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:

The two ends of the polarized piezoelectric ceramic sheet will have bound charges, so a layer of free charges from the outside world is adsorbed on the electrode surface. When an external pressure F is applied to the ceramic sheet, discharge occurs at both ends of the sheet. On the contrary, if it is pulled, the charging phenomenon will occur. The phenomenon in which this mechanical effect is transformed into an electrical effect belongs to the positive piezoelectric effect.

Кроме того, пьезокерамика обладает свойством спонтанной поляризации, причем спонтанная поляризация может трансформироваться под действием внешнего электрического поля. Следовательно, когда к пьезоэлектрическому диэлектрику приложено внешнее электрическое поле, произойдет изменение, показанное на рисунке, и пьезоэлектрическая керамика будет деформирована. Однако причина, по которой пьезоэлектрическая керамика деформируется, заключается в том, что при приложении того же внешнего электрического поля, что и спонтанная поляризация, это эквивалентно увеличению силы поляризации. Увеличение силы поляризации заставляет пьезоэлектрический керамический лист удлиняться в направлении поляризации. Наоборот, если приложено обратное электрическое поле, керамический лист укорачивается в направлении поляризации. Этот феномен,

Другие особенности:

Пьезокерамика обладает чувствительными характеристиками и может преобразовывать чрезвычайно слабые механические колебания в электрические сигналы, что может быть использовано в гидроакустических системах, метеообследовании, телеметрии, охране окружающей среды, бытовых приборах и т.д. Чувствительность пьезокерамики к внешним силам позволяет даже ощущать возмущение воздуха, вызванное взмахами крыльев летающих насекомых на расстоянии более десяти метров. Используя его для изготовления пьезоэлектрических сейсмометров, можно точно измерять интенсивность землетрясений и указывать азимут и расстояние до землетрясений. Это, надо сказать, большой подвиг пьезоэлектрической керамики.

Деформация пьезокерамики под действием электрического поля очень мала, самое большее не более одной десятимиллионной своего собственного размера. Не стоит недооценивать это небольшое изменение. Управление прецизионными приборами и машинами, технологиями микроэлектроники, биоинженерии и другими областями — большое благо.

Устройства регулирования частоты, такие как резонаторы и фильтры, являются ключевыми компонентами, определяющими характеристики оборудования связи. Пьезоэлектрическая керамика имеет в этом отношении очевидные преимущества. Он обладает хорошей стабильностью частоты, высокой точностью, широким диапазоном частот, малыми размерами, отсутствием влагопоглощения и длительным сроком службы. Особенно в многоканальном коммуникационном оборудовании это может улучшить характеристики защиты от помех, что делает предыдущее электромагнитное оборудование неспособным оглянуться назад и столкнуться с проблемой перегрузки. Альтернативная судьба.