Piezoelektrik Seramik Nedir? Temel Özellikleri
Piezoelektrik Seramik Nedir? Temel Özellikleri. Piezoelektrik seramikler, mekanik stresi elektrik yüküne (ve bunun tersini) dönüştüren gelişmiş malzemelerdir; bu olay piezoelektriklik olarak bilinir.
Piezoelektrik Seramik Nedir?
Bu seramiklerin üretilme süreci, seramik tozlarının hazırlanmasını ve bunların şekillendirilmiş yapılar halinde sinterlenmesini içerir. Uygulanan mekanik stresle orantılı bir elektrik yükü üretme ve bir elektrik alanı uygulandığında mekanik deformasyona neden olma yeteneği gibi dikkate değer özellikler sergilerler.
Kurşun zirkonat titanat (PZT) ve baryum titanat gibi çok kristalli ferroelektrik seramikler, piezoelektrik seramiklerde kullanılan yaygın malzemelerdir. Bu malzemeler, hassas aktüatörler ve tıbbi cihazlar da dahil olmak üzere birçok alanı dönüştürerek bunların diğer akıllı teknolojilere entegre edilmesi olasılığının kapısını açtı.
Bu makale Piezoelektrik Seramikleri, tanımlarını, süreçlerini, özelliklerini ve malzemelerini tartışacaktır.
Piezoelektrik Seramik Temel Özellikleri
Piezoelektrik seramikler, uygulanan mekanik strese yanıt olarak bir elektrik yükü üretme yetenekleriyle veya bunun tersiyle karakterize edilen bir malzeme türüdür. Bu özel karakteristik, bu seramiklerin kristal kafes yapısındaki pozitif ve negatif iyonların eşit olmayan dağılımından kaynaklanmaktadır.
Kristal kafes mekanik zorlanma veya titreşim nedeniyle deforme olduğunda malzeme boyunca bir elektrik potansiyeli yaratılır. Tersine, bir elektrik alanı uygulandığında malzeme mekanik deformasyona uğrar. Bu özellik, piezoelektrik seramikleri aktüatörler, enerji toplama cihazları, sensörler ve dönüştürücüler gibi çeşitli uygulamalarda kritik hale getirir.
Piezoelektrik seramiklerin temel özellikleri aşağıda listelenmiş:
1. Polarite
Asimetrik kristal yapılarından dolayı polarite sergilerler. Mekanik strese maruz kaldıklarında bu malzemeler bir elektrik yükü geliştirirler ve yükün polaritesi uygulanan kuvvetin yönüne bağlıdır. Bu, malzeme içindeki mikroskobik dipollerin hizalanmasının bir sonucudur ve simetri merkezinin olmaması nedeniyle birbirini iptal etmez.
2. Histerezis
Piezoelektrik seramiklerdeki “histerezis” terimi, uygulanan elektrik alanının neden olduğu polarizasyon veya gerinim arasında meydana gelen gecikmeyi tanımlar. Ferroelektrik malzemeler, bu özel fenomeni sergileyen bir piezoelektrik malzeme sınıfıdır. Üzerinde elektrik alanının olduğu bir grafikte Polarizasyona karşı çizilen histerezis bir döngü olarak görülüyor ve elektromekanik dönüşüm süreci sırasında enerji kaybını gösteriyor.
3. Frekans Yanıtı
Piezoelektrik seramiklerin frekans tepkisi, sensörler ve aktüatörler gibi cihazlardaki uygulamaları için çok önemlidir. Bu malzemeler elektrik sinyallerini mekanik titreşimlere dönüştürebilir veya bunun tersi de geçerlidir. Rezonans frekansı özellikle önemlidir. Çünkü malzemenin en verimli şekilde titreştiği, maksimum miktarda elektrik enerjisini mekanik enerjiye veya tam tersini dönüştürdüğü frekanstır.
