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Zibo Yuhai Electronic Ceramic Co., Ltd.

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Wie werden piezoelektrische Materialien hergestellt?


Eine herkömmliche piezoelektrische Keramik besteht aus einer Masse von Perowskit-Keramikkristallen, die jeweils aus einem kleinen vierwertigen Metallion, üblicherweise Titan oder Zirkonium, in einem Gitter aus größeren zweiwertigen Metallionen, üblicherweise Blei oder Barium, und O 2 -Ionen bestehen. Unter Bedingungen, die den Kristallen eine tetragonale oder rhomboedrische Symmetrie verleihen, hat jeder Kristall ein Dipolmoment.

Zur Herstellung einer Piezokeramik werden feine PZT-Pulver der Metalloxidkomponenten in bestimmten Anteilen gemischt und dann erhitzt, um ein gleichmäßiges Pulver zu bilden. Das Piezopulver wird mit einem organischen Bindemittel gemischt und zu Strukturelementen mit der gewünschten Form (Scheiben, Stäbe, Platten usw.) geformt. Die Elemente werden nach einem bestimmten Zeit- und Temperaturprogramm gebrannt, wobei die Piezopulverpartikel sintern und das Material eine dichte Kristallstruktur erhält. Die Elemente werden abgekühlt, dann geformt oder auf die Spezifikationen zugeschnitten, und Elektroden werden auf die entsprechenden Oberflächen aufgebracht.

Oberhalb einer kritischen Temperatur, dem Curie-Punkt, weist jeder Perowskitkristall im gebrannten Keramikelement eine einfache kubische Symmetrie ohne Dipolmoment auf. Bei Temperaturen unterhalb des Curie-Punktes weist jedoch jeder Kristall eine tetragonale oder rhomboedrische Symmetrie und ein Dipolmoment auf. Angrenzende Dipole bilden Regionen mit lokaler Ausrichtung, die als Domänen bezeichnet werden. Die Ausrichtung gibt der Domäne ein Netto-Dipolmoment und somit eine Netto-Polarisation. Die Polarisationsrichtung zwischen benachbarten Domänen ist jedoch zufällig, so dass das keramische Element keine Gesamtpolarisation aufweist.

Die Domänen in einem Piezokeramikelement werden ausgerichtet, indem das Element einem starken elektrischen Gleichstromfeld ausgesetzt wird, üblicherweise bei einer Temperatur knapp unter dem Curie-Punkt. Durch diese Polarisationsbehandlung (Polung) dehnen sich Domänen, die am ehesten mit dem elektrischen Feld ausgerichtet sind, auf Kosten von Domänen aus, die nicht mit dem Feld ausgerichtet sind, und das Element verlängert sich in Richtung des Feldes. Wenn das elektrische Feld entfernt wird, sind die meisten Dipole in einer nahezu ausgerichteten Konfiguration verriegelt. Das Element hat nun eine permanente Polarisation, die remanente Polarisation, und ist permanent verlängert.



Piezoelektrische Keramik polen

Auswirkungen des elektrischen Feldes

Analog zu entsprechenden Eigenschaften ferromagnetischer Materialien zeigt ein gepoltes ferroelektrisches Material eine Hysterese. Abbildung 1.3 zeigt eine typische Hysteresekurve, die durch Anlegen eines elektrischen Feldes an ein piezoelektrisches Keramikelement bis zum Erreichen der maximalen Polarisation Ps erzeugt wird. Dabei wird das Feld auf Null reduziert, um die remanente Polarisation Pr zu bestimmen negative remanente Polarisation und Umkehrung des Feldes, um die positive remanente Polarisation wiederherzustellen. Die Kurve unterhalb der Hysteresekurve zeigt die relative Änderung der Abmessung des Keramikelements entlang der Polarisationsrichtung entsprechend der Änderung des elektrischen Feldes. Mit der relativen Vergrößerung / Verkleinerung der Dimension parallel zur Richtung des elektrischen Feldes geht eine entsprechende, aber um ca. 50% geringere relative Vergrößerung / Verkleinerung der Dimension senkrecht zum elektrischen Feld einher. Abbildung 1.3. Auswirkungen des elektrischen Feldes (E) auf die Polarisation (P) und die entsprechende Dehnung / Kontraktion eines keramischen Elements

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