Какво представляват пиезоелектричните материали?

Ако някога сте използвали запалка, сте изпитали медицински ултразвук в лекарски кабинет или сте включили газова горелка, сте използвали пиезоелектричество.

​Пиезоелектричните материали са материали, които имат способността да генерират вътрешен електрически заряд от приложено механично напрежение.Срокътпиезое гръцки за „тласък“.

Няколко естествено срещащи се в природата вещества показват пиезоелектричния ефект. Те включват:

• Костен
• Кристали
• Определена керамика
• ДНК
• Емайл
• Коприна
• Дентин и много други.

Материалите, които показват пиезоелектричен ефект, също демонстрират обратния пиезоелектричен ефект (наричан още обратен или обратен пиезоелектричен ефект). Theобратен пиезоелектричен ефекте вътрешното генериране на механично напрежение в отговор на приложено електрическо поле.

Кристалите са първият материал, използван в ранните експерименти с пиезоелектричеството. Братята Кюри, Пиер и Жак, за първи път доказаха директния пиезоелектричен ефект през 1880 година. Братята разшириха своите работни познания за кристалните структури и пироелектрическите материали (материали, които генерират електрически заряд в отговор на температурни промени).

Те измериха повърхностните заряди на следните специфични кристали:

• Тръстикова захар
  
• Турмалин
• Кварц
• Топаз
• Сол на Rochelle (натриев калиев тартарат тетрахидрат)

Кварцовата и солта на Rochelle показаха най-високите пиезоелектрични ефекти.

Братята Кюри обаче не прогнозираха обратния пиезоелектричен ефект. Обратният пиезоелектричен ефект е изведен математически от Габриел Липман през 1881г. След това Кюри потвърди ефекта и предостави количествено доказателство за обратимостта на електрически, еластични и механични деформации в пиезоелектрични кристали.

До 1910 г. 20-те класа на естествените кристали, в които се среща пиезоелектричеството, са напълно дефинирани и публикувани в Woldemar Voigt’sLehrbuch Der Kristallphysik. Но тя остана неясна и изключително техническа ниша на физиката без видими технологични или търговски приложения.

​Първа световна война:Първото технологично приложение на пиезоелектричен материал е ултразвуковият подводен детектор, създаден по време на Първата световна война. Детекторната плоча е направена от преобразувател (устройство, което трансформира от един вид енергия в друг) и тип детектор, наречен хидрофон. Преобразувателят е направен от тънки кварцови кристали, залепени между две стоманени плочи.

Огромният успех на ултразвуковия подводен детектор по време на войната стимулира интензивното технологично развитие на пиезоелектрическите устройства. След Първата световна война в касетите на фонографите се използва пиезоелектрическа керамика.

​Втората световна война:Приложенията на пиезоелектрическите материали са значително напреднали по време на Втората световна война поради независими изследвания на Япония, СССР и САЩ.

По-специално, напредък в разбирането на връзката между кристалната структура и електромеханичната дейност, заедно с други разработки в научните изследвания, изместиха подхода към пиезоелектрика технология изцяло. За първи път инженерите успяха да манипулират пиезоелектрични материали за конкретно приложение на устройството, вместо да наблюдава свойствата на материалите и след това да търси подходящи приложения на наблюдаваното Имоти.

Това развитие създаде много свързани с войната приложения на пиезоелектрични материали като свръхчувствителни микрофони, мощни сонарни устройства, сонобуи (малки буйове с възможности за слушане и радиопредаване на хидрофон за наблюдение на движението на океански кораби) и системи за пиезо запалване за едноцилиндров запалвания.

Както бе споменато по-горе, пиезоелектричеството е свойството на веществото да генерира електричество, ако върху него се приложи стрес като изстискване, огъване или усукване.

Когато е поставен под напрежение, пиезоелектричният кристал произвежда поляризация,P, пропорционално на стреса, който го е предизвикал.

Theосновното уравнение на пиезоелектричеството е​

къдетоде пиезоелектричният коефициент, коефициент, уникален за всеки вид пиезоелектричен материал. Пиезоелектричният коефициент за кварца е 3 × 10^-12. Пиезоелектричният коефициент за оловен цирконат титанат (PZT) е 3 × 10^-10.

Малки измествания на йони в кристалната решетка създават поляризацията, наблюдавана в пиезоелектричеството. Това се случва само при кристали, които нямат център на симетрия.

По-долу е изчерпателен списък на пиезоелектричните кристали с някои кратки описания за тяхното използване. По-късно ще обсъдим някои специфични приложения на най-често използваните пиезоелектрически материали.

