壓電技術的基本原理

從物理效應到工業應用

"piezo"(壓電)一詞是從希臘語中的“壓力”一詞派生而來的。1880年,雅克•保羅•居裡和皮埃爾•居裡發現施加壓力能在石英、電氣石等多種晶體中産生電荷,他們将這種現象稱為"piezoelectric effect"(壓電效應)。後來,他們發現電場可以使壓電材料變形。這種效應被稱為"inverse piezoelectric effect"(逆壓電效應)。 當科學家發現在施加電場時钛酸鋇能在一個有效範圍内利用壓電特性,産業突破 >>便伴随着壓電陶瓷而來。 壓電效應目前用于點火器、揚聲器和信号轉換器等多種日常用品。此外,由于内燃機中的壓電控制噴射閥減少了傳遞時間,大大改善了平滑度和廢氣質量,壓電促動器技術也在汽車技術中得到認可。


正、逆壓電效應

在壓電材料表面施加壓力可以産生電荷。這種直接壓電效應,也稱發電機或傳感器效應,将機械能轉換為電能。 反之,施加一定電壓時,逆壓電效應可以改變此類材料的長度。這種促動器效應将電能轉換成機械能。 單晶材料和多晶鐵電陶瓷中都可産生壓電效應。在單晶中,晶格晶胞的不對稱結構,即低于居裡溫度T時形成的極軸,是産生這種效應的充分必要條件。 此外,壓電陶瓷具有自發極化特性,即晶胞的正負電荷濃度相互分離。同時,晶胞的軸線沿自發極化的方向延伸,産生自發應變。


帶多晶結構的壓電陶瓷

石英、電氣石和羅謝爾鹽等天然單晶材料的壓電效應相對較小,而钛酸鋇(BaTiO3)和锆钛酸鉛(PZT)等多晶鐵電陶瓷表現出較大的位移或産生更高的電壓。PZT壓電陶瓷材料有許多種類,廣泛運用于促動器或傳感器應用中。PZT陶瓷中帶鎳、铋、镧、钕、铌等離子的特殊摻雜質可特定優化壓電和介電參數。

溫度低于居裡溫度T 時,PZT微晶的晶格結構開始變形并變得不對稱,使偶極子形成,産生菱形及正方形晶相,而這些都是壓電技術的關注點。陶瓷表現出自發極化特性。溫度高于居裡溫度時,壓電陶瓷材料失去其壓電性能。 >> 關于壓電材料的更多信息


鐵電極化

為了減少材料的内能,陶瓷微晶中形成鐵電疇。鐵電疇内,自發極化的方向都是相同的。 邊界磁疇的不同方向由疇壁隔開。陶瓷的宏觀壓電還需要一個鐵電極化過程。

為此,必須施加一個介電強度為數kV/mm的強電場,使之前無結構的陶瓷化合物中産生不對稱。電場使自發極化進行重定向。同時,向極性磁場方向有擇優取向的磁疇不斷擴大,其他無擇優取向的則不斷收縮。疇壁在晶格中被移動。 極化後,即使不施加電場,大部分重定向也會得以保存。然而,由于内部機械應力等原因,少量疇壁會被移回至原來位置。


極化壓電陶瓷的膨脹

一旦施加電場,陶瓷就會膨脹,極化場強将會減弱。這種效應一部分是因為晶格中離子的壓電位移,稱為内在效應外在效應是基于晶胞的可逆鐵電重定向。它随着驅動場強度的增大而增大,是鐵電壓電陶瓷大部分非線性遲滞和漂移特性的原因所在。


機電

極化壓電材料可由若幹種系數和關系進行定性。 
電氣和彈性特性之間的基本關系可以用如下簡化公式表示:

D 電通密度
T 機械應力
E 電場
S 機械應變
d 壓電應變常數
εT 介電常數(T=常數)
sE 柔度或彈性系數(E=常數)

這些關系僅适用于較小的電氣和機械振幅,即所謂的小信号值。在此範圍内,機械、彈性變形S或應力T和電場E或電通量密度D之間是線性關系,系數值是常數。 可在材料數據表中找到這些小信号系數:

軸的分配

軸1、軸2和軸3(對應笛卡兒坐标系的X軸、Y軸和Z軸)表示方向,旋轉軸(坐标系中的U、V和W)用4、5和6表示。 極化過程的産生是通過在兩個電極之間施加一個強電場,極化方向(軸3)在此過程中被建立,且此時壓電陶瓷能達到最大位移。 由于壓電材料具有各向異性,相應的物理量通過張量進行描述,因而壓電系數也通過相應指标表示。


壓電系數


動态行為

激發振蕩的壓電體的機電特性可用電氣等效電路圖表示。 C0是指介質的電容。包含C1、L1和 R1的串聯電路描述了彈性變形、有效質量(慣性)和内部摩擦産生的機械損失等機械性能的變化。然而,此振蕩電路的描述僅适用于機械固有諧振附近的頻率。 大多數壓電材料參數是通過對共振時的特殊試驗體進行阻抗測量來确定。串聯和并聯共振都被用來确定壓電參數,分别對應最小阻抗fm和最大阻抗fn的充分逼近值。


壓電陶瓷元件的振蕩狀态

振蕩狀态或模式與變形是由個體的幾何形狀、機械-彈性特征以及電場和極化的方向決定的。

手冊

動态行為

壓電陶瓷元件的振蕩模式
文件語言
pdf - 434 KB
pdf - 435 KB

詢問工程師

通過電子郵件或電話從當地PI Ceramic 銷售工程師處快速獲取解答。


下載

樣本

壓電促動器

部件、技術、操作
版本/日期
CAT128 R2
版本/日期
CAT128 R2
文件語言
pdf - 11 MB
pdf - 5 MB
樣本

PI壓電陶瓷産品

基本原理、特點和應用
版本/日期
CAT125
版本/日期
CAT125
文件語言
pdf - 10 MB
pdf - 10 MB
http://5luuc2sf.dnsq357.top| http://bclsq5a9.dnsq357.top| http://h8lo.dnsq357.top| http://mbodnbxq.dnsq357.top| http://ecocb.dnsq357.top|