Kenmerken van ultrasone piëzo-elektrische keramiek
Ultrasone piëzo-elektrische keramiek is een klasse van elektronische keramische materialen met piëzo-elektrische eigenschappen. Het belangrijkste verschil met typische piëzo-elektrische kwartskristallen die geen ferro-elektrische componenten bevatten, is dat de kristalfasen waaruit hun hoofdcomponenten bestaan allemaal ferro-elektrische korrels zijn. Aangezien keramiek polykristallijne aggregaten zijn met willekeurig georiënteerde korrels, is de spontane polarisatievector van elke ferro-elektrische korrel ook chaotisch. georiënteerd. Om ervoor te zorgen dat keramiek macroscopische piëzo-elektrische eigenschappen vertoont, moet het in piëzo-elektrische keramiek worden gebakken. Na te zijn gevormd en gecombineerd met de samengestelde elektrode op het eindvlak, wordt deze onder een sterk gelijkstroom elektrisch veld geplaatst voor polarisatiebehandeling, zodat de respectieve polarisatievectoren van de oorspronkelijke ongeordende oriëntatie bij voorkeur georiënteerd zijn langs de richting van het elektrische veld. De piëzo-elektrische keramiek na polarisatiebehandeling, in Nadat het elektrische veld is geannuleerd, zal een bepaalde macroscopische remanente polarisatie behouden blijven, zodat de keramiek bepaalde piëzo-elektrische eigenschappen heeft.
Diëlektrische en elastische eigenschappen:
De diëlektrische eigenschap van piëzo-elektrisch keramiek weerspiegelt de mate van respons van het keramische materiaal op een extern elektrisch veld, dat meestal wordt weergegeven door de diëlektrische constante ε0. Als het externe elektrische veld niet te groot is, kan een lineaire relatie worden gebruikt voor de respons van het diëlektricum op het elektrische veld:
Voor piëzo-elektrische keramiek is P de polarisatiesterkte, ε0 is de vacuümpermanentiteit, E is de elektrische gevoeligheid en E is het aangelegde elektrische veld. Verschillende toepassingen van piëzo-elektrische keramische componenten hebben verschillende vereisten voor de diëlektrische constante van piëzo-elektrische keramiek. Audiocomponenten zoals piëzo-elektrische keramische luidsprekers vereisen bijvoorbeeld een grote diëlektrische constante van het keramiek, terwijl hoogfrequente piëzo-elektrische keramische componenten een kleine diëlektrische constante van het materiaal vereisen.
De elastische coëfficiënt van piëzo-elektrisch keramiek is een parameter die de relatie weergeeft tussen de vervorming van het keramiek en de uitgeoefende kracht. Net als andere elastomeren volgen piëzo-elektrische keramische materialen de wet van Hooke: Xmn=cmnpqxmnpq, waarbij cmnpq de elastische hardheidsconstante van het elastomeer wordt genoemd, X de spanning is en x de rek. Voor piëzo-elektrische lichamen is, vanwege de piëzo-elektriciteit, de waarde van de elastische coëfficiënt gerelateerd aan de elektrische randvoorwaarden.
Piëzo-elektriciteit van piëzo-elektrische keramiek:
Het grootste kenmerk van piëzo-elektrische keramiek is piëzo-elektriciteit, inclusief positieve piëzo-elektriciteit en inverse piëzo-elektriciteit. Positieve piëzo-elektriciteit verwijst naar de relatieve verplaatsing van de positieve en negatieve ladingscentra in sommige diëlektrica onder invloed van mechanische externe kracht, die polarisatie veroorzaakt, wat leidt tot het verschijnen van gebonden ladingen met tegengestelde tekens op de oppervlakken van de diëlektrica. In het geval dat de externe kracht niet te groot is, is de ladingsdichtheid evenredig met de externe kracht, volgens de formule:
waarbij δ de ladingsdichtheid van het oppervlak is, d de piëzo-elektrische spanningsconstante is en T de trekspanning is. Omgekeerd, wanneer een extern elektrisch veld wordt aangelegd op een piëzo-elektrisch diëlektricum, ondergaan de positieve en negatieve ladingscentra in het diëlektricum een relatieve verplaatsing en zijn ze gepolariseerd, en de verplaatsing zorgt ervoor dat het diëlektricum vervormt. Dit effect wordt inverse piëzo-elektriciteit genoemd. Wanneer het elektrische veld niet erg sterk is, heeft de vervorming een lineaire relatie met het externe elektrische veld, volgens de formule:
dt is de inverse piëzo-elektrische spanningsconstante, dat wil zeggen de getransponeerde matrix van d, E is het aangelegde elektrische veld en x is de spanning. De sterkte van het piëzo-elektrische effect weerspiegelt de mate van koppeling tussen de elastische eigenschappen en diëlektrische eigenschappen van het kristal, die wordt weergegeven door de elektromechanische koppelingscoëfficiënt K, die de formule volgt:
waarbij u12 piëzo-elektrische energie is, u1 elastische energie is en u2 diëlektrische energie is.
