CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU ÁP ĐIỆN
1.2. TÍNH CHẤT CỦA CÁC VẬT LIỆU ÁP ĐIỆN 1 Các thông số áp điện quan trọng
1.2.1. Các thông số áp điện quan trọng
Vật liệu áp điện thường cũng là các sắt điện. Do đó trước tiên ta quan tâm đến các tính chất sắt điện của vật liệu như hằng số điện môi ε (F/m) và hệ số tổn hao hay tangent của góc tổn hao tg δ. Đáp ứng điện môi theo nhiệt độ và tần số cho phép ta xác định nhiệt độ Curie và các tính chất sắt điện khác của vật liệụ
Để mơ tả tính chất vật liệu có cấu trúc bất đối xứng, ta sử dụng dạng ký hiệu ten-sơ với các trục được quy ước trên hình 1.9. Chỉ số dưới thứ nhất chỉ phương của
biến ngoài, chỉ số dưới thứ hai để chỉ phương của biến trong. Chỉ số trên là thông số không đổi trong khi đọ Chọn hướng phân cực là trục 3, các mặt được chỉ thị bởi các chỉ số dưới (4, 5 và 6) vng góc tương ứng với các trục 1, 2 và 3. Khi đó, ký hiệu ten-sơ 3 chỉ số dưới (i, j, k =1, 2, 3) được thay thế bởi ký hiệu ma trận 2 chỉ số dưới (i = 1, 2, 3 và j = 1, 2, 3, 4, 5, 6), còn ten-sơ 2 chỉ số dưới (i, j =1, 2, 3) thì được thay bằng ký hiệu ma trận 1 chỉ số dưới (i = 1, 2, 3, 4, 5, 6). Tính đẳng hướng bề mặt của gốm đã phân cực được thể hiện trong các hằng số áp điện của chúng qua hệ thức d32 = d31 (điện trường song song với trục 3 sinh ra các biến dạng như nhau
theo trục 2 hoặc trục 1) và hệ thức d24 = d15 (điện trường song song với trục 2 tác động qua lực xoắn trong mặt phẳng 2-3 giống như tác động của một trường theo trục 1 với lực xoắn trong mặt phẳng 1-3). Các hệ thức tương tự cũng áp dụng cho các hằng số đàn hồi [55].
Hình 1.9. Các trục tham chiếụ
Khi khảo sát hiệu ứng điện cơ của vật liệu áp điện, các thông số được chú ý nhất là hằng số dẫn nạp áp điện (hoặc biến dạng áp điện) (d31 và d33), hệ số điện áp áp điện (g31 và g33) và hệ số liên kết điện cơ áp điện (k31, k33, kp và kt). Hệ số d là tỷ lệ giữa độ cảm điện và ứng suất, hoặc giữa biến dạng và điện trường.
Để làm các bộ phát động (actuator) như trong các ứng dụng chuyển động và dao động, vật liệu cần có độ biến dạng lớn nên cần có hệ số d caọ
Liên hệ giữa hệ số điện áp áp điện g và hệ số dẫn nạp áp điện d như sau:
dmi = εTmngni (1.13)
Trong các ứng dụng tạo ra điện áp đáp ứng theo ứng suất cơ học, người ta lại mong muốn vật liệu có hệ số g lớn.
Hệ số liên kết điện cơ k là để đo độ lớn tổng thể của hiệu ứng điện - cơ. Nó được định nghĩa là căn bậc hai của tỷ số giữa năng lượng điện ở lối ra và năng lượng cơ học ở lối vào (trong trường hợp hiệu ứng thuận) hoặc của năng lượng cơ học nhận được ở lối ra và năng lượng điện tổng cộng (trong trường hợp hiệu ứng nghịch). Hệ số liên kết điện cơ hiệu dụng được tính bởi:
(keff)2 = năng lượng lối ra / năng lượng lối vào Hiển nhiên giá trị của k là luôn luôn nhỏ hơn 1.
Các hệ số áp điện có liên quan với nhaụ Đối với PZT, giá trị của các hệ số này còn phụ thuộc vào thành phần vật liệụ Ta có thể điều chỉnh thành phần của gốm để có được giá trị của các hệ số này như yêu cầụ Ở gần biên pha, d, g và ε của các
thành phần vật liệu phía tứ giác thường lớn hơn so với d, g và ε của các thành phần phía mặt thoị