Карактеристике ултразвучне пиезоелектричне керамике
Ултразвучна пиезоелектрична керамика је класа електронских керамичких материјала са пиезоелектричним својствима. Главна разлика од типичних пиезоелектричних кварцних кристала који не садрже фероелектричне компоненте је у томе што су кристалне фазе које чине њихове главне компоненте сва фероелектрична зрна Пошто су керамика поликристални агрегати са насумично оријентисаним зрнима, вектор спонтане поларизације сваког фероелектричног зрна је такође оријентисан. Да би керамика показала макроскопска пиезоелектрична својства, она мора бити печена у пиезоелектричној керамици. Након што се формира и комбинује са композитном електродом на крајњој страни, ставља се под јако једносмерно електрично поље за поларизациони третман, тако да су одговарајући поларизациони вектори оригиналне неуређене оријентације првенствено оријентисани дуж правца електричног поља. Пиезоелектрична керамика након поларизационог третмана, у Након што се електрично поље поништи, одређена макроскопска реманентна поларизација ће се задржати, тако да керамика има одређена пиезоелектрична својства.
Диелектрична и еластична својства:
Диелектрична својства пиезоелектричне керамике одражавају степен одзива керамичког материјала на спољашње електрично поље, које је обично представљено диелектричном константом ε0. Када спољашње електрично поље није превелико, линеарни однос се може користити за одговор диелектрика на електрично поље:
За пиезоелектричну керамику, П је јачина поларизације, ε0 је пермитивност вакуума, Е је електрична осетљивост, а Е је примењено електрично поље. Различите употребе пиезоелектричних керамичких компоненти имају различите захтеве за диелектричну константу пиезоелектричне керамике. На пример, аудио компоненте као што су пиезоелектрични керамички звучници захтевају велику диелектричну константу керамике, док високофреквентне пиезоелектричне керамичке компоненте захтевају малу диелектричну константу материјала.
Коефицијент еластичности пиезоелектричне керамике је параметар који одражава однос између деформације керамике и примењене силе. Као и други еластомери, пиезоелектрични керамички материјали прате Хуков закон: Ксмн=цмнпккмнпк, где се цмнпк назива константа еластичне тврдоће еластомера, Кс је напон, а к деформација. За пиезоелектрична тела, због пиезоелектричности, вредност коефицијента еластичности је повезана са електричним граничним условима.
Пиезоелектричност пиезоелектричне керамике:
Највећа карактеристика пиезоелектричне керамике је пиезоелектричност, укључујући позитивну пиезоелектричност и инверзну пиезоелектричност. Позитивни пиезоелектрицитет се односи на релативно померање позитивног и негативног центра наелектрисања код неких диелектрика под дејством механичке спољне силе, што изазива поларизацију, што доводи до појаве везаних наелектрисања супротних предзнака на површинама диелектрика. У случају да спољна сила није превелика, њена густина наелектрисања је пропорционална спољашњој сили, према формули:
где је δ површинска густина наелектрисања, д је константа пиезоелектричне деформације, а Т је затезни напон. Супротно томе, када се спољашње електрично поље примени на пиезоелектрични диелектрик, позитивни и негативни центри наелектрисања унутар диелектрика подлежу релативном померању и поларизовани су, а померање изазива деформацију диелектрика. Овај ефекат се назива инверзна пиезоелектричност. Када електрично поље није јако, деформација има линеарну везу са спољашњим електричним пољем, према формули:
дт је инверзна пиезоелектрична константа деформације, односно транспонована матрица од д, Е је примењено електрично поље, а к је деформација. Јачина пиезоелектричног ефекта одражава степен спреге између еластичних својстава и диелектричних својстава кристала, што је представљено коефицијентом електромеханичког спрезања К, који следи формулу:
где је у12 пиезоелектрична енергија, у1 је еластична енергија, а у2 је диелектрична енергија.
Физички механизми пиезоелектричних својстава:
Два краја поларизованог пиезоелектричног керамичког лима ће имати везана наелектрисања, тако да се слој слободних наелектрисања из спољашњег света адсорбује на површини електроде. Када се спољни притисак Ф примени на керамичку плочу, долази до пражњења на оба краја листа. Напротив, ако се повуче, појавиће се феномен пуњења. Појава у којој се овај механички ефекат претвара у електрични ефекат припада позитивном пиезоелектричном ефекту.
Поред тога, пиезоелектрична керамика има својство спонтане поларизације, а спонтана поларизација се може трансформисати под дејством спољашњег електричног поља. Стога, када се спољашње електрично поље примени на пиезоелектрични диелектрик, доћи ће до промене као што је приказано на слици, а пиезоелектрична керамика ће се деформисати. Међутим, разлог зашто се пиезоелектрична керамика деформише је тај што када се примени исто спољашње електрично поље као спонтана поларизација, то је еквивалентно повећању јачине поларизације. Повећање јачине поларизације чини да се пиезоелектрични керамички лист издужује у правцу поларизације. Напротив, ако се примени обрнуто електрично поље, керамички лист се скраћује дуж правца поларизације. Ова појава, која се претвара у механички ефекат услед електричног ефекта, је инверзни пиезоелектрични ефекат.
Остале карактеристике:
Пиезоелектрична керамика има осетљиве карактеристике и може да конвертује изузетно слабе механичке вибрације у електричне сигнале, који се могу користити у сонарним системима, детекцији временских прилика, телеметријској заштити животне средине, кућним апаратима, итд. Осетљивост пиезоелектричне керамике на спољашње силе омогућава чак и осећај узнемиравање ваздуха изазвано летећим инсектима који машу крилима више од десет метара. Користећи га за прављење пиезоелектричних сеизмометара, могуће је прецизно измерити интензитет земљотреса и показати азимут и удаљеност земљотреса. Ово се мора рећи да је велики подвиг пиезоелектричне керамике.
Деформација пиезоелектричне керамике под дејством електричног поља је веома мала, највише не већа од десетмилионитог дела њене сопствене величине. Не потцењујте ову малу промену. Контрола прецизних инструмената и машина, технологија микроелектронике, биоинжењеринг и друге области су велика благодат.
Уређаји за контролу фреквенције као што су резонатори и филтери су кључне компоненте које одређују перформансе комуникационе опреме. Пиезоелектрична керамика има очигледне предности у овом погледу. Има добру стабилност фреквенције, високу прецизност, широк применљив фреквентни опсег, малу величину, не упија влагу и дуг животни век. Нарочито у вишеканалној комуникационој опреми, може побољшати перформансе против сметњи, што чини претходну електромагнетну опрему неспособном да се осврне и суочава се са проблемом преоптерећености. Алтернативна судбина.
