P IEZOKERAMIKE

1. Sveučilište u Zagrebu Fakultet strojarstva i brodogradnje PIEZOKERAMIKE Prof.dr.sc Danko Ćorić

2. 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

3. 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

4. PIEZOELEKTRIČNI I FEROELEKTRIČNI MATERIJALI Pretvorba mehaničke energije u električnu (Direktni piezoelektrični efekt) Mehanizam direktnog piezoelektričnog efekta u kojem dolazi do promjene naboja djelovanjem naprezanja uključuje blago stiskanje ili razvlačenje električnog dipola (nastalog polarizacijom). Pod djelovanjem tlačnog opterećenja smanjuje se debljina dielektričnog materijala što rezultira smanjenom polarizacijom i neravnotežom u količini naboja na površini dielektričnog materijala i vezanog naboja na rubu elektrode. Zbog toga se javlja napon s negativnim potencijalom na negativnoj elektrodi. U slučaju vlačnog opterećenja povećava se debljina dielektričnog materijala što uzrokuje povećanu polarizaciju i pojavu napona s negativnim potencijalom na pozitivnoj elektrodi. • Direktni piezoelektrični efekt → osjetnici (senzori) naprezanja/deformacije

5. PIEZOELEKTRIČNI I FEROELEKTRIČNI MATERIJALI Pretvorba električne energije u mehaničku (Inverznipiezoelektrični efekt) Kod inverznog piezoelektričnog efekta, pretvorba električne energije u mehaničku temelji se na djelovanju električnog polja na odvajanje centara pozitivnog i negativnog naboja, čime se mijenja debljina dielektričnog materijala, tj. on se deformira. U slučaju električnog polja takvog polariteta da je negativni kraj kod negativne elektrode, udaljenost između centara pozitivnog i negativnog naboja se povećava, što rezultira povećanjem debljine dielektričnog materijala tj. pozitivnom deformacijom. Ako je negativni kraj električnog polja kod pozitivne elektrode udaljenost između centara pozitivnog i negativnog naboja se smanjuje, što rezultira smanjenjem debljine dielektričnog materijala tj. negativnom deformacijom.

6. PIEZOELEKTRIČNI I FEROELEKTRIČNI MATERIJALI Ovisnost između naprezanja i deformacije kod primjene električnog polja na dielektrični materijal • Inverzni piezoelektrični efekt → pokretači (aktuatori)

7. PIEZOELEKTRIČNI I FEROELEKTRIČNI MATERIJALI Perovskitne keramike • Općenita formula perovskitne keramike: ABX3, gdje su A i B dva kationa različite veličine, a X anion Perovskitna kristalna struktura Primjer perovskitne keramike je barijev titanat (BaTiO3) koji posjeduje nedeformiranu kubičnu strukturu perovskita iznad 120 °C i deformiranu, blago tetragonalnu, strukturu ispod 120 °C.

8. 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.

9. 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)

10. PIEZOELEKTRIČNI I FEROELEKTRIČNI MATERIJALI • Gibanje granica domena pod djelovanjem električnog polja: povoljno orijentirane domene rastu, dok se druge smanjuju • Nakon što se sve domene poravnaju u smjeru električnog polja i polarizacija dosegne maksimum (polarizacijsko zasićenje) smanjivanjem električnog polja ponovo se pojavljuju domene s dipolnim momentima koji nisu u istom smjeru kao E i one rastu. U isto vrijeme, skupljaju se domene s dipolnim momentima u smjeru električnog polja. Pojava zaostale polarizacije: E

11. PIEZOELEKTRIČNI I FEROELEKTRIČNI MATERIJALI Krivulja polarizacije u ovisnosti o električnom polju i pripadajuća promjena dimenzija

12. PIEZOELEKTRIČNI I FEROELEKTRIČNI MATERIJALI • Olovni cirkonat-titanat (čvrsta otopina PbZrO3-PbTiO3, skraćeno PZT) - najčešći komercijalni feroelektrični materijal Dijagram stanja sustava PbZrO3-PbTiO3 Tvrde i meke PZT keramike:

13. 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

14. PIEZOELEKTRIČNI I FEROELEKTRIČNI MATERIJALI Hvala na pažnji …