Hvad er piezoelektriske materialer?

Hvis du nogensinde har brugt en cigarettænder, oplevet en medicinsk ultralyd på et lægekontor eller tændt for en gasbrænder, har du brugt piezoelektricitet.

​Piezoelektriske materialer er materialer, der har evnen til at generere intern elektrisk ladning fra anvendt mekanisk stress.Begrebetpiezoer græsk for "push".

Flere naturligt forekommende stoffer i naturen viser den piezoelektriske effekt. Disse inkluderer:

• Knogle
• Krystaller
• Visse keramikker
• DNA
• Emalje
• Silke
• Dentin og mange flere.

Materialer, der udviser den piezoelektriske effekt, demonstrerer også den inverse piezoelektriske effekt (også kaldet den omvendte eller omvendte piezoelektriske effekt). Detinvers piezoelektrisk effekter den interne generation af mekanisk belastning som reaktion på et anvendt elektrisk felt.

Krystaller var det første materiale, der blev brugt i tidlige eksperimenter med piezoelektricitet. Curie-brødrene, Pierre og Jacques, beviste først den direkte piezoelektriske effekt i 1880. Brødrene udvidede deres arbejdskendskab til krystallinske strukturer og pyroelektriske materialer (materialer, der genererer en elektrisk ladning som reaktion på en temperaturændring).

De målte overfladeladningerne for følgende specifikke krystaller:

• Rør sukker
  
• Tourmaline
• Kvarts
• Topaz
• Rochelle salt (natrium kalium tartrat tetrahydrat)

Kvarts- og Rochelle-salt udviste de højeste piezoelektriske effekter.

Curie-brødrene forudsagde imidlertid ikke den inverse piezoelektriske effekt. Den omvendte piezoelektriske effekt blev matematisk udledt af Gabriel Lippmann i 1881. Curies bekræftede derefter effekten og leverede kvantitativt bevis for reversibiliteten af ​​elektriske, elastiske og mekaniske deformationer i piezoelektriske krystaller.

I 1910 blev de 20 naturlige krystalklasser, hvor piezoelektricitet forekommer, defineret fuldstændigt og offentliggjort i Woldemar Voigt'sLehrbuch Der Kristallphysik. Men det forblev et uklart og meget teknisk nicheområde inden for fysik uden synlige teknologiske eller kommercielle anvendelser.

​Første Verdenskrig:Den første teknologiske anvendelse af et piezoelektrisk materiale var ultralyds ubåddetektor oprettet under første verdenskrig. Detektorpladen blev lavet af en transducer (en enhed, der omdannes fra en type energi til en anden) og en type detektor kaldet en hydrofon. Transduceren var lavet af tynde kvartskrystaller limet mellem to stålplader.

Ultralydsbådsdetektorens rungende succes under krigen stimulerede intens teknologisk udvikling af piezoelektriske enheder. Efter Første Verdenskrig blev piezoelektrisk keramik brugt i patroner til grammofoner.

​Anden Verdenskrig:Anvendelser af piezoelektriske materialer avancerede markant under Anden Verdenskrig på grund af uafhængig forskning fra Japan, Sovjetunionen og De Forenede Stater.

Især fremskridt i forståelsen af ​​forholdet mellem krystalstruktur og elektromekanisk aktivitet sammen med anden udvikling inden for forskning skiftede tilgangen til piezoelektrisk teknologi helt. For første gang var ingeniører i stand til at manipulere piezoelektriske materialer til en bestemt enhedsapplikation, snarere end at observere materialernes egenskaber og derefter søge efter passende anvendelser af det observerede ejendomme.

Denne udvikling skabte mange krigsrelaterede applikationer af piezoelektriske materialer såsom superfølsomme mikrofoner, kraftfulde ekkoloddeapparater, sonoboys (lille bøjer med hydrofonlytte- og radiosendingsfunktioner til overvågning af bevægelse af havfartøjer) og piezo-tændingssystemer til enkeltcylinder antændelser.

Som nævnt ovenfor er piezoelektricitet et stofs egenskab til at generere elektricitet, hvis der påføres stress som klemning, bøjning eller vridning.

Når den piezoelektriske krystal placeres under stress, producerer den en polarisering,P, proportional med stress, der producerede det.

DetHovedligningen af ​​piezoelektricitet er​

hvorder den piezoelektriske koefficient, en faktor unik for hver type piezoelektrisk materiale. Den piezoelektriske koefficient for kvarts er 3 × 10^-12. Den piezoelektriske koefficient for blyzirconat-titanat (PZT) er 3 × 10^-10.

Små forskydninger af ioner i krystalgitteret skaber polarisationen observeret i piezoelektricitet. Dette forekommer kun i krystaller, der ikke har et symmetricenter.

Følgende er en ikke-omfattende liste over piezoelektriske krystaller med nogle korte beskrivelser af deres anvendelse. Vi diskuterer nogle specifikke anvendelser af de mest anvendte piezoelektriske materialer senere.

