PIEZOKERAMIKE

Sveučilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje

Prof.dr.sc. Danko Ćorić

PIEZOELEKTRIČNI I FEROELEKTRIČNI MATERIJALI

• Dielektrični materijal – materijal koji je loš vodič elektriciteta tako da može podnijeti znatan električni napon pri čemu primijenjeno električno polje dovodi samo do pomaka naboja ali ne i do njegova toka.

• Djelovanjem električnog polja na dielektrični materijal dolazi do električne polarizacije tj. odvajanja centra pozitivnog i negativnog naboja.

Električna polarizacija dielektričnog materijala s induciranim nabojima kod dvije elektrode

PIEZOELEKTRIČNI I FEROELEKTRIČNI MATERIJALI

• Polarizacija uzrokuje korisno ponašanje kao što je pretvorba mehaničke energije u električnu (direktni piezoelektrični efekt) koja se temelji na promjeni polarizacije dielektričnog materijala pod djelovanjem naprezanja dok mehanizam pretvorbe električne energije u mehaničku (inverzni piezoelektrični efekt) uključuje interakciju između primijenjenog električnog polja i dielektričnog materijala iz čega proizlazi promjena dimenzija.

Električna polarizacija piezoelektrične keramike

PIEZOELEKTRIČNI I FEROELEKTRIČNI MATERIJALI

Pretvorba mehaničke energije u električnu (Direktni piezoelektrični efekt) Mehanizam direktnog piezoelektričnog efekta ukojem dolazi do promjene naboja djelovanjemnaprezanja uključuje blago stiskanje ilirazvlačenje električnog dipola (nastalogpolarizacijom).Pod djelovanjem tlačnog opterećenja smanjuje se debljina dielektričnogmaterijala što rezultira smanjenom polarizacijom i neravnotežom u količininaboja na površini dielektričnog materijala i vezanog naboja na rubu elektrode.Zbog toga se javlja napon s negativnim potencijalom na negativnoj elektrodi. Uslučaju vlačnog opterećenja povećava se debljina dielektričnog materijala štouzrokuje povećanu polarizaciju i pojavu napona s negativnim potencijalom napozitivnoj elektrodi.• Direktni piezoelektrični efekt → osjetnici (senzori) naprezanja/deformacije

PIEZOELEKTRIČNI I FEROELEKTRIČNI MATERIJALI

Pretvorba električne energije u mehaničku (Inverzni piezoelektrični efekt)Kod inverznog piezoelektričnog efekta,pretvorba električne energije u mehaničkutemelji se na djelovanju električnog polja naodvajanje centara pozitivnog i negativnognaboja, čime se mijenja debljina dielektričnogmaterijala, tj. on se deformira.U slučaju električnog polja takvog polariteta da je negativni kraj kod negativneelektrode, udaljenost između centara pozitivnog i negativnog naboja sepovećava, što rezultira povećanjem debljine dielektričnog materijala tj.pozitivnom deformacijom. Ako je negativni kraj električnog polja kod pozitivneelektrode udaljenost između centara pozitivnog i negativnog naboja se smanjuje,što rezultira smanjenjem debljine dielektričnog materijala tj. negativnomdeformacijom.

PIEZOELEKTRIČNI I FEROELEKTRIČNI MATERIJALI

Ovisnost između naprezanja i deformacije kod primjene električnog polja na dielektrični materijal

• Inverzni piezoelektrični efekt → pokretači (aktuatori)

PIEZOELEKTRIČNI I FEROELEKTRIČNI MATERIJALI

Perovskitne keramike

Perovskitna kristalna struktura

•Općenita formula perovskitne keramike: ABX3, gdje su A i B dva kationa različite veličine, a X anion

Primjer perovskitne keramike je barijev titanat (BaTiO3) koji posjedujenedeformiranu kubičnu strukturu perovskita iznad 120 °C i deformiranu, blagotetragonalnu, strukturu ispod 120 °C.

anioni

kationi

PIEZOELEKTRIČNI I FEROELEKTRIČNI MATERIJALI

• Deformiranje strukture je povezano je s polarizacijom zbog nesimetrije i posljedičnog odvajanja centara pozitivnog i negativnog naboja u jediničnoj ćeliji.

