungszentren des Molekül des elektrischen Feldes. Für ein dielektrisches piezoelektrisches als Ganzes, da jedes Molekül in den dielektrischen elektrischen Dipolen im Dielektrikum angeordnet ist. Die positiven und negativen Ladungen benachbarter elektrischer Dipole im Dielektrikum liegen nahe beieinander. Wenn das Dielektrikum gleichmäßig ist, bleibt er überall elektrisch neutral, aber auf der Oberfläche des Dielektrikums, das senkrecht zur externen elektrischen Feldstärke E0 ist. Es wird positive bzw. negative Ladungen geben, die das Dielektrikum nicht verlassen und sich im Dielektrikum frei bewegen können. Dieses Phänomen polarisierter Ladungen im Dielektrikum unter der Wirkung eines externen elektrischen Feldes wird als Polarisation des Dielektrikums bezeichnet. Je stärker externer elektrischer Feld, je größer die relative Verschiebung zwischen den positiven und negativen Ladungszentren jedes Moleküls ist, desto größer ist das elektrische Dipolmoment des Moleküls, desto mehr polarisierte Ladungen erscheinen auf beiden Oberflächen des Dielektrizität . Wenn das externe elektrische Feld des piezoelektrischen Wandlers der Resonanzfrequenz entfernt wird Äquivalente äquivalente elektrische Ladungen. Die Größe des elektrischen Dipolmoments P ist proportional zur Feldstärke. Da die Polarisation des unendlichen Moleküls in der relativen Verschiebung des Zentrums der positiven und negativen Ladungen liegt, wird es oft als Bit bezeichnet.

Ausgerichtete Polarisation von polaren Molekülen

Was den polaren molekularen Dielektrikum betrifft, ist der Zentrum der positiven und negativen Ladungen im Molekül einem elektrischen Dipol entspricht. Unter der Wirkung des externen elektrischen Feldes wird es einem Moment ausgesetzt, so dass das elektrische Dipolmoment p des Moleküls in die Richtung des elektrischen Feldes gedreht wird. Aufgrund der Interferenz der molekularen thermischen Bewegung ist diese Lenkung winzig und es ist unmöglich, die elektrischen Dipolmomente aller Moleküle entlang der Richtung des elektrischen Feldes auszurichten. Das stärkere externe elektrische Feld der piezoelektrischen Elektroden -Piezoelektrik -Keramik ist die Lenkreihenfolge des elektrischen Dipolmoments des Moleküls umso ordentlich. Auf makroskopischer Ebene erscheinen die polarisierteren Ladungen auf beiden Oberflächen senkrecht zum Dielektrikum und dem externen elektrischen Feld, dem höheren Polarisationsgrad. Wenn das externe elektrische Feld entfernt wird, wird die Richtung des elektrischen Dipolmoments des Moleküls aufgrund der thermischen Bewegung der Moleküle zu einer unregelmäßigen Anordnung, und das Dielektrikum ist immer noch neutral. Die Polarisation von polaren Molekülen liegt in der Richtung, in der sich der äquivalente elektrische Dipol in das externe elektrische Feld verwandelt, sodass sie als Orientierungspolarisation bezeichnet wird. Während die Moleküle gleichzeitig polarisiert werden, gibt es auch eine Verschiebungspolarisation. Obwohl die mikroskopischen Prozesse der Polarisation zweier Arten von Dielektrika unterschiedlich sind, sind Polar unterschiedlich, die makroskopischen Effekte sind jedoch gleich. Auf den beiden gegenüberliegenden Oberflächen des Dielektrikums treten polarisierte Ladungen unterschiedlicher Zahlen auf, und das externe elektrische Feld nimmt zu. Die polarisierten Gebühren erscheinen. Wenn das Polarisationsphänomen des Dielektrikums makroskopisch unten beschrieben wird, ist es daher nicht erforderlich, zur Diskussion in zwei Arten von Dielektrika zu teilen.

3. Ferroelektrizität von piezoelektrischen Keramikkristallen

Die Polarisation einiger Dielektrika ist etwas ganz Besonderes. In einem bestimmten Temperaturbereich sind ihre dielektrischen Konstanten nicht konstant, variieren jedoch mit der Feldstärke, und nach dem Entfernen des externen elektrischen Feldes sind diese Dielektrika nicht neutral. Es gibt Restpolarisation. Um analog zu der Tatsache zu sein, dass ferromagnetische Materialien magnetisiert bleiben können, wird diese Eigenschaft des Piezo -Keramik -Wandlers häufig als Ferroelektrizität bezeichnet. Ein ferroelektrisches Dielektrikum wird als ferroelektrisch bezeichnet. Unter ihnen sind Barium -Titanat -Keramik (Batio3), Natriumkaliumtartrat -Einzelkristall (NAKC4H4O6 · H2O) und dergleichen am prominentesten. Die Ferroelektrika zeigen während des Elektropositionsprozesses eine Hysterese. Die Hystereseschleife zeigt, dass die Polarisation zwischen dem ferroelektrischen Körper und dem angelegten elektrischen Feld nichtlinear ist und die Polarisation umgekehrt ist, wenn das externe elektrische Feld umgekehrt ist. Die Polarisationsinversion ist das Ergebnis der Domäneninversion, sodass die Hystereseschleife das Vorhandensein von Domänen im ferroelektrischen Bereich angibt. Die sogenannten Domänen sind kleine Regionen, in denen die spontanen Polarisationsrichtungen in der Ferroelektrik einheitlich und die Domänen sind. Die Grenze zwischen ihnen wird als Domänenwand bezeichnet. Ferroelektrische Kristalle von piezoelektrischen Keramikprodukten sind normalerweise Multi-Domänen, die spontane Polarisation in jeder Domäne hat die gleiche Richtung, und die spontane Polarisation in den verschiedenen Domänen ist stark.

