Characteristics of Ultrasonic Piezoelectric Ceramics

Ultrasonic piezoelectric ceramics are a class of electronic ceramic materials with piezoelectric properties. The main difference from typical piezoelectric quartz crystals that do not contain ferroelectric components is that the crystal phases that make up their main components are all ferroelectric grains Since ceramics are polycrystalline aggregates with randomly oriented grains, the spontaneous polarization vector of each ferroelectric grain is also chaotically oriented. In order for ceramics to exhibit macroscopic piezoelectric properties, it must be fired in piezoelectric ceramics. After being formed and combined with the composite electrode on the end face, it is placed under a strong DC electric field for polarization treatment, so that the respective polarization vectors of the original disorderly orientation are preferentially oriented along the direction of the electric field. The piezoelectric ceramics after polarization treatment, in After the electric field is cancelled, a certain macroscopic remanent polarization will be retained, so that the ceramic has certain piezoelectric properties.

Dielectric and elastic properties:

The dielectric property of piezoelectric ceramics reflects the degree of response of the ceramic material to an external electric field, which is usually represented by the dielectric constant ε0. When the external electric field is not too large, a linear relationship can be used for the response of the dielectric to the electric field:

For piezoelectric ceramics, P is the polarization strength, ε0 is the vacuum permittivity, E is the electric susceptibility, and E is the applied electric field. Different uses of piezoelectric ceramic components have different requirements for the dielectric constant of piezoelectric ceramics. For example, audio components such as piezoelectric ceramic speakers require a large dielectric constant of the ceramic, while high-frequency piezoelectric ceramic components require a small dielectric constant of the material.

The elastic coefficient of piezoelectric ceramics is a parameter that reflects the relationship between the deformation of the ceramics and the applied force. Like other elastomers, piezoelectric ceramic materials follow Hooke's law: Xmn=cmnpqxmnpq, where cmnpq is called the elastic hardness constant of the elastomer, X is the stress, and x is the strain. For piezoelectric bodies, due to the piezoelectricity, the value of the elastic coefficient is related to the electrical boundary conditions.

Piezoelectricity of Piezoelectric Ceramics:

The biggest characteristic of piezoelectric ceramics is piezoelectricity, including positive piezoelectricity and inverse piezoelectricity. Positive piezoelectricity refers to the relative displacement of the positive and negative charge centers in some dielectrics under the action of mechanical external force, which causes polarization, which leads to the appearance of bound charges with opposite signs on the surfaces of the dielectrics. In the case where the external force is not too large, its charge density is proportional to the external force, following the formula:

where δ is the surface charge density, d is the piezoelectric strain constant, and T is the tensile stress. Conversely, when an external electric field is applied to a piezoelectric dielectric, the positive and negative charge centers inside the dielectric undergo relative displacement and are polarized, and the displacement causes the dielectric to deform. This effect is called inverse piezoelectricity. When the electric field is not very strong, the deformation has a linear relationship with the external electric field, following the formula:

dt is the inverse piezoelectric strain constant, that is, the transposed matrix of d, E is the applied electric field, and x is the strain. The strength of the piezoelectric effect reflects the degree of coupling between the elastic properties and dielectric properties of the crystal, which is represented by the electromechanical coupling coefficient K, which follows the formula:

where u12 is piezoelectric energy, u1 is elastic energy, and u2 is dielectric energy.

Physical Mechanisms of Piezoelectric Properties:

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,

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, Mikroelektroniktechnologie, 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.