​Naturligt forekommende krystaller:​

• Kvarts. En stabil krystal, der anvendes i urkrystaller og frekvensreferencekrystaller til radiosendere.
• Sukrose (bordsukker)
• Rochelle salt. Producerer en stor spænding med kompression; bruges i tidlige krystalmikrofoner.
• Topaz
• Tourmaline
• Berlinite (AlPO₄). Et sjældent fosfatmineral strukturelt identisk med kvarts.

​Menneskeskabte krystaller:​

• Galliumortofosfat (GaPO₄), en kvartsanalog.
• Langasite (La₃Ga₅SiO₁₄), en kvartsanalog.

​Piezoelektrisk keramik:​

• Bariumtitanat (BaTiO₃). Den første piezoelektriske keramik opdaget.
• Blytitanat (PbTiO₃)
• Bly zirconat titanat (PZT). I øjeblikket er det mest anvendte piezoelektriske keramik.
• Kaliumniobat (KNbO₃)
• Lithiumniobat (LiNbO₃)
• Lithiumtantalat (LiTaO₃)
• Natriumvolframat (Na₂WO₄)

​Blyfri piezoceramik:​

Følgende materialer blev udviklet som reaktion på bekymringer om skadelig miljøeksponering for bly.

• Natriumkaliumniobat (NaKNb). Dette materiale har egenskaber svarende til PZT.
• Bismuth ferrit (BiFeO₃)
• Natriumniobat (NaNbO₃)

​Biologiske piezoelektriske materialer:​

• Sene
• Træ
• Silke
• Emalje
• Dentin
• Kollagen

​Piezoelektriske polymerer:Piezopolymere er lette og små i størrelse og vokser således i popularitet til teknologisk anvendelse.

Polyvinylidenfluorid (PVDF) demonstrerer piezoelektricitet, der er flere gange større end kvarts. Det bruges ofte inden for det medicinske område, såsom i medicinsk suturering og medicinske tekstiler.

Piezoelektriske materialer anvendes i flere industrier, herunder:

• Fremstilling
• Hospitalsudstyr
• Telekommunikation
• Automotive
• Informationsteknologi (IT)

​Højspændingskilder:​

• Elektriske cigarettændere. Når du trykker på knappen på en lighter, får knappen en lille fjederbelastet hammer til at ramme en piezoelektrisk krystal, der producerer en højspændingsstrøm, der strømmer over et hul for at varme op og antænde gas.
• Gasgriller eller komfurer og gasbrændere. Disse fungerer på samme måde som lighterne, men i større skala.
• Piezoelektrisk transformer. Dette bruges som en AC-spændingsmultiplikator i fluorescerende lamper med kold katode.

Ultralydstransducere bruges i rutinemæssig medicinsk billeddannelse. ENtransducerer en piezoelektrisk enhed, der fungerer som både en sensor og en aktuator.Ultralyd transducereindeholder et piezoelektrisk element, der omdanner et elektrisk signal til mekanisk vibration (transmitter tilstand eller aktuatorkomponent) og mekanisk vibration til elektrisk signal (modtagefunktion eller sensor komponent).

Det piezoelektriske element skæres normalt til 1/2 af ultralydstransducerens ønskede bølgelængde.

Andre typer piezoelektriske sensorer inkluderer:

• Piezoelektriske mikrofoner.
• Piezoelektriske pickupper til akustisk-elektriske guitarer.
• Ekkolod bølger. Lydbølgerne genereres og registreres af det piezoelektriske element.
• Elektroniske tromlepuder. Elementerne registrerer trommeslagernes stød på puderne.
• Medicinsk acceleromyografi. Dette bruges, når en person er under anæstesi og har fået indgivet muskelafslappende midler. Det piezoelektriske element i acceleromyografen registrerer kraft produceret i en muskel efter nervestimulering.

En af de store hjælpeprogrammer ved piezoelektriske aktuatorer er, at høje elektriske feltspændinger svarer til små, mikrometer ændringer i bredden af ​​den piezoelektriske krystal. Disse mikroafstande gør piezoelektriske krystaller nyttige som aktuatorer, når der er behov for en lille, nøjagtig placering af genstande, såsom i følgende enheder:

• Højttalere
• Piezoelektriske motorer
• Laserelektronik
• Inkjet-printere (krystaller driver udskubning af blæk fra skrivehovedet til papiret)
• Dieselmotorer
• Røntgen skodder

Smarte materialer er en bred klasse af materialer, hvis egenskaber kan ændres ved hjælp af en kontrolleret metode en ekstern stimulus såsom pH, temperatur, kemikalier, et påført magnetisk eller elektrisk felt eller stress.Smarte materialer kaldes også intelligente funktionelle materialer.​

Piezoelektriske materialer passer til denne definition, fordi en anvendt spænding frembringer en spænding i en piezoelektrisk materiale, og omvendt, anvendelsen af ​​en ekstern belastning producerer også elektricitet i materialet.

Yderligere smarte materialer inkluderer formhukommelseslegeringer, halokromiske materialer, magnetokaloriske materialer, temperaturresponsive polymerer, solcellematerialer og mange, mange flere.