Fysieke mechanismen van piëzo-elektrische eigenschappen:
De twee uiteinden van de gepolariseerde piëzo-elektrische keramische plaat hebben gebonden ladingen, dus een laag vrije ladingen van de buitenwereld wordt geadsorbeerd op het elektrode-oppervlak. Wanneer een externe druk F wordt uitgeoefend op de keramische plaat, vindt ontlading plaats aan beide uiteinden van de plaat. Integendeel, als eraan wordt getrokken, zal het oplaadfenomeen optreden. Het fenomeen waarbij dit mechanische effect wordt omgezet in een elektrisch effect behoort tot het positieve piëzo-elektrische effect.
Bovendien heeft piëzo-elektrische keramiek de eigenschap van spontane polarisatie en kan de spontane polarisatie worden getransformeerd onder invloed van een extern elektrisch veld. Daarom, wanneer een extern elektrisch veld wordt toegepast op een piëzo-elektrisch diëlektricum, zal de verandering zoals weergegeven in de figuur optreden en zal het piëzo-elektrische keramiek worden vervormd. De reden waarom piëzo-elektrische keramiek vervormt, is echter dat wanneer hetzelfde externe elektrische veld als spontane polarisatie wordt aangelegd, dit gelijk staat aan het vergroten van de polarisatiesterkte. De toename van de polarisatiesterkte zorgt ervoor dat de piëzo-elektrische keramische plaat langer wordt in de polarisatierichting. Integendeel, als het omgekeerde elektrische veld wordt aangelegd, wordt de keramische plaat korter langs de polarisatierichting. Dit fenomeen, dat door een elektrisch effect wordt omgezet in een mechanisch effect, is het omgekeerde piëzo-elektrische effect.
Andere mogelijkheden:
Piëzo-elektrische keramiek heeft gevoelige eigenschappen en kan extreem zwakke mechanische trillingen omzetten in elektrische signalen, die kunnen worden gebruikt in sonarsystemen, weerdetectie, telemetrie, milieubescherming, huishoudelijke apparaten, enz. De gevoeligheid van piëzo-elektrische keramiek voor externe krachten maakt het zelfs mogelijk om de verstoring van de lucht veroorzaakt door vliegende insecten die op meer dan tien meter afstand met hun vleugels slaan. Door het te gebruiken om piëzo-elektrische seismometers te maken, kan de intensiteit van aardbevingen nauwkeurig worden gemeten en kunnen de azimut en afstand van aardbevingen worden aangegeven. Dit moet gezegd worden als een geweldige prestatie van piëzo-elektrische keramiek.
De vervorming van piëzo-elektrische keramiek onder invloed van het elektrische veld is zeer klein, hooguit niet meer dan een tien miljoenste van zijn eigen grootte. Onderschat deze kleine verandering niet. Controle van precisie-instrumenten en machines, micro-elektronicatechnologie, bio-engineering en andere gebieden zijn een grote zegen.
Frequentieregelapparatuur zoals resonatoren en filters zijn sleutelcomponenten die de prestaties van communicatieapparatuur bepalen. Piëzo-elektrische keramiek heeft in dit opzicht duidelijke voordelen. Het heeft een goede frequentiestabiliteit, hoge precisie, breed toepasbaar frequentiebereik, klein formaat, geen vochtopname en een lange levensduur. Vooral in communicatieapparatuur met meerdere kanalen kan het de anti-interferentieprestaties verbeteren, waardoor de vorige elektromagnetische apparatuur niet in staat is om terug te kijken en geconfronteerd wordt met het probleem van overweldigd te raken. Alternatief lot.
