Общее знакомство с пьезокерамическими технологиями

Принцип действия пьезоэлектрических материалов, перовскит и поляризация

Пьезоэлектрический эффект основан на способности некоторых кристаллов генерировать электрический заряд при применении к ним механической нагрузки в виде давления или растягивающего усилия, которая называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. С другой стороны, эти кристаллы подвергаются контролируемой деформации при воздействии электрического поля – такое их поведение называется обратным пьезоэлектрическим эффектом. Полярность заряда зависит от ориентации кристалла по отношению к направлению давления.

Данный процесс называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. С другой стороны, контролируемая деформация при воздействии электрического поля называется обратным пьезоэлектрическим эффектом. Полярность заряда зависит от ориентации кристалла по отношению к направлению давления.

Direkter piezoelektrischer Effekt

Прямой пьезоэлектрический эффект

Inverser piezoelektrischer Effekt

Обратный пьезоэлектрический эффект

Структура типа перовскита

Керамические материалы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, относятся к группе сегнетоэлектрических материалов. Практически все современные пьезоэлектрические системы построены на основе цирконата-титаната свинца (ЦТС), т. е. состоят из смешанных кристаллов цирконата свинца (PbZrO3) и титаната свинца (PbTiO3). Пьезокерамические компоненты обладают поликристаллической структурой, включающей многочисленные кристаллиты (кристаллические области), каждая из которых состоит из множества элементарных ячеек. Элементарные ячейки этих сегнетоэлектрических керамических материалов обладают кристаллической структурой типа перовскита, которая может быть в общим чертах описана структурной формулой A2+B4+O32-.

Схематический чертеж идеальной структуры типа перовскита, пренебрегая искажениями, вызываемыми спонтанной поляризацией ниже температуры Кюри. Двухвалентный катион расположен в центре куба, а четырехвалентные катионы образуют его углы. На данном рисунке двухвалентные анионы расположены в центре каждого ребра куба. Для смешанного кристалла ЦТС (цирконата-титаната свинца) верной будет следующая формула: A: Pb2+, B: Ti4+ / Zr4+

Пьезоэлектрические свойства при поляризации

Сразу же после спекания, ориентация кристаллических областей керамического тела (областей, состоящих из элементарных ячеек с одноименной направленностью диполей) является произвольной, статистически распределенной, т. е. макроскопические тела являются изотропными и не проявляют никаких пьезоэлектрических свойств.

Сегнетоэлектрические керамические материалы до, во время и после поляризации

Соответствующие пьезоэлектрические свойства возникают в результате «поляризации». В ходе данного процесса керамическое тело подвергается воздействию сильного электрического поля постоянного тока, которое приводит к изменению ориентации электрических диполей в соответствии с направлением поля. Диполи в значительной степени сохраняют соответствующую ориентацию даже после прекращения воздействия электрического поля постоянного тока (т.н. остаточная поляризация) – это является необходимым условием для проявления пьезоэлектрических свойств сегнетоэлектрических керамических материалов.

Для получения более подробной информации касательно основных принципов пьезокерамических технологий, динамических свойств пьезокерамики и основных режимах работы пьезоэлектрических резонаторов рекомендуем ознакомиться с нашей брошюрой «Применение высококачественной керамики в пьезоэлектрических технологиях» и приложением «Монолитные многослойные актуаторы – принципы работы и области применения».

  • Piezoceramic Technology

    Передовые керамические компоненты в пьезотехнике

    • Языки: PDF, 2.6 MB

    • Языки: PDF, 2.5 MB

    • Языки: PDF, 5.5 MB