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:

Les deux extrémités de la feuille de céramique piézoélectrique polarisée auront des charges liées, de sorte qu'une couche de charges libres du monde extérieur est adsorbée sur la surface de l'électrode. Lorsqu'une pression externe F est appliquée à la feuille de céramique, une décharge se produit aux deux extrémités de la feuille. Au contraire, s'il est tiré, le phénomène de charge se produira. Le phénomène de transformation de cet effet mécanique en effet électrique appartient à l'effet piézoélectrique positif.

De plus, les céramiques piézoélectriques ont la propriété de polarisation spontanée, et la polarisation spontanée peut être transformée sous l'action d'un champ électrique extérieur. Par conséquent, lorsqu'un champ électrique externe est appliqué à un diélectrique piézoélectrique, le changement représenté sur la figure se produira et la céramique piézoélectrique sera déformée. Cependant, la raison pour laquelle les céramiques piézoélectriques se déforment est que lorsque le même champ électrique externe que la polarisation spontanée est appliqué, cela équivaut à augmenter la force de polarisation. L'augmentation de l'intensité de polarisation rend la feuille de céramique piézoélectrique allongée dans la direction de polarisation. Au contraire, si le champ électrique inverse est appliqué, la feuille de céramique se raccourcit le long de la direction de polarisation. Ce phénomène,

Autres caractéristiques:

Les céramiques piézoélectriques ont des caractéristiques sensibles et peuvent convertir des vibrations mécaniques extrêmement faibles en signaux électriques, qui peuvent être utilisés dans les systèmes de sonar, la détection météorologique, la protection de l'environnement par télémétrie, les appareils ménagers, etc. La sensibilité des céramiques piézoélectriques aux forces extérieures permet même de détecter la perturbation de l'air causée par des insectes volants battant des ailes à plus de dix mètres. Son utilisation pour fabriquer des sismomètres piézoélectriques permet de mesurer avec précision l'intensité des tremblements de terre et d'indiquer l'azimut et la distance des tremblements de terre. Il faut dire que c'est un grand exploit de la céramique piézoélectrique.

La déformation des céramiques piézoélectriques sous l'action du champ électrique est très faible, au maximum pas plus d'un dix-millionième de sa propre taille. Ne sous-estimez pas ce petit changement. Le contrôle des instruments et des machines de précision, la technologie de la microélectronique, la bio-ingénierie et d'autres domaines sont une grande aubaine.

Les dispositifs de contrôle de fréquence tels que les résonateurs et les filtres sont des composants clés qui déterminent les performances des équipements de communication. Les céramiques piézoélectriques présentent des avantages évidents à cet égard. Il a une bonne stabilité de fréquence, une haute précision, une large plage de fréquences applicables, une petite taille, aucune absorption d'humidité et une longue durée de vie. En particulier dans les équipements de communication multicanaux, il peut améliorer les performances anti-interférences, ce qui rend l'équipement électromagnétique précédent incapable de regarder en arrière et confronté au problème d'être submergé. Destin alternatif.