Analyse des caractéristiques de céramique piézoélectrique

Effet piézoélectrique et effet diélectrique de la céramique piézoélectrique

L'effet piézoélectrique est que lorsque certains diélectriques sont déformés par une force externe dans une certaine direction, la polarisation se produit à l'intérieur, et des charges opposées positives et négatives apparaissent sur les deux surfaces opposées de celles-ci. Lorsque la force externe est supprimée, elle reviendra à l'état non chargé. Ce phénomène est appelé sur l'effet piézoélectrique positif. Lorsque la direction de la force change, la polarité de la charge change également. Au contraire, lorsqu'un champ électrique est appliqué dans la direction de polarisation du diélectrique, ces diélectriques sont également déformés et la déformation du diélectrique disparaît après le retrait du champ électrique. Ce phénomène est appelé effet piézoélectrique inverse ou électrostriction. Un type de capteur développé sur la base de l'effet piézoélectrique diélectrique est appelé capteur de cristaux piézoélectriques.

Tout milieu dans le champ électrique entraînera une déformation du milieu en raison de l'effet de la polarisation induite, et cette déformation est différente de la déformation causée par l'effet piézoélectrique inverse. Le diélectrique peut être déformé élastiquement par une force externe, le capteur de knock en céramique piézoélectrique peut être déformé par la polarisation du champ électrique externe. La déformation due à la polarisation induite est proportionnelle au carré du champ électrique externe, qui est un effet électrotel . La déformation qu'elle produit est indépendante de la direction du champ électrique externe. La déformation causée par l'effet piézoélectrique inverse est proportionnelle au champ électrique externe, et lorsque le champ électrique est inversé, la déformation change également (par exemple, l'allongement d'origine peut être raccourci, ou le raccourcissement d'origine peut être changé en allongement). De plus, l'effet électrostrictatif est présent dans tous les diélectriques, qu'il s'agisse de non-piezoélectrique ou de piézoélectrique n'a que les effets électrostrictifs des cristaux diélectriques de différentes structures. L'effet piézoélectrique inverse ne se trouve que dans les cristaux de céramique piézoélectrique.

Un cristal de céramique piézo-piézo PZT qui produit un effet piézoélectrique est appelé cristal piézoélectrique. Un type de cristal piézoélectrique est un monocristal tel que le quartz (SiO2), le tartrate de potassium de sodium (également connu sous le nom de sel perdant, NAKC4H4O6.H2O), Ruthénate de bismuth (BI12GEO20). Un autre type de cristal piézoélectrique est appelé sur la céramique piézoélectrique, telle que le barium Titanate (BATIO3), le titanate de zirconate de plomb PB (ZRXTIRX) O3, le bismuth de bismuth de bismuth titanate fabriqué au Japon, ajouté à PZT, Bismuth Manganais fabriquée en Chine. Le titanate de zirconate de plomb PB (MN1 / 2SB2 / 3) O3 a été ajouté à la fosse.

Le diélectrique est un isolant qui peut être électrodéisé. L'utilisation de diélectriques est assez étendue. La conductivité diélectrique de l'élément en céramique piézoélectrique est très faible, couplée aux bonnes propriétés de résistance diélectrique, qui peuvent être utilisées pour fabriquer des isolants électriques. De plus, le diélectrique peut être hautement électrodéposé et est un excellent matériau de condensateur. L'étude des propriétés diélectriques implique le stockage et la dissipation de l'énergie électrique et magnétique dans le matériau. Cette étude est extrêmement importante pour expliquer les différents phénomènes d'électronique, d'optique et de physique à l'état solide. Les propriétés diélectriques se réfèrent aux propriétés de stockage et à la perte d'énergie électrostatique sous l'action d'un champ électrique, généralement exprimée par constante diélectrique et perte diélectrique. Lorsque la technologie à haute fréquence est appliquée aux matériaux, tels que le revêtement de sol composite en bois massif, les propriétés diélectriques sont très importantes lorsque des pressions chaudes à haute fréquence sont utilisées. Lorsque le milieu est appliqué avec un champ électrique, une charge induite est générée pour affaiblir le champ électrique. Le rapport du champ électrique appliqué d'origine (dans le vide) au champ électrique dans le milieu final est la permittivité, également connue sous le nom de taux de courant induit.