4. Piezoelektrik Etkisi
Seramiklerdeki piezoelektrik etki, mekanik strese tepki olarak elektrik yükü üretme yeteneklerinden kaynaklanmaktadır. Piezoelektrik malzemeler bir elektrik alanına maruz kaldığında ve şekil değiştirdiğinde (veya mekanik bir gerilime maruz kaldığında) ortaya çıkan bu fenomen tersine çevrilebilir (ters piezoelektrik etki). Piezoelektrik seramikler, ikili yetenekleri nedeniyle sensörler ve aktüatörler dahil olmak üzere çeşitli uygulamalar için avantajlıdır.
5. Kristal Yapısı
Kristal yapısı, piezoelektrik etkinin oluşması için gerekli olan sentrosimetrik değildir. Yapı, mekanik stres uygulandığında elektrik yükünün oluşmasına izin verir. PZT (kurşun zirkonat titanat) gibi en yaygın kullanılan piezoelektrik seramikler, yüksek piezoelektrik katsayılarına katkıda bulunan bir perovskit yapıya sahiptir.
6. Curie Sıcaklığı
Piezoelektrik seramiklerin, piezoelektrik olmayı bıraktığı sıcaklık Curie sıcaklığı olarak bilinir. Bunun nedeni, ısı enerjisi malzemenin doğal polarizasyonunu aştığında simetrik, piezoelektrik olmayan bir yapıya doğru faz kaymasının meydana gelmesidir. Çeşitli piezoelektrik malzemeler, çeşitli Curie sıcaklıklarına sahiptir; bu, onların çalışma sınırlarının belirlenmesinde çok önemli bir husustur.
7. Anizotropi
Piezoelektrik seramiklerdeki anizotropi, fiziksel özelliklerinin yönsel bağımlılığını ifade eder. Bunun nedeni malzeme içindeki tanelerin ve alanların oryantasyonudur. İşleme sırasında taneleri veya alanları tercih edilen bir yönde hizalayarak malzemenin piezoelektrik tepkisini arttırmak için kullanılabildiğinden anizotropik özellikler faydalı olabilir.
8. Dielektrik Özellikler
Dielektrik geçirgenlik gibi dielektrik özellikleri önemlidir çünkü bunlar malzemenin elektrik enerjisini depolama ve salma yeteneğini etkiler. Yüksek dielektrik geçirgenlik genellikle güçlü bir piezoelektrik etkiyle ilişkilendirilir ve bu malzemeleri enerji dönüşümü uygulamaları için verimli kılar.
9. Ters Piezoelektrik Etkisi
Piezoelektrik seramiğe bir elektrik alanı uygulamak, ters piezoelektrik etki olarak bilinen deformasyona neden olur. Bu olay doğrudan piezoelektrik etkinin tam tersidir ve elektrik enerjisinin mekanik enerjiye dönüştürülmesini gerektiren ultrasonik dalgaların üretilmesi gibi işlemlerde uygulama alanı bulur.
10. Elektromekanik Kaplin
Elektromekanik bağlantı, bu malzemelerin mekanik enerjiyi elektrik enerjisine (ve bunun tersini) dönüştürme verimliliğini tanımlar. (k) olarak gösterilen elektromekanik bağlantı faktörü, bu dönüşüm verimliliğini ölçen boyutsuz bir parametredir. Yüksek (k) faktörü, birçok piezoelektrik uygulama için arzu edilen etkili enerji dönüşümünü gösterir.
Seramiklerin Piezoelektrik Özelliklerinin Belirlenmesinde Kristal Yapı Önemli mi?
Evet, seramiklerin piezoelektrik özelliklerinin belirlenmesinde kristal yapı çok önemlidir. Piezoelektrik etki öncelikle kristal yapısında simetri merkezi bulunmayan malzemelerde gözlenir. Bu, uygulanan mekanik strese yanıt olarak bir elektrik yükünün üretilmesine olanak tanır.
