Eigenschaften von piezoelektrischen Ultraschallkeramiken
Piezoelektrische Ultraschallkeramiken sind eine Klasse elektronischer Keramikmaterialien mit piezoelektrischen Eigenschaften. Der Hauptunterschied zu typischen piezoelektrischen Quarzkristallen, die keine ferroelektrischen Komponenten enthalten, besteht darin, dass die Kristallphasen, aus denen ihre Hauptkomponenten bestehen, alle ferroelektrische Körner sind. Da Keramiken polykristalline Aggregate mit zufällig orientierten Körnern sind, ist der spontane Polarisationsvektor jedes ferroelektrischen Korns ebenfalls chaotisch orientiert. Damit Keramik makroskopische piezoelektrische Eigenschaften aufweist, muss sie in piezoelektrische Keramik gebrannt werden. Nachdem sie geformt und mit der Verbundelektrode auf der Endfläche kombiniert wurde, wird sie zur Polarisationsbehandlung unter ein starkes elektrisches Gleichfeld gesetzt, so dass die jeweiligen Polarisationsvektoren der ursprünglichen ungeordneten Orientierung vorzugsweise entlang der Richtung des elektrischen Felds orientiert sind. Die piezoelektrische Keramik nach der Polarisationsbehandlung, nachdem das elektrische Feld aufgehoben wurde, wird eine bestimmte makroskopische remanente Polarisation beibehalten, so dass die Keramik bestimmte piezoelektrische Eigenschaften hat.
Dielektrische und elastische Eigenschaften:
Die dielektrische Eigenschaft von piezoelektrischen Keramiken spiegelt den Grad der Reaktion des Keramikmaterials auf ein externes elektrisches Feld wider, das normalerweise durch die Dielektrizitätskonstante ε0 dargestellt wird. Wenn das externe elektrische Feld nicht zu groß ist, kann eine lineare Beziehung für die Reaktion des Dielektrikums auf das elektrische Feld verwendet werden:
Bei piezoelektrischen Keramiken ist P die Polarisationsstärke, ε0 die Vakuumpermittivität, E die elektrische Suszeptibilität und E das angelegte elektrische Feld. Unterschiedliche Anwendungen von piezoelektrischen Keramikkomponenten haben unterschiedliche Anforderungen an die Dielektrizitätskonstante von piezoelektrischen Keramiken. Beispielsweise erfordern Audiokomponenten wie piezoelektrische Keramiklautsprecher eine große Dielektrizitätskonstante der Keramik, während piezoelektrische Hochfrequenz-Keramikkomponenten eine kleine Dielektrizitätskonstante des Materials erfordern.
Der Elastizitätskoeffizient von piezoelektrischen Keramiken ist ein Parameter, der die Beziehung zwischen der Verformung der Keramik und der aufgebrachten Kraft widerspiegelt. Wie andere Elastomere folgen auch piezoelektrische Keramikmaterialien dem Hookeschen Gesetz: Xmn=cmnpqxmnpq, wobei cmnpq die elastische Härtekonstante des Elastomers, X die Spannung und x die Dehnung ist. Bei piezoelektrischen Körpern hängt der Wert des Elastizitätskoeffizienten aufgrund der Piezoelektrizität von den elektrischen Randbedingungen ab.
Piezoelektrizität piezoelektrischer Keramiken:
Das größte Merkmal piezoelektrischer Keramiken ist die Piezoelektrizität, einschließlich positiver Piezoelektrizität und inverser Piezoelektrizität. Positive Piezoelektrizität bezieht sich auf die relative Verschiebung der positiven und negativen Ladungszentren in einigen Dielektrika unter Einwirkung einer mechanischen äußeren Kraft, die eine Polarisation verursacht, die zum Auftreten gebundener Ladungen mit entgegengesetzten Vorzeichen auf den Oberflächen der Dielektrika führt. Wenn die äußere Kraft nicht zu groß ist, ist ihre Ladungsdichte proportional zur äußeren Kraft nach der Formel:
wobei δ die Oberflächenladungsdichte, d die piezoelektrische Dehnungskonstante und T die Zugspannung ist. Wenn umgekehrt ein externes elektrisches Feld an ein piezoelektrisches Dielektrikum angelegt wird, erfahren die positiven und negativen Ladungszentren innerhalb des Dielektrikums eine relative Verschiebung und werden polarisiert, und die Verschiebung bewirkt, dass sich das Dielektrikum verformt. Dieser Effekt wird als inverse Piezoelektrizität bezeichnet. Wenn das elektrische Feld nicht sehr stark ist, hat die Verformung eine lineare Beziehung zum externen elektrischen Feld, gemäß der Formel:
dt ist die inverse piezoelektrische Dehnungskonstante, d. h. die transponierte Matrix von d, E ist das angelegte elektrische Feld und x ist die Dehnung. Die Stärke des piezoelektrischen Effekts spiegelt den Kopplungsgrad zwischen den elastischen Eigenschaften und den dielektrischen Eigenschaften des Kristalls wider, der durch den elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K dargestellt wird, der der Formel folgt:
wobei u12 piezoelektrische Energie ist, u1 elastische Energie ist und u2 dielektrische Energie ist.