Dans l'électromagnétisme, lorsqu'un champ électrique des disques de bouton piézoélectrique est appliqué à un diélectrique, un dipôle électrique est généré en raison du déplacement relatif des charges positives et négatives à l'intérieur du diélectrique. Ce phénomène est appelé sur la polarisation électrique. Le champ électrique appliqué peut être un champ électrique externe ou un champ électrique généré par une charge libre intégrée à l'intérieur du diélectrique. Le dipôle électrique généré par la polarisation est appelé \"dipôle électrique inductif \", et son moment dipolaire électrique est appelé le moment dipolaire électrique inductif. La céramique Piezo a une capacité de formation d'électrode sous l'action d'un champ électrique. Divisé en isolation électrique, condensateurs, céramiques piézoélectriques, pyroélectriques et ferroélectriques en fonction de leur utilisation et de leur performance.

Polarisation du diélectrique en céramique piézoélectrique

Les cristaux de céramique piézoélectrique sont à la fois diélectriques et diélectriques anisotropes, de sorte que les propriétés diélectriques des cristaux piézoélectriques sont différentes de celles des diélectriques isotropes.

Le diélectrique est polarisé sous l'action d'un champ électrique, et l'état de polarisation est un état dans lequel le champ électrique exerce une force de déplacement relative sur le point de charge du diélectrique et un équilibre temporaire d'attraction mutuelle entre les charges. Le champ électrique est la cause externe de la polarisation. La cause interne de polarisation se trouve à l'intérieur du milieu. Avec les processus microscopiques à l'intérieur du milieu, il existe trois principaux mécanismes de polarisation.

(1) un atome ou un ion qui constitue un diélectrique. Sous l'action d'un champ électrique, un noyau chargé positivement ne coïncide pas avec le centre négatif de son électron de coque, générant ainsi un moment dipolaire électrique. Cette polarisation est appelée polarisation du déplacement électronique.

(2) Les ions positifs et négatifs qui composent les diélectriques subissent un déplacement relatif sous l'action d'un champ électrique, entraînant un moment dipolaire électrique appelé polarisation de déplacement ionique.

(3) Les molécules qui composent le diélectrique sont des molécules polaires avec un certain moment électrique intrinsèque, mais en raison du mouvement thermique, l'orientation est désordonnée et le moment électrique total de l'ensemble du diélectrique est nul. Lorsqu'un champ électrique externe agit, ces moments dipolaires électriques seront alignés le long du champ extérieur, le cristal piézoélectrique à ultrasons produit un moment dipolaire électrique macroscopique dans le diélectrique, qui est appelé polarisation d'orientation.

1. Polarisation de déplacement d'une molécule infinie

Lorsque le diélectrique sans électrode est dans un champ électrique externe sous l'action de la force de champ électrique, les centres de charge positifs et négatifs de la molécule produiront des déplacements relatifs pour former un dipôle électrique, et leurs moments dipolaires électriques équivalents P sont orientés le long de la direction du champ électrique. Pour un piézoélectrique diélectrique dans son ensemble, comme chaque molécule dans le diélectrique forme des dipoles électriques, ils sont disposés dans le diélectrique. Les charges positives et négatives de dipôles électriques adjacentes dans le diélectrique sont proches les unes des autres. Si le diélectrique est uniforme, il reste électriquement neutre dans tout, mais à la surface du diélectrique qui est perpendiculaire à la résistance au champ électrique externe E0. Il y aura respectivement des charges positives et négatives, qui ne peuvent pas quitter le diélectrique et ne peuvent pas se déplacer librement dans le diélectrique, ce phénomène de charges polarisées dans le diélectrique sous l'action d'un champ électrique externe est appelé polarisation du diélectrique. Plus le champ électrique externe plus fort, plus le déplacement relatif entre les centres de charge positive et négatif de chaque molécule est grand, plus le moment dipolaire électrique est grand, plus les charges sont polarisées sur les deux surfaces du diélectrique, et plus le plus polarisé . Lorsque le champ électrique externe de la fréquence de résonance transducteur piézoélectrique est supprimé, les centres des charges positives et négatifs sont à nouveau coïnciliques (p = 0), de sorte que ce type de molécule peut être considéré comme un dipôle électrique élastique dont la force élastique est reliée par deux Frais électriques équivalents équivalents. L'ampleur du moment dipolaire électrique P est proportionnelle à la force du champ. Étant donné que la polarisation de la molécule infinie réside dans le déplacement relatif du centre des charges positives et négatives, elle est souvent appelée un peu.