​Естествени кристали:​

• Кварц. Стабилен кристал, използван в часовници и референтни честотни кристали за радиопредаватели.
• Захароза (трапезна захар)
• Сол от рошел. Произвежда голямо напрежение с компресия; използвани в микрофони от ранни кристали.
• Топаз
• Турмалин
• Берлините (AlPO₄). Рядък фосфатен минерал, структурно идентичен с кварца.

​Изкуствени кристали:​

• Галиев ортофосфат (GaPO₄), кварцов аналог.
• Лангазит (La₃Ga₅SiO₁₄), кварцов аналог.

​Пиезоелектрична керамика:​

• Бариев титанат (BaTiO₃). Първата открита пиезоелектрическа керамика.
• Оловен титанат (PbTiO₃)
• Оловен цирконат титанат (PZT). В момента най-често използваната пиезоелектрическа керамика.
• Калиев ниобат (KNbO₃)
• Литиев ниобат (LiNbO₃)
• Литиев танталат (LiTaO₃)
• Натриев волфрамат (Na₂WO₄)

​Безоловна пиезокерамика:​

Следните материали са разработени в отговор на опасенията относно вредното излагане на околната среда на олово.

• Натриев калиев ниобат (NaKNb). Този материал има свойства, подобни на PZT.
• Бисмутов ферит (BiFeO₃)
• Натриев ниобат (NaNbO₃)

​Биологични пиезоелектрични материали:​

• Сухожилие
• дърво
• Коприна
• Емайл
• Дентин
• Колаген

​Пиезоелектрични полимери:Пиезополимерите са леки и малки по размер, като по този начин нарастват популярността си за технологично приложение.

Поливинилиден флуоридът (PVDF) демонстрира пиезоелектричност, която е няколко пъти по-голяма от кварца. Често се използва в медицинската област, като например в медицинския шев и медицински текстил.

Пиезоелектричните материали се използват в множество индустрии, включително:

• производство
• Медицински устройства
• Телекомуникации
• Автомобилна
• Информационни технологии (ИТ)

​Източници на високо напрежение:​

• Електрически запалки. Когато натиснете бутона на запалка, бутонът причинява удара на малък пружинен чук пиезоелектричен кристал, произвеждащ ток под високо напрежение, който протича през процепа, за да нагрее и запали газ.
• Газови скари или печки и газови горелки. Те работят подобно на запалката, но в по-голям мащаб.
• Пиезоелектричен трансформатор. Това се използва като множител на променливотоково напрежение в флуоресцентни лампи със студен катод.

Ултразвуковите преобразуватели се използват при рутинни медицински образи. Aпреобразувателе пиезоелектрично устройство, което действа едновременно като сензор и като задвижващ механизъм.Ултразвукови преобразувателисъдържат пиезоелектричен елемент, който преобразува електрически сигнал в механична вибрация (предаване режим или задвижващ компонент) и механични вибрации в електрически сигнал (режим на приемане или сензор съставна част).

Пиезоелектричният елемент обикновено се нарязва на 1/2 от желаната дължина на вълната на ултразвуковия преобразувател.

Други видове пиезоелектрични сензори включват:

• Пиезоелектрични микрофони.
• Пиезоелектрични пикапи за акустично-електрически китари.
• Сонарни вълни. Звуковите вълни се генерират и усещат от пиезоелектрическия елемент.
• Електронни барабанни накладки. Елементите откриват въздействието на пръчките на барабанистите върху подложките.
• Медицинска акселеромиография. Това се използва, когато човек е под анестезия и са му прилагани мускулни релаксанти. Пиезоелектричният елемент в акселеромиографа открива сила, произведена в мускула след нервна стимулация.

Една от най-големите полезности на пиезоелектричните задвижващи механизми е, че високите напрежения на електрическото поле съответстват на малки микрометрични промени в ширината на пиезоелектричния кристал. Тези микроразстояния правят пиезоелектричните кристали полезни като задвижващи механизми, когато е необходимо миниатюрно и точно позициониране на обекти, като например в следните устройства:

• Високоговорители
• Пиезоелектрически двигатели
• Лазерна електроника
• Мастиленоструйни принтери (кристалите задвижват изхвърлянето на мастило от печатащата глава към хартията)
• Дизелови двигатели
• Рентгенови капаци

Умните материали са широк клас материали, чиито свойства могат да се променят по контролиран метод от външен стимул като рН, температура, химикали, приложено магнитно или електрическо поле, или стрес.Умните материали се наричат ​​още интелигентни функционални материали.​

Пиезоелектричните материали отговарят на това определение, тъй като приложеното напрежение създава напрежение в a пиезоелектричен материал, и обратно, прилагането на външно напрежение също произвежда електричество в Материалът.

Допълнителните интелигентни материали включват сплави с памет за форма, халохромни материали, магнитокалорични материали, чувствителни на температурата полимери, фотоволтаични материали и много, много други.