Đặc điểm của gốm áp điện siêu âm
Gốm áp điện siêu âm là một loại vật liệu gốm điện tử có đặc tính áp điện. Sự khác biệt chính so với các tinh thể thạch anh áp điện điển hình không chứa các thành phần sắt điện là các pha tinh thể tạo thành các thành phần chính của chúng đều là các hạt sắt điện. Vì gốm là các tập hợp đa tinh thể với các hạt định hướng ngẫu nhiên, vectơ phân cực tự phát của mỗi hạt sắt điện cũng hỗn loạn định hướng. Để gốm thể hiện các đặc tính áp điện vĩ mô, nó phải được nung trong gốm áp điện. Sau khi được hình thành và kết hợp với điện cực composite ở mặt cuối, nó được đặt dưới điện trường DC mạnh để xử lý phân cực, sao cho các vectơ phân cực tương ứng của hướng mất trật tự ban đầu được ưu tiên định hướng dọc theo hướng của điện trường. Gốm áp điện sau khi xử lý phân cực, trong Sau khi điện trường bị hủy, một phân cực dư vĩ mô nhất định sẽ được giữ lại, do đó gốm có các đặc tính áp điện nhất định.
Tính chất điện môi và đàn hồi:
Tính chất điện môi của gốm áp điện phản ánh mức độ phản ứng của vật liệu gốm đối với điện trường bên ngoài, thường được biểu thị bằng hằng số điện môi ε0. Khi điện trường bên ngoài không quá lớn, có thể sử dụng mối quan hệ tuyến tính cho phản ứng của chất điện môi đối với điện trường:
Đối với gốm áp điện, P là cường độ phân cực, ε0 là độ thấm chân không, E là độ nhạy điện và E là điện trường ứng dụng. Các ứng dụng khác nhau của các thành phần gốm áp điện có các yêu cầu khác nhau đối với hằng số điện môi của gốm áp điện. Ví dụ, các thành phần âm thanh như loa gốm áp điện yêu cầu hằng số điện môi lớn của gốm, trong khi các thành phần gốm áp điện tần số cao yêu cầu hằng số điện môi nhỏ của vật liệu.
Hệ số đàn hồi của gốm áp điện là thông số phản ánh mối quan hệ giữa độ biến dạng của gốm và lực tác dụng. Giống như các chất đàn hồi khác, vật liệu gốm áp điện tuân theo định luật Hooke: Xmn=cmnpqxmnpq, trong đó cmnpq được gọi là hằng số độ cứng đàn hồi của chất đàn hồi, X là ứng suất và x là biến dạng. Đối với các vật thể áp điện, do áp điện, giá trị của hệ số đàn hồi có liên quan đến các điều kiện biên điện.
Tính áp điện của gốm sứ áp điện:
Đặc tính lớn nhất của gốm áp điện là tính áp điện, bao gồm áp điện dương và áp điện nghịch. Áp điện dương đề cập đến sự dịch chuyển tương đối của các tâm điện tích dương và âm trong một số chất điện môi dưới tác dụng của ngoại lực cơ học, gây ra sự phân cực, dẫn đến sự xuất hiện của các điện tích liên kết trái dấu trên bề mặt của chất điện môi. Trong trường hợp ngoại lực không quá lớn thì mật độ điện tích của nó tỉ lệ thuận với ngoại lực, theo công thức:
Trong đó δ là mật độ điện tích bề mặt, d là hằng số biến dạng áp điện và T là ứng suất kéo. Ngược lại, khi một điện trường bên ngoài được đặt vào một chất điện môi áp điện, các tâm điện tích dương và âm bên trong chất điện môi trải qua sự dịch chuyển tương đối và bị phân cực, và sự dịch chuyển làm cho chất điện môi bị biến dạng. Hiệu ứng này được gọi là áp điện nghịch đảo. Khi điện trường không mạnh lắm, biến dạng có quan hệ tuyến tính với điện trường ngoài, theo công thức:
dt là hằng số biến dạng áp điện nghịch đảo, nghĩa là ma trận chuyển vị của d, E là điện trường ứng dụng và x là biến dạng. Cường độ của hiệu ứng áp điện phản ánh mức độ liên kết giữa đặc tính đàn hồi và tính chất điện môi của tinh thể, được biểu thị bằng hệ số liên kết điện cơ K, theo công thức:
trong đó u12 là năng lượng áp điện, u1 là năng lượng đàn hồi và u2 là năng lượng điện môi.