Polarisation orientée des molécules polaires

Quant au diélectrique moléculaire polaire, le centre des charges positives et négatives dans la molécule est équivalente à un dipôle électrique. Sous l'action du champ électrique externe, il sera soumis à un instant, de sorte que le moment dipolaire électrique p de la molécule est tourné vers la direction du champ électrique. En raison de l'interférence du mouvement thermique moléculaire, cette direction est minuscule et il est impossible d'aligner les moments dipolaires électriques de toutes les molécules le long de la direction du champ électrique. Le champ électrique externe plus fort de la céramique piézoélectrique électrode piézoélectrique, plus l'ordre de direction est rangé du moment dipolaire électrique de la molécule. Au niveau macroscopique, les charges les plus polarisées apparaissent sur les deux surfaces perpendiculaires au champ électrique diélectrique et externe, le degré de polarisation plus élevé. Lorsque le champ électrique externe est retiré, la direction du moment dipolaire électrique de la molécule devient une disposition irrégulière due au mouvement thermique des molécules, et le diélectrique est toujours neutre. La polarisation des molécules polaires réside dans la direction dans laquelle le dipôle électrique équivalent se tourne vers le champ électrique externe, il est donc appelé polarisation d'orientation. En général, bien que les molécules soient polarisées en même temps, il existe également une polarisation de déplacement. Bien que les processus microscopiques de polarisation de deux types de diélectriques, le polaire est différent, mais les effets macroscopiques sont les mêmes. Les charges polarisées de différents nombres capteurs de plaques piézoélectriques apparaissent sur les deux surfaces opposées du diélectrique, et le champ électrique externe augmente. Les charges les plus polarisées apparaissent. Par conséquent, lorsque le phénomène de polarisation du diélectrique est décrit macroscopiquement ci-dessous, il n'est pas nécessaire de diviser en deux types de diélectriques pour la discussion.

3. Ferroélectricité des cristaux en céramique piézoélectrique

La polarisation de certains diélectriques est très spéciale. Dans une certaine plage de températures, leurs constantes diélectriques ne sont pas constantes, mais varient avec la résistance du champ, et après avoir retiré le champ électrique externe, ces diélectriques ne sont pas neutres. Il y a une polarisation résiduelle. Afin d'être analogue au fait que les matériaux ferromagnétiques peuvent rester magnétisés, cette propriété du transducteur en céramique piézo est souvent appelée ferroélectricité. Un diélectrique ferroélectrique est appelé ferroélectrique. Parmi eux, la céramique de titanate de baryum (BATIO3), le cartouche de tartrate de sodium potassium (NAKC4H4O6⋅H2O) et autres sont les plus proéminents.Les ferroélectriques présenteront l'hystérésis pendant le processus d'électrodéposition. La boucle d'hystérésis montre que la polarisation entre le corps ferroélectrique et le champ électrique appliqué est non linéaire, et la polarisation est inversée lorsque le champ électrique externe est inversé. L'inversion de polarisation est le résultat de l'inversion du domaine, donc la boucle d'hystérésis indique la présence de domaines dans le ferroélectrique. Les soi-disant domaines sont de petites régions dans lesquelles les directions de polarisation spontanée dans les ferroélectriques sont uniformes et les domaines. La frontière entre eux est appelée le mur de domaine. Les cristaux ferroélectriques de produits en céramique piézoélectrique sont généralement multi-domaines, la polarisation spontanée dans chaque domaine a la même direction, et la polarisation spontanée dans les différents domaines est forte.

