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:

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,

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.