Karakteristike ultrazvučne piezoelektrične keramike
Ultrazvučna piezoelektrična keramika je klasa elektronskih keramičkih materijala sa piezoelektričnim svojstvima. Glavna razlika od tipičnih piezoelektričnih kvarcnih kristala koji ne sadrže feroelektrične komponente je da su kristalne faze koje čine njihove glavne komponente sva feroelektrična zrna Budući da su keramika polikristalni agregati sa nasumično orijentiranim zrnima, vektor spontane polarizacije svakog feroelektričnog zrna je također orijentisan. Da bi keramika pokazala makroskopska piezoelektrična svojstva, mora biti pečena u piezoelektričnoj keramici. Nakon što se formira i kombinuje sa kompozitnom elektrodom na krajnjoj strani, stavlja se pod jako jednosmerno električno polje za polarizacioni tretman, tako da su odgovarajući polarizacioni vektori originalne neuređene orijentacije prvenstveno orijentisani duž pravca električnog polja. Piezoelektrična keramika nakon polarizacionog tretmana, u Nakon što se električno polje poništi, određena makroskopska remanentna polarizacija će se zadržati, tako da keramika ima određena piezoelektrična svojstva.
Dielektrična i elastična svojstva:
Dielektrična svojstva piezoelektrične keramike odražavaju stepen odziva keramičkog materijala na vanjsko električno polje, koje je obično predstavljeno dielektričnom konstantom ε0. Kada vanjsko električno polje nije preveliko, linearni odnos se može koristiti za odgovor dielektrika na električno polje:
Za piezoelektričnu keramiku, P je jačina polarizacije, ε0 je permitivnost vakuuma, E je električna osjetljivost, a E je primijenjeno električno polje. Različite upotrebe piezoelektričnih keramičkih komponenti imaju različite zahtjeve za dielektričnu konstantu piezoelektrične keramike. Na primjer, audio komponente kao što su piezoelektrični keramički zvučnici zahtijevaju veliku dielektričnu konstantu keramike, dok visokofrekventne piezoelektrične keramičke komponente zahtijevaju malu dielektričnu konstantu materijala.
Koeficijent elastičnosti piezoelektrične keramike je parametar koji odražava odnos između deformacije keramike i primijenjene sile. Kao i drugi elastomeri, piezoelektrični keramički materijali slijede Hookeov zakon: Xmn=cmnpqxmnpq, gdje se cmnpq naziva konstanta elastične tvrdoće elastomera, X je napon, a x deformacija. Za piezoelektrična tijela, zbog piezoelektričnosti, vrijednost koeficijenta elastičnosti povezana je s električnim graničnim uvjetima.
Piezoelektričnost piezoelektrične keramike:
Najveća karakteristika piezoelektrične keramike je piezoelektričnost, uključujući pozitivnu piezoelektričnost i inverznu piezoelektričnost. Pozitivni piezoelektricitet se odnosi na relativno pomicanje pozitivnog i negativnog centra naboja u nekim dielektricima pod djelovanjem mehaničke vanjske sile, što uzrokuje polarizaciju, što dovodi do pojave vezanih naboja suprotnih predznaka na površinama dielektrika. U slučaju kada vanjska sila nije prevelika, njena gustina naboja je proporcionalna vanjskoj sili, slijedeći formulu:
gdje je δ površinska gustina naboja, d je konstanta piezoelektrične deformacije, a T je vlačni napon. Suprotno tome, kada se vanjsko električno polje primjenjuje na piezoelektrični dielektrik, pozitivni i negativni centri naboja unutar dielektrika podliježu relativnom pomaku i polariziraju se, a pomicanje uzrokuje deformaciju dielektrika. Ovaj efekat se naziva inverzni piezoelektricitet. Kada električno polje nije jako, deformacija ima linearnu vezu sa vanjskim električnim poljem, slijedeći formulu:
dt je inverzna piezoelektrična konstanta deformacije, odnosno transponovana matrica od d, E je primijenjeno električno polje, a x je deformacija. Jačina piezoelektričnog efekta odražava stepen sprege između elastičnih svojstava i dielektričnih svojstava kristala, što je predstavljeno koeficijentom elektromehaničkog sprezanja K, koji slijedi formulu:
gdje je u12 piezoelektrična energija, u1 je elastična energija, a u2 je dielektrična energija.
Fizički mehanizmi piezoelektričnih svojstava:
Dva kraja polariziranog piezoelektričnog keramičkog lima će imati vezane naboje, tako da se sloj slobodnih naboja iz vanjskog svijeta adsorbira na površini elektrode. Kada se vanjski pritisak F primjenjuje na keramičku ploču, dolazi do pražnjenja na oba kraja lima. Naprotiv, ako se povuče, pojavit će se fenomen punjenja. Pojava u kojoj se ovaj mehanički efekat pretvara u električni efekat pripada pozitivnom piezoelektričnom efektu.
Osim toga, piezoelektrična keramika ima svojstvo spontane polarizacije, a spontana polarizacija se može transformirati pod djelovanjem vanjskog električnog polja. Stoga, kada se vanjsko električno polje primjenjuje na piezoelektrični dielektrik, doći će do promjene kao što je prikazano na slici, a piezoelektrična keramika će se deformirati. Međutim, razlog zbog kojeg se piezoelektrična keramika deformiše je taj što kada se primeni isto spoljašnje električno polje kao spontana polarizacija, to je ekvivalentno povećanju jačine polarizacije. Povećanje jačine polarizacije čini da se piezoelektrični keramički list izdužuje u smjeru polarizacije. Naprotiv, ako se primeni obrnuto električno polje, keramički list se skraćuje duž smera polarizacije. Ovaj fenomen, koji se pretvara u mehanički efekat zbog električnog efekta, je inverzni piezoelektrični efekat.
Ostale karakteristike:
Piezoelektrična keramika ima osjetljive karakteristike i može pretvoriti ekstremno slabe mehaničke vibracije u električne signale, koji se mogu koristiti u sonarnim sistemima, detekciji vremenskih prilika, telemetrijskoj zaštiti okoliša, kućnim aparatima, itd. uznemiravanje zraka uzrokovano letećim insektima koji mašu krilima više od deset metara. Koristeći ga za izradu piezoelektričnih seizmometara, moguće je precizno izmjeriti intenzitet potresa i pokazati azimut i udaljenost zemljotresa. Ovo se mora reći da je veliki podvig piezoelektrične keramike.
Deformacija piezoelektrične keramike pod dejstvom električnog polja je vrlo mala, najviše ne veća od jedne desetmilioniti deo njene veličine. Nemojte podcijeniti ovu malu promjenu. Kontrola preciznih instrumenata i mašina, tehnologija mikroelektronike, bioinženjering i druge oblasti su velika blagodat.
Uređaji za kontrolu frekvencije kao što su rezonatori i filteri su ključne komponente koje određuju performanse komunikacione opreme. Piezoelektrična keramika ima očigledne prednosti u tom pogledu. Ima dobru stabilnost frekvencije, visoku preciznost, širok raspon frekvencija, malu veličinu, ne upija vlagu i dug vijek trajanja. Posebno u višekanalnoj komunikacijskoj opremi, može poboljšati performanse protiv smetnji, što čini prethodnu elektromagnetnu opremu nesposobnom da se osvrne i suočava se s problemom preopterećenosti. Alternativna sudbina.