Physikalische Mechanismen der piezoelektrischen Eigenschaften:
Die beiden Enden der polarisierten piezoelektrischen Keramikfolie haben gebundene Ladungen, sodass eine Schicht freier Ladungen von der Außenwelt auf der Elektrodenoberfläche adsorbiert wird. Wenn ein externer Druck F auf die Keramikfolie ausgeübt wird, tritt an beiden Enden der Folie eine Entladung auf. Wenn dagegen gezogen wird, tritt das Ladephänomen auf. Das Phänomen, bei dem dieser mechanische Effekt in einen elektrischen Effekt umgewandelt wird, gehört zum positiven piezoelektrischen Effekt.
Außerdem haben piezoelektrische Keramiken die Eigenschaft der spontanen Polarisation, und die spontane Polarisation kann unter Einwirkung eines äußeren elektrischen Feldes transformiert werden. Wenn daher ein externes elektrisches Feld an ein piezoelektrisches Dielektrikum angelegt wird, tritt die in der Figur gezeigte Änderung auf, und die piezoelektrische Keramik wird verformt. Der Grund, warum sich piezoelektrische Keramiken verformen, liegt jedoch darin, dass, wenn das gleiche äußere elektrische Feld wie bei der spontanen Polarisation angelegt wird, dies einer Erhöhung der Polarisationsstärke entspricht. Die Zunahme der Polarisationsstärke macht die piezoelektrische Keramikfolie in der Polarisationsrichtung länglich. Wenn im Gegensatz dazu das umgekehrte elektrische Feld angelegt wird, verkürzt sich die Keramikfolie entlang der Polarisationsrichtung. Dieses Phänomen, das aufgrund eines elektrischen Effekts in einen mechanischen Effekt umgewandelt wird, ist der inverse piezoelektrische Effekt.
Andere Eigenschaften:
Piezoelektrische Keramiken haben empfindliche Eigenschaften und können extrem schwache mechanische Schwingungen in elektrische Signale umwandeln, die in Sonarsystemen, Wettererkennung, Telemetrie, Umweltschutz, Haushaltsgeräten usw. verwendet werden können. Die Empfindlichkeit piezoelektrischer Keramiken gegenüber äußeren Kräften macht es sogar möglich, sie zu erfassen die Störung der Luft durch fliegende Insekten, die mehr als zehn Meter entfernt mit ihren Flügeln schlagen. Die Verwendung zur Herstellung von piezoelektrischen Seismometern kann die Intensität von Erdbeben genau messen und den Azimut und die Entfernung von Erdbeben anzeigen. Dies muss als große Leistung der piezoelektrischen Keramik bezeichnet werden.
Die Verformung piezoelektrischer Keramiken unter Einwirkung des elektrischen Feldes ist sehr gering, höchstens ein Zehnmillionstel ihrer eigenen Größe. Unterschätzen Sie diese kleine Änderung nicht. Die Steuerung von Präzisionsinstrumenten und -maschinen, Mikroelektronik, Biotechnik und anderen Bereichen sind ein großer Segen.
Frequenzsteuergeräte wie Resonatoren und Filter sind Schlüsselkomponenten, die die Leistung von Kommunikationsgeräten bestimmen. Piezoelektrische Keramiken haben diesbezüglich offensichtliche Vorteile. Es hat eine gute Frequenzstabilität, hohe Präzision, einen breiten anwendbaren Frequenzbereich, geringe Größe, keine Feuchtigkeitsaufnahme und lange Lebensdauer. Insbesondere in Mehrkanal-Kommunikationsgeräten kann es die Entstörungsleistung verbessern, wodurch die früheren elektromagnetischen Geräte nicht mehr zurückblicken können und mit dem Problem konfrontiert sind, überwältigt zu werden. Alternatives Schicksal.
