Les característiques de la ceràmica piezoelèctrica i l'efecte piezoelèctric
Les ceràmiques que tenen un "efecte piezoelèctric" sobre transductors ultrasònics s'anomenen ceràmiques piezoelèctriques. La ceràmica piezoelèctrica sol estar formada per reaccions químiques entre diversos compostos oxidants o compostos d'àcid carbònic durant el procés de sinterització. El procés de fabricació és similar al de la ceràmica electrònica ordinària.
La ceràmica piezoelèctrica és l'opció preferida per fabricar transductors ultrasònics a causa de la seva alta resistència física, inertitat química i costos de fabricació relativament barats. La ceràmica piezoelèctrica es pot utilitzar per fabricar articles com transductors ultrasònics, condensadors ceràmics, sensors i actuadors.
Característiques de la ceràmica piezoelèctrica
La ceràmica piezoelèctrica és un material piezoelèctric fet per l'home. Els materials piezoelèctrics són materials que poden generar electricitat a causa de l'estrès mecànic. Quan s'aplica un voltatge, el material piezoelèctric es deforma. Tots els materials piezoelèctrics no són conductors per produir un efecte i un treball piezoelèctrics.
La ceràmica piezoelèctrica genera una tensió corresponent a l'estrès mecànic aplicat. Normalment s'utilitza com a recol·lector d'energia, encès de gas i sensor per detectar la pressió, l'acceleració i la velocitat angular.
La ceràmica piezoelèctrica genera desplaçament corresponent a la tensió aplicada. Això s'utilitza comunament per a aplicacions d'actuadors lineals com injectors piezoelèctrics, nanoposicionament i sistemes anti-vibracions. En comparació amb els actuadors electrònics i hidràulics, les ceràmiques piezoelèctriques tenen els avantatges de la resposta ràpida, l'alta pressió i la ressonància precisa del funcionament.
La ceràmica piezoelèctrica té vibracions naturals en termes de forma i mida. Quan s'aplica un camp elèctric amb una certa freqüència (anomenada freqüència ressonant), la ceràmica piezoelèctrica vibrarà amb una gran amplitud, mostrant així el màxim corrent. Aquesta característica s'utilitza en vibradors ultrasònics, com rentadores, humidificadores, sonars, filtres de senyal elèctric i motors ultrasònics.
Materials ceràmics piezoelèctrics
Materials com el titanat de bari, el titanat de zirconi de plom i el niobat de liti són les principals matèries primeres per a la fabricació de ceràmica piezoelèctrica. Són alguns materials sintètics i s'ha demostrat que tenen més capacitat de generació d'energia que la majoria de materials naturals. El titanat de zircons de plom (PZT) és la matèria primera més comuna per a la fabricació de ceràmica piezoelèctrica. Està fabricat i produït a partir de dos elements químics (a altes temperatures), plom i zirconi.
Xapa ceràmica piezoelèctrica per a transductor
Les ceràmiques PZT tenen una sensibilitat més alta i una temperatura de treball més alta que altres ceràmiques piezoelèctriques. El tret distintiu del PZT és la seva gran piezoelectricitat. El PZT té una estructura cristal·lina de tipus perovskita, que és adequada per realitzar una gran piezoelectricitat. A més, les funcions es poden millorar mitjançant l'optimització de components.
Efecte piezoelèctric
Els cristalls irregulars es reuneixen com a materials piezoelèctrics. L'estructura d'aquests cristalls no és simètrica, però encara existeixen en un equilibri elèctricament neutre. No obstant això, un cop aplicada la pressió mecànica a aquests cristalls piezoelèctrics, la seva estructura es deformarà i els àtoms s'empenyeran per produir cristalls que puguin conduir corrent. Si s'utilitza el mateix cristall piezoelèctric i s'hi aplica un corrent elèctric, el cristall s'expandirà i es contraurà, convertint així l'energia elèctrica en energia mecànica.
Les ceràmiques piezoelèctriques són materials piezoelèctrics i tenen l'"efecte piezoelèctric" que solen tenir els materials piezoelèctrics. L'efecte piezoelèctric és causat per la interacció electromecànica lineal entre l'estat mecànic i l'estat elèctric del material cristal·lí. L'efecte piezoelèctric es divideix en efecte piezoelèctric directe i invers piezoelèctric. L'efecte piezoelèctric és reversible. Quan una petita força externa actua sobre ella, pot convertir l'energia mecànica en energia elèctrica. Un cop aplicat un voltatge de CA entre els grups de xapa ceràmica piezoelèctrica, l'energia elèctrica s'invertirà en energia mecànica.
Efecte piezoelèctric directe
L'efecte piezoelèctric directe és causat per l'estrès directe sobre el material. Això succeeix quan dues plaques metàl·liques s'utilitzen normalment per aplicar pressió a un tros de material piezoelèctric (com un cristall o una ceràmica). Simplement col·locant el cristall piezoelèctric entre dues plaques metàl·liques, en aquest moment, el material està en perfecte equilibri i no condueix corrent. Un cop la placa metàl·lica aplica pressió mecànica al material, quan el cristall es vegi pertorbat per la pressió o altres tensions, el desequilibri de càrrega provocarà una diferència. Les càrregues negatives i positives excessives apareixen en costats oposats de la superfície cristal·lina. La placa metàl·lica recull aquestes càrregues, que es poden utilitzar per generar tensió i enviar corrent a través del circuit. Aquest procés és un efecte piezoelèctric directe.
Efecte piezoelèctric invers
Es col·loca un cristall piezoelèctric entre les dues plaques metàl·liques, i l'estructura del cristall està en perfecte equilibri sense cap canvi. Un cop aplicada l'energia elèctrica al cristall, es contracta i s'amplia l'estructura del cristall. A mesura que l'estructura cristal·lina s'expandeix i es contrau, converteix l'energia elèctrica rebuda i allibera energia mecànica en forma d'ones sonores. El corrent obliga els àtoms del material a vibrar d'anada i tornada. Aquest procés s'anomena efecte piezoelèctric invers. L'efecte piezoelèctric invers ajuda a desenvolupar dispositius que generen ones sonores, com ara altaveus i brunzits.
Com a element central del transductor ultrasònic, la ceràmica piezoelèctrica de PZT-8 té un factor Qm de major qualitat, una temperatura de treball segura més alta (temperatura curie) i una menor pèrdua dielèctrica (tanδ). Això també garanteix la seva alta eficiència i estabilitat de conversió electromecànica.
