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德国Physik Instrumente Piezo技术的基本原理

[打印]发布时间:2021-04-06    有效期:不限 至 不限    点击:4

  德国Physik Instrumente Piezo技术的基本原理

北京汉达森PI(2)

 

  从物理效应到工业用途

  "皮耶佐"一词源自希腊语中的压力词。1880年,雅克和皮埃尔·居里发现,压力在石英和碧光晶体等许多晶体中产生电荷:他们称这种现象为"压电效应"。后来他们注意到,电场可以变形压电材料。这种效应称为"反压电效应"。

  工业上的突破来自于-Piezoelect陶瓷,当科学家发现钛在应用电场时,在有用的尺度上采用压电特性。

  压电效应现在用于许多日常产品,如打火机、扬声器和信号传感器。Piezo 执行器技术也得到了汽车技术的认可,因为内燃机中的压电控制喷射阀缩短了过渡时间,显著提高了平滑度和废气质量。

  直接和反向压电效应

  压力在压电材料表面产生电荷。这种直接压电效应,也称为发电机或传感器效应,将机械能转化为电能。

  反之亦然,当施加电压时,反压电效应会导致此类材料的长度变化。此执行器效应将电能转换为机械能。

  压电效应既发生在单晶材料中,也发生在多晶铁电陶瓷中。在单个晶体中,晶体晶格单元细胞结构中的不对称,即形成低于居里温度T的极轴C,是发生效果的充分前提。

  此外,压电陶瓷还具有自发的极化,即单位细胞的正负电荷浓度是相互分离的。同时,单元细胞的轴向自发极化方向延伸,并发生自发应变。

  具有多晶结构的压电陶瓷

  石英、碧曼和罗谢尔盐等天然单晶材料的压电效应相对较小。多晶铁电陶瓷,如钛合金(巴蒂奥)3)和铅硅酸盐钛酸盐(PZT)显示更大的位移或诱导更大的电压。PZT压电陶瓷材料有多种不同,最广泛地用于执行器或传感器应用。PZT陶瓷的特殊掺杂剂,例如尼、比、拉、Nd、Nb离子,使得能够具体优化压电和介电参数。

  温度低于居里温度 TCPZT晶体的晶格结构变形和不对称。这带来了偶极子和龙骨和四角晶体相位的形成,这对压电技术很感兴趣。陶瓷表现出自发的极化。在居里温度以上,压生菌材料失去其压电特性。

  铁电极化

  为了最大限度地降低材料的内部能量,铁电领域在陶瓷晶体中形成。在这些卷中,自发两极分化的方向是相同的。

  边框域的不同方向由域墙隔开。铁电极化过程也需要使陶瓷在宏观上压电。

  为此,应用了几千伏/毫米的强电场,在以前无组织的陶瓷化合物中形成不对称。电场导致自发极化的重新定位。同时,对极性场方向具有有利方向的域在增长,对极性场方向有不利方向的域在收缩。域墙在晶格中移动。

  两极分化后,即使没有电场的应用,大多数重新定向也会保留下来。但是,由于内部机械应力,少数域墙被移回原来的位置。

  极化皮埃佐陶瓷的扩展

  陶瓷膨胀,每当应用电场,这是不如原来的极化场强度强。这种效应的一部分是由于晶格中离子的压电变化,被称为内在效应。

  外在效应基于单位细胞的可逆铁电重新定向。它随着驱动场强度的增强而增加,并负责铁电压电陶瓷的大部分非线性滞后和漂移特性。

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