Cơ chế vật lý của tính chất áp điện:
Hai đầu của tấm gốm áp điện phân cực sẽ có các điện tích liên kết, do đó một lớp điện tích tự do từ thế giới bên ngoài được hấp phụ trên bề mặt điện cực. Khi một áp suất bên ngoài F được áp dụng cho tấm gốm, sự phóng điện xảy ra ở cả hai đầu của tấm. Ngược lại, nếu nó bị kéo, hiện tượng sạc sẽ xảy ra. Hiện tượng trong đó hiệu ứng cơ học này được chuyển thành hiệu ứng điện thuộc về hiệu ứng áp điện dương.
Ngoài ra, gốm áp điện có đặc tính phân cực tự phát và sự phân cực tự phát có thể được biến đổi dưới tác động của điện trường bên ngoài. Do đó, khi một điện trường bên ngoài được áp dụng cho chất điện môi áp điện, sự thay đổi như trong hình sẽ xảy ra và gốm áp điện sẽ bị biến dạng. Tuy nhiên, lý do tại sao gốm áp điện biến dạng là do khi áp dụng cùng một điện trường bên ngoài như sự phân cực tự phát, nó tương đương với việc tăng cường độ phân cực. Sự gia tăng cường độ phân cực làm cho tấm gốm áp điện kéo dài theo hướng phân cực. Ngược lại, nếu điện trường ngược được áp dụng, tấm gốm sẽ ngắn lại theo hướng phân cực. Hiện tượng này, được chuyển đổi thành hiệu ứng cơ học do hiệu ứng điện, là hiệu ứng áp điện nghịch đảo.
Các tính năng khác:
Gốm áp điện có các đặc tính nhạy cảm và có thể chuyển đổi các rung động cơ học cực yếu thành tín hiệu điện, có thể được sử dụng trong hệ thống sonar, phát hiện thời tiết, bảo vệ môi trường đo từ xa, thiết bị gia dụng, v.v. Độ nhạy của gốm áp điện đối với ngoại lực thậm chí có thể cảm nhận được sự xáo trộn của không khí do côn trùng bay vỗ cánh cách xa hơn mười mét. Sử dụng nó để chế tạo máy đo địa chấn áp điện có thể đo chính xác cường độ của các trận động đất và cho biết phương vị và khoảng cách của các trận động đất. Đây phải nói là một kỳ công lớn của gốm áp điện.
Sự biến dạng của gốm áp điện dưới tác động của điện trường là rất nhỏ, nhiều nhất không quá một phần mười triệu kích thước của chính nó. Đừng đánh giá thấp sự thay đổi nhỏ này. Kiểm soát các dụng cụ và máy móc chính xác, công nghệ vi điện tử, kỹ thuật sinh học và các lĩnh vực khác là một lợi ích lớn.
Các thiết bị điều khiển tần số như bộ cộng hưởng và bộ lọc là những thành phần chính quyết định hiệu suất của thiết bị truyền thông. Gốm áp điện có lợi thế rõ ràng về vấn đề này. Nó có độ ổn định tần số tốt, độ chính xác cao, dải tần áp dụng rộng, kích thước nhỏ, không hấp thụ độ ẩm và tuổi thọ cao. Đặc biệt là trong thiết bị liên lạc đa kênh, nó có thể cải thiện hiệu suất chống nhiễu, khiến thiết bị điện từ trước đó không thể nhìn lại và phải đối mặt với vấn đề bị quá tải. Định mệnh thay thế.