• Tetragonalni oblik BaTiO3 je feroelektričan (feroelektričnost - pojava uspostave spontane polarizacije s usmjerenim električnim dipolima u kristalu dielektriku)

• Samo-polarizacija rezultira formiranjem domena čiji su krajevi svih električnih dipola okrenuti u istom smjeru.

PIEZOELEKTRIČNI I FEROELEKTRIČNI MATERIJALI

• Samo-polarizirane domene feroelektričnog materijala

• Kvarc (najpoznatiji piezoelektrični materijal)

• Piezoelektrični i feroelektrični materijali: barijev titanat (BaTiO3), olovni titanat (PbTiO3) i čvrste otopine kao olovni cirkonat-titanat (PbZrO3-PbTiO3, skraćeno PZT) i (Pb,La)-(Ti,Zr)O3 (skraćeno PLZT)

PIEZOELEKTRIČNI I FEROELEKTRIČNI MATERIJALI

• Gibanje granica domena pod djelovanjemelektričnog polja: povoljno orijentirane domene rastu,dok se druge smanjuju

• Nakon što se sve domene poravnaju u smjeruelektričnog polja i polarizacija dosegne maksimum(polarizacijsko zasićenje) smanjivanjem električnogpolja ponovo se pojavljuju domene s dipolnimmomentima koji nisu u istom smjeru kao E i one rastu. Uisto vrijeme, skupljaju se domene s dipolnimmomentima u smjeru električnog polja.

Pojava zaostale polarizacije: E

PIEZOELEKTRIČNI I FEROELEKTRIČNI MATERIJALI

Krivulja polarizacije u ovisnosti o električnom polju i pripadajuća promjena dimenzija

PIEZOELEKTRIČNI I FEROELEKTRIČNI MATERIJALI

• Olovni cirkonat-titanat (čvrsta otopina PbZrO3-PbTiO3, skraćeno PZT) - najčešći komercijalni feroelektrični materijal

Dijagram stanja sustava PbZrO3-PbTiO3Tvrde i meke PZT keramike:

PIEZOELEKTRIČNI I FEROELEKTRIČNI MATERIJALI

Piezoelektrični kompoziti

• Keramičko-keramički kompoziti• Keramičko-polimerni kompoziti

• polimerna matrica: epoksidi, poli(tetrafluoretilen) (PTFE), polietilen, poli(propilen), poli(vinilklorid) + PZT (žice, vlakna, čestice)]

Bimorfna konfiguracija konzolnog aktuatora sa dvije piezoelektrične komponente

PIEZOELEKTRIČNI I FEROELEKTRIČNI MATERIJALI

Primjena

Shematski prikaz ubrizgavanja goriva u „common rail” dizel motoru

PIEZOELEKTRIČNI I FEROELEKTRIČNI MATERIJALI

Primjena

Injektor za ubrizgavanje goriva(Selk d.d., Kutina; Epcos-TDK, Japan)

Piezokeramičkiaktuator

Različiti tipovi piezo aktuatora

PIEZOELEKTRIČNI I FEROELEKTRIČNI MATERIJALI

Primjena

Kvarcni oscilator Zvučnik

PIEZOELEKTRIČNI I FEROELEKTRIČNI MATERIJALI

Primjena

Sonarni uređaj

PIEZOELEKTRIČNI I FEROELEKTRIČNI MATERIJALI

Primjena

Tintni pisač

Ultrazvučna kontrola

PIEZOELEKTRIČNI I FEROELEKTRIČNI MATERIJALI

Primjena

Plinski upaljač

Piezoelektrični upaljač za paljenje raketnog pogona

Hvala na pažnji …

PIEZOELEKTRIČNI I FEROELEKTRIČNI MATERIJALI