PIEZOKERAMIKE - fsb.unizg.hr · PDF fileShematski prikaz ubrizgavanja goriva u „common rail” dizel motoru. ... Injektor za ubrizgavanje goriva (Selk d.d., Kutina; Epcos-TDK, Japan)

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


• 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


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


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.


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

• Inverzni piezoelektrični efekt → pokretači (aktuatori)


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


• 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.


• 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)


• 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


Krivulja polarizacije u ovisnosti o električnom polju i pripadajuća promjena dimenzija


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

Dijagram stanja sustava PbZrO3-PbTiO3Tvrde i meke PZT keramike:


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


Primjena

Shematski prikaz ubrizgavanja goriva u „common rail” dizel motoru


Primjena

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

Piezokeramičkiaktuator

Različiti tipovi piezo aktuatora


Primjena

Kvarcni oscilator Zvučnik


Primjena

Sonarni uređaj


Primjena

Tintni pisač

Ultrazvučna kontrola


Primjena

Plinski upaljač

Piezoelektrični upaljač za paljenje raketnog pogona

Hvala na pažnji …


Documents

PIEZOKERAMIKE - fsb.unizg.hr · PDF fileShematski prikaz ubrizgavanja goriva u „common rail” dizel motoru. ... Injektor za ubrizgavanje goriva (Selk d.d., Kutina; Epcos-TDK, Japan)