Características de la cerámica piezoeléctrica ultrasónica
Las cerámicas piezoeléctricas ultrasónicas son una clase de materiales cerámicos electrónicos con propiedades piezoeléctricas. La principal diferencia con los cristales de cuarzo piezoeléctricos típicos que no contienen componentes ferroeléctricos es que las fases cristalinas que forman sus componentes principales son todos granos ferroeléctricos. Dado que las cerámicas son agregados policristalinos con granos orientados al azar, el vector de polarización espontánea de cada grano ferroeléctrico también es caótico. orientado Para que la cerámica muestre propiedades piezoeléctricas macroscópicas, debe cocerse en cerámica piezoeléctrica. Después de formarse y combinarse con el electrodo compuesto en la cara del extremo, se coloca bajo un fuerte campo eléctrico de CC para el tratamiento de polarización, de modo que los respectivos vectores de polarización de la orientación desordenada original estén preferentemente orientados a lo largo de la dirección del campo eléctrico. Las cerámicas piezoeléctricas después del tratamiento de polarización, en Después de que se cancela el campo eléctrico, se conservará una cierta polarización remanente macroscópica, de modo que la cerámica tenga ciertas propiedades piezoeléctricas.
Propiedades dieléctricas y elásticas:
La propiedad dieléctrica de las cerámicas piezoeléctricas refleja el grado de respuesta del material cerámico a un campo eléctrico externo, que normalmente se representa mediante la constante dieléctrica ε0. Cuando el campo eléctrico externo no es demasiado grande, se puede utilizar una relación lineal para la respuesta del dieléctrico al campo eléctrico:
Para las cerámicas piezoeléctricas, P es la fuerza de polarización, ε0 es la permitividad del vacío, E es la susceptibilidad eléctrica y E es el campo eléctrico aplicado. Los diferentes usos de los componentes cerámicos piezoeléctricos tienen diferentes requisitos para la constante dieléctrica de las cerámicas piezoeléctricas. Por ejemplo, los componentes de audio como los altavoces cerámicos piezoeléctricos requieren una constante dieléctrica grande de la cerámica, mientras que los componentes cerámicos piezoeléctricos de alta frecuencia requieren una constante dieléctrica pequeña del material.
El coeficiente elástico de las cerámicas piezoeléctricas es un parámetro que refleja la relación entre la deformación de las cerámicas y la fuerza aplicada. Al igual que otros elastómeros, los materiales cerámicos piezoeléctricos siguen la ley de Hooke: Xmn=cmnpqxmnpq, donde cmnpq se denomina constante de dureza elástica del elastómero, X es la tensión yx es la deformación. Para cuerpos piezoeléctricos, debido a la piezoelectricidad, el valor del coeficiente elástico está relacionado con las condiciones de contorno eléctricas.
Piezoelectricidad de la cerámica piezoeléctrica:
La característica más importante de las cerámicas piezoeléctricas es la piezoelectricidad, incluida la piezoelectricidad positiva y la piezoelectricidad inversa. La piezoelectricidad positiva se refiere al desplazamiento relativo de los centros de carga positiva y negativa en algunos dieléctricos bajo la acción de una fuerza mecánica externa, lo que provoca la polarización, lo que conduce a la aparición de cargas ligadas con signos opuestos en las superficies de los dieléctricos. En el caso de que la fuerza externa no sea demasiado grande, su densidad de carga es proporcional a la fuerza externa, siguiendo la fórmula:
donde δ es la densidad de carga superficial, d es la constante de deformación piezoeléctrica y T es la tensión de tracción. Por el contrario, cuando se aplica un campo eléctrico externo a un dieléctrico piezoeléctrico, los centros de carga positiva y negativa dentro del dieléctrico experimentan un desplazamiento relativo y se polarizan, y el desplazamiento hace que el dieléctrico se deforme. Este efecto se llama piezoelectricidad inversa. Cuando el campo eléctrico no es muy fuerte, la deformación tiene una relación lineal con el campo eléctrico externo, siguiendo la fórmula:
dt es la constante de deformación piezoeléctrica inversa, es decir, la matriz transpuesta de d, E es el campo eléctrico aplicado yx es la deformación. La fuerza del efecto piezoeléctrico refleja el grado de acoplamiento entre las propiedades elásticas y las propiedades dieléctricas del cristal, que está representado por el coeficiente de acoplamiento electromecánico K, que sigue la fórmula:
donde u12 es energía piezoeléctrica, u1 es energía elástica y u2 es energía dieléctrica.
Mecanismos físicos de las propiedades piezoeléctricas:
Los dos extremos de la lámina de cerámica piezoeléctrica polarizada tendrán cargas unidas, por lo que una capa de cargas libres del mundo exterior se adsorbe en la superficie del electrodo. Cuando se aplica una presión externa F a la lámina cerámica, se produce una descarga en ambos extremos de la lámina. Por el contrario, si se tira, se producirá el fenómeno de carga. El fenómeno en el que este efecto mecánico se transforma en un efecto eléctrico pertenece al efecto piezoeléctrico positivo.
Además, las cerámicas piezoeléctricas tienen la propiedad de polarización espontánea, y la polarización espontánea puede transformarse bajo la acción de un campo eléctrico externo. Por lo tanto, cuando se aplica un campo eléctrico externo a un dieléctrico piezoeléctrico, ocurrirá el cambio que se muestra en la figura y la cerámica piezoeléctrica se deformará. Sin embargo, la razón por la cual las cerámicas piezoeléctricas se deforman es porque cuando se aplica el mismo campo eléctrico externo que la polarización espontánea, es equivalente a mejorar la fuerza de polarización. El aumento de la fuerza de polarización hace que la lámina de cerámica piezoeléctrica se alargue en la dirección de polarización. Por el contrario, si se aplica el campo eléctrico inverso, la lámina cerámica se acorta a lo largo de la dirección de polarización. Este fenómeno, que se convierte en un efecto mecánico debido a un efecto eléctrico, es el efecto piezoeléctrico inverso.
Otras características:
Las cerámicas piezoeléctricas tienen características sensibles y pueden convertir vibraciones mecánicas extremadamente débiles en señales eléctricas, que se pueden usar en sistemas de sonar, detección del clima, protección ambiental por telemetría, electrodomésticos, etc. La sensibilidad de las cerámicas piezoeléctricas a fuerzas externas hace que incluso sea posible detectar la perturbación del aire provocada por insectos voladores batiendo sus alas a más de diez metros de distancia. Su uso para hacer sismómetros piezoeléctricos puede medir con precisión la intensidad de los terremotos e indicar el acimut y la distancia de los terremotos. Hay que decir que se trata de una gran proeza de la cerámica piezoeléctrica.
La deformación de las cerámicas piezoeléctricas bajo la acción del campo eléctrico es muy pequeña, como máximo no más de una diezmillonésima parte de su propio tamaño. No subestimes este pequeño cambio. El control de instrumentos y maquinaria de precisión, tecnología microelectrónica, bioingeniería y otros campos son una gran ayuda.
Los dispositivos de control de frecuencia, como resonadores y filtros, son componentes clave que determinan el rendimiento de los equipos de comunicación. Las cerámicas piezoeléctricas tienen ventajas obvias a este respecto. Tiene buena estabilidad de frecuencia, alta precisión, amplio rango de frecuencia aplicable, tamaño pequeño, sin absorción de humedad y larga vida útil. Especialmente en equipos de comunicación multicanal, puede mejorar el rendimiento antiinterferencias, lo que hace que los equipos electromagnéticos anteriores no puedan mirar hacia atrás y se enfrenten al problema de ser abrumados. Destino alternativo.