Für polykristalline Ferroelektrika gibt es keine Regelmäßigkeit zwischen den relativen Orientierungen der spontanen Polarisation in den verschiedenen Domänen für die gesamte Polykristall, da die Orientierung der Kristallachsen zwischen den Körnern vollständig ausgerichtet ist.

Ferroelektrika bilden im Allgemeinen keine einzelnen Domänen, aber Multidomänenkristalle können unter einem starken externen elektrischen Feld monodomänen. Unter der Wirkung eines starken externen elektrischen Feldes wird das Domänenvolumen der spontanen Polarisation in der Parallele des Multi-Domänen-Kristalls oder in der Nähe der externen Feldrichtung aufgrund der Bildung neuer Domänenkerne und der Bewegung der Domänenwände schnell ausdehnt, und wird schnell ausdehnen, und die Bewegung der Domänenwände,,, und das Domänenvolumen in andere Richtungen wird schnell abnehmen. Small verschwindet, was den gesamten Kristall in eine einzelne Domäne verwandelt. Unter der Wirkung des externen elektrischen Feldes wird der dynamische Prozess des neuen Domänenkerns und der Domänenwandbewegung als Domänenumkehrprozess bezeichnet. Diese Umkehrung weist einige Hystereseeigenschaften auf, sodass die ferroelektrische Hystereseschleife aufweist.

In Anbetracht eines einzelnen Piezokristalls wird angenommen, dass die Ausrichtung der spontanen Polarisation nur zwei Möglichkeiten hat. Es ist entlang einer bestimmten Kristallachse positiv und negativ; Die Richtung des externen elektrischen Feldes ist parallel zur Polarisationsachse. Wenn das externe elektrische Feld Null ist, ist die Polarisation benachbarter Domänen im Kristall entgegengesetzt, und das Gesamt -Elektromoment des Kristalls ist Null. Wenn das externe elektrische Feld allmählich erhöht wird, nimmt das Domänenvolumen der spontanen Polarisationsrichtung gegenüber der Richtung des elektrischen Feldes aufgrund der Inversion der Domäne allmählich ab, und diese Domänen haben die gleiche Richtung wie das elektrische Feld allmählich Erweitern Sie, so dass sich der Kristall in Richtung des äußeren Feldes befindet. Die Intensität nimmt mit zunehmendem elektrischem Feld zu. Wenn das elektrische Feld des piezoelektrischen Bandscheibenelements ausreicht, um alle umgekehrten Domänen im Kristall zum äußeren Feld umzukehren, wird der Kristall zu einer einzelnen Domäne, die Polarisation des Kristalls erreicht die Sättigung und dann steigt das elektrische Feld. Die Polarisation erhöht sich linear mit dem elektrischen Feld (wie der Polarisation eines typischen Dielektrikums) und erreicht einen maximalen Wert -PMAX, der eine Funktion des elektrischen Feldes mit höchster Polarisation ist. Wenn der lineare Teil auf das elektrische Feld von Null extrapoliert wird, wird die resultierende Abfang -PS -PS auf der vertikalen Achse als gesättigte Polarisation bezeichnet, was tatsächlich die spontane Polarisation jeder Domäne ist. Wenn das elektrische Feld von C abnimmt, nimmt die Polarisation allmählich ab entlang der C-B-Kurve. Wenn das elektrische Feld der piezoelektrischen Keramikkomponente auf Null reduziert wird, nimmt die Polarisation auf einen bestimmten Wert -PR ab, der als Restpolarisation des Ferroelektrikums bezeichnet wird. Wenn das elektrische Feld die Richtung ändert und in negativer Richtung zu EC ansteigt, nimmt die Polarisation auf Null ab, das umgekehrte elektrische Feld nimmt weiter zu und die Polarisation wird umgekehrt. EC wird als Zwangsfeldstärke des ferroelektrischen als die Zwangsfeldstärke bezeichnet. Wenn das umgekehrte elektrische Feld weiter zunimmt, nimmt die Polarisation weiter zu der negativen Gradientenrichtung zu und erreicht einen Sättigungswert (-pr) in negativer Richtung, und der ultraschallpiezoelektrische Wandler wird zu einem einzelnen Domänenkristall, der eine negative Polarisation aufweist. Wenn sich das elektrische Feld kontinuierlich von einem hohen negativen Wert zu einem hohen positiven Wert ändert, beginnt sich die positive Domäne zu bilden und zu wachsen, bis der gesamte Kristall erneut zu einem einzelnen Domänenkristall mit Vorwärtspolarisation wird. Während dieses Prozesses wird die Polarisation entlang des FGH -Teils der Rückkehrlinie zu Punkt C zurückgegeben. Unter der Wirkung eines großen alternierenden elektrischen Feldes ändert sich das elektrische Feld um eine Woche und der obige Vorgang wird einmal wiederholt und zeigt die gezeigte Hystereseschleife. Der von der Rückkehrlinie eingeschlossene Bereich ist die Energie, die erforderlich ist, um die Polarisation zweimal umzukehren.