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:

onde δ é a densidade de carga superficial, d é a constante de deformação piezoelétrica e T é a tensão de tração. Por outro lado, quando um campo elétrico externo é aplicado a um dielétrico piezoelétrico, os centros de carga positiva e negativa dentro do dielétrico sofrem deslocamento relativo e são polarizados, e o deslocamento faz com que o dielétrico se deforme. Este efeito é chamado de piezoeletricidade inversa. Quando o campo elétrico não é muito forte, a deformação tem uma relação linear com o campo elétrico externo, seguindo a fórmula:

dt é a constante de deformação piezoelétrica inversa, ou seja, a matriz transposta de d, E é o campo elétrico aplicado e x é a deformação. A força do efeito piezoelétrico reflete o grau de acoplamento entre as propriedades elásticas e as propriedades dielétricas do cristal, que é representada pelo coeficiente de acoplamento eletromecânico K, que segue a fórmula:

onde u12 é a energia piezoelétrica, u1 é a energia elástica e u2 é a energia dielétrica.

Mecanismos Físicos de Propriedades Piezoelétricas:

As duas extremidades da placa de cerâmica piezoelétrica polarizada terão cargas ligadas, de modo que uma camada de cargas livres do mundo externo é adsorvida na superfície do eletrodo. Quando uma pressão externa F é aplicada à placa de cerâmica, a descarga ocorre em ambas as extremidades da placa. Pelo contrário, se for puxado, ocorrerá o fenômeno de carregamento. O fenômeno no qual esse efeito mecânico é transformado em efeito elétrico pertence ao efeito piezoelétrico positivo.

Além disso, as cerâmicas piezoelétricas têm a propriedade de polarização espontânea, e a polarização espontânea pode ser transformada sob a ação de um campo elétrico externo. Portanto, quando um campo elétrico externo é aplicado a um dielétrico piezoelétrico, ocorrerá a alteração mostrada na figura e a cerâmica piezoelétrica será deformada. No entanto, a razão pela qual a cerâmica piezoelétrica se deforma é porque quando o mesmo campo elétrico externo como polarização espontânea é aplicado, é equivalente a aumentar a força de polarização. O aumento da força de polarização faz com que a placa de cerâmica piezoelétrica se alongue na direção da polarização. Pelo contrário, se o campo elétrico reverso for aplicado, a placa cerâmica encurta ao longo da direção da polarização. Este fenômeno,

Outras características:

As cerâmicas piezoelétricas têm características sensíveis e podem converter vibrações mecânicas extremamente fracas em sinais elétricos, que podem ser usados ​​em sistemas de sonar, detecção de clima, proteção ambiental de telemetria, eletrodomésticos, etc. a perturbação do ar causada por insetos voadores batendo suas asas a mais de dez metros de distância. Usá-lo para fazer sismômetros piezoelétricos pode medir com precisão a intensidade dos terremotos e indicar o azimute e a distância dos terremotos. Isso deve ser considerado uma grande façanha da cerâmica piezoelétrica.

A deformação da cerâmica piezoelétrica sob a ação do campo elétrico é muito pequena, no máximo não mais que um décimo de milionésimo de seu próprio tamanho. Não subestime esta pequena mudança. Controle de instrumentos e máquinas de precisão, tecnologia microeletrônica, bioengenharia e outros campos são um grande benefício.

Dispositivos de controle de frequência, como ressonadores e filtros, são componentes-chave que determinam o desempenho do equipamento de comunicação. As cerâmicas piezoelétricas têm vantagens óbvias a esse respeito. Possui boa estabilidade de frequência, alta precisão, ampla faixa de frequência aplicável, tamanho pequeno, sem absorção de umidade e longa vida útil. Especialmente em equipamentos de comunicação multicanal, pode melhorar o desempenho anti-interferência, o que torna o equipamento eletromagnético anterior incapaz de olhar para trás e enfrentar o problema de ser sobrecarregado. Destino alternativo.