Základy piezokeramické technologie

Piezoelektrický princip, perovskit a polarizace

Piezoelektřina je založena na schopnosti určitých krystalů generovat elektrický náboj při mechanickém zatížení v tlaku nebo tahu – to se nazývá přímý piezoelektrický jev. Naopak, tyto krystaly prodělávají kontrolovanou deformaci, jsou-li vystaveny elektrickému poli – toto chování se označuje jako nepřímý (inverzní) piezoelektrický jev. Polarita náboje závisí na orientaci krystalu vzhledem ke směru tlaku.

Tento proces se nazývá přímý piezoelektrický jev. Naopak, kontrolovaná deformace při vystavení elektrickému poli je označována jako nepřímý (inverzní) piezoelektrický jev. Polarita náboje závisí na orientaci krystalu vzhledem ke směru tlaku.

Direkter piezoelektrischer Effekt

Přímý piezoelektrický jev

Inverser piezoelektrischer Effekt

Nepřímý (inverzní) piezoelektrický jev

Struktura perovskitu

Keramika vykazující piezoelektrické vlastnosti patří do skupiny feroelektrických materiálů. Dnešní systémy jsou téměř bezvýhradně založené na olovo-zirkonátu-titanátu (PZT); tzn. skládají se ze smíšených krystalů zirkonátu olova (PbZrO3) a titanátu olova (PbTiO3). Piezokeramické komponenty mají polykrystalickou strukturu obsahující různé krystality (domény), z nichž každý se skládá z mnoha elementárních buněk. Elementární buňky této feroelektrické keramiky vykazují krystalickou strukturu perovskitu, což lze obecně popsat strukturálním vzorcem A2+B4+O32-.

Schematický graf ideální struktury perovskitu, zanedbávající distorze způsobené spontánní polarizací pod Curieovou teplotou. Bivalentní kationt je umístěn ve středu krychle, zatímco tetravalentní kationty tvoří její rohy. Bivalentní anionty jsou umístěny ve středu každé hrany krychle jako na této ilustraci. Pro smíšený krystal PZT (olovo-zirkonát-titanát) platí vzorec: A: Pb2+, B: Ti4+ / Zr4+

Piezoelektrické vlastnosti v důsledku polarizace

Okamžitě po sintrování vykazují domény keramického tělesa (oblasti skládající se z elementárních buněk s jednotným směrem dipólů) libovolnou, statisticky rozdělenou orientaci; to znamená, že makroskopické těleso je izotropní a nemá žádné piezoelektrické vlastnosti.

Feroelektrická keramika před polarizací, během polarizace a po ní

Tyto piezoelektrické vlastnosti musí být vyvolány „polarizací“. V tomto procesu je keramické těleso vystaveno silnému stejnosměrnému elektrickému poli, které způsobí, že se elektrické dipóly vyrovnají ve směru tohoto pole. Tuto orientaci si do značné míry zachovají i poté, co stejnosměrné pole již není aplikováno (remanentní polarizace) – nezbytná podmínka pro piezoelektrické chování feroelektrické keramiky.

Pro další informace o základech piezokeramické technologie, dynamickém chování piezokeramiky a základních režimech piezoelektrických rezonátorů doporučujeme naši brožuru „High-performance Ceramics in Piezo Applications“ (Vysoce výkonná keramika v piezoaplikacích) a dodatek „Monolithic Multilayer Actuators – Operation and Applications“ (Monolitické vícevrstvé ovladače – provoz a aplikace).

  • Piezoceramic Technology

    Advanced Ceramics in Piezo Applications

    • Jazyky: PDF, 2.6 MB

    • Jazyky: PDF, 2.5 MB

    • Jazyky: PDF, 5.5 MB

  • Piezoceramic Technology

    Advanced Ceramics in Piezo Applications

    • Jazyky: PDF, 2.6 MB

    • Jazyky: PDF, 2.5 MB

    • Jazyky: PDF, 5.5 MB

  • Piezoceramic Technology

    Advanced Ceramics in Piezo Applications

    • Jazyky: PDF, 2.6 MB

    • Jazyky: PDF, 2.5 MB

    • Jazyky: PDF, 5.5 MB