Pour les ferroélectriques polycristallins, il n'y a pas de régularité entre les orientations relatives de la polarisation spontanée dans les différents domaines pour l'ensemble du polycristal en raison de l'arbitraire complète de l'orientation des axes cristallins entre les grains.

Les ferroélectriques ne forment généralement pas spontanément de domaines uniques, mais les cristaux multidomaines peuvent être monodomainisés sous un fort champ électrique externe. Sous l'action d'un fort champ électrique externe, le volume de domaine de la polarisation spontanée dans le cristal multi-domaine parallèle ou proche de la direction externe se développera rapidement en raison de la formation de nouveaux noyaux de domaine et du mouvement des murs de domaine, et le volume du domaine dans d'autres directions diminuera rapidement. Les petits disparaissent, qui transforment tout le cristal en un seul domaine. Dans l'action du champ électrique externe, le processus dynamique du nouveau noyau de domaine et du mouvement de la paroi de domaine est appelé le processus d'inversion du domaine. Cet inversion a quelques caractéristiques d'hystérésis, donc le ferroélectrique présente la boucle d'hystérésis susmentionnée.

Considérant un seul cristal piézo-piétique supposait que l'orientation de la polarisation spontanée n'a que deux possibilités. Il est positif et négatif le long d'un certain axe cristallin; La direction du champ électrique externe est parallèle à l'axe de polarisation. Lorsque le champ électrique externe est nul, la polarisation des domaines adjacents dans le cristal est opposé et le moment électrique total du cristal est nul. Lorsque le champ électrique externe augmente progressivement, le volume de domaine de la direction de polarisation spontanée opposée à la direction du champ électrique diminuera progressivement en raison de l'inversion du domaine, et ces domaines ont la même direction que le champ électrique se dilater, de sorte que le cristal est en direction du champ externe. L'intensité augmente avec l'augmentation du champ électrique. Lorsque le champ électrique de l'élément disque piézoélectrique augmente suffisamment pour inverser tous les domaines inverses du cristal au champ externe, le cristal devient un seul domaine, la polarisation du cristal atteint la saturation, puis le champ électrique augmente. La polarisation augmentera linéairement avec le champ électrique (identique à la polarisation d'un diélectrique typique) et atteint une valeur maximale PMax, qui est fonction du champ électrique de polarisation le plus élevé. Lorsque la partie linéaire est extrapolée sur un champ électrique zéro, l'interception résultant sur l'axe vertical est appelée polarisation saturée, qui est en fait la polarisation spontanée de chaque domaine. le long de la courbe C-B. Lorsque le champ électrique de la composante en céramique piézoélectrique est réduit à zéro, la polarisation diminue à une certaine valeur Pr, qui est appelée polarisation résiduelle du ferroélectrique. Lorsque le champ électrique modifie la direction et augmente en EC dans le sens négatif, la polarisation diminue à zéro, le champ électrique inversé continue d'augmenter et la polarisation est inversée. EC est appelée la force de champ coercitive du ferroélectrique. Alors que le champ électrique inverse continue d'augmenter, la polarisation continue d'augmenter dans la direction du gradient négative et atteint une valeur de saturation (-pr) dans la direction négative, et le transducteur piézoélectrique à ultrasoélectrique devient un cristal de domaine unique qui a une polarisation négative. Si le champ électrique change en continu d'une valeur négative élevée à une valeur positive élevée, le domaine positif recommence à se former et à se développer jusqu'à ce que tout le cristal devienne un cristal de domaine unique avec une polarisation vers l'avant. Au cours de ce processus, la polarisation est retournée au point C le long de la partie FGH de la ligne de retour. Ainsi, sous l'action d'un grand champ électrique alterné, le champ électrique change d'une semaine, et le processus ci-dessus est répété une fois, montrant la boucle d'hystérésis indiquée. La zone enfermée par la ligne de retour est l'énergie requise pour inverser la polarisation deux fois.