Was sind piezoelektrische Materialien?

Wenn Sie jemals einen Zigarettenanzünder benutzt haben, einen medizinischen Ultraschall in einer Arztpraxis erlebt oder einen Gasbrenner eingeschaltet haben, haben Sie Piezoelektrizität verwendet.

​Piezoelektrische Materialien sind Materialien, die die Fähigkeit besitzen, durch aufgebrachte mechanische Belastung eine innere elektrische Ladung zu erzeugen.Der BegriffPiezoist griechisch für "drücken".

Mehrere natürlich vorkommende Substanzen in der Natur zeigen den piezoelektrischen Effekt. Diese schließen ein:

• Knochen
• Kristalle
• Bestimmte Keramiken
• DNA
• Emaille
• Die Seide
• Dentin und vieles mehr.

Materialien, die den piezoelektrischen Effekt aufweisen, zeigen auch den inversen piezoelektrischen Effekt (auch umgekehrter oder umgekehrter piezoelektrischer Effekt genannt). Dasinverser piezoelektrischer Effektist die interne Erzeugung von mechanischer Spannung als Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Feld.

Kristalle waren das erste Material, das bei frühen Experimenten mit Piezoelektrizität verwendet wurde. Die Curie-Brüder Pierre und Jacques bewiesen erstmals 1880 den direkten piezoelektrischen Effekt. Die Brüder erweiterten ihr Arbeitswissen über kristalline Strukturen und pyroelektrische Materialien (Materialien, die als Reaktion auf eine Temperaturänderung eine elektrische Ladung erzeugen).

Sie maßen die Oberflächenladungen der folgenden spezifischen Kristalle:

• Rohrzucker
  
• Turmalin
• Quarz
• Topas
• Rochellesalz (Natriumkaliumtartrat-Tetrahydrat)

Quarz und Rochelle-Salz zeigten die höchsten piezoelektrischen Effekte.

Die Curie-Brüder sagten jedoch den inversen piezoelektrischen Effekt nicht voraus. Der inverse piezoelektrische Effekt wurde 1881 von Gabriel Lippmann mathematisch abgeleitet. Die Curies bestätigten dann den Effekt und lieferten den quantitativen Nachweis der Reversibilität elektrischer, elastischer und mechanischer Verformungen in piezoelektrischen Kristallen.

Bis 1910 wurden die 20 natürlichen Kristallklassen, in denen Piezoelektrizität auftritt, vollständig definiert und in Woldemar Voigts. veröffentlichtLehrbuch Der Kristallphysik. Aber es blieb ein obskurer und hochtechnischer Nischenbereich der Physik ohne sichtbare technologische oder kommerzielle Anwendungen.

​Erster Weltkrieg:Die erste technologische Anwendung eines piezoelektrischen Materials war der Ultraschall-U-Boot-Detektor, der während des Ersten Weltkriegs entwickelt wurde. Die Detektorplatte bestand aus einem Wandler (einem Gerät, das von einer Energieart in eine andere umwandelt) und einem Detektortyp, der als Hydrophon bezeichnet wird. Der Wandler bestand aus dünnen Quarzkristallen, die zwischen zwei Stahlplatten geklebt waren.

Der durchschlagende Erfolg des Ultraschall-U-Boot-Detektors während des Krieges stimulierte eine intensive technologische Entwicklung piezoelektrischer Geräte. Nach dem Ersten Weltkrieg wurden piezoelektrische Keramiken in Tonabnehmern von Phonographen verwendet.

​Zweiter Weltkrieg:Die Anwendungen piezoelektrischer Materialien haben sich während des Zweiten Weltkriegs aufgrund unabhängiger Forschungen von Japan, der UdSSR und den Vereinigten Staaten erheblich weiterentwickelt.

Insbesondere Fortschritte im Verständnis der Beziehung zwischen Kristallstruktur und elektromechanische Aktivität zusammen mit anderen Entwicklungen in der Forschung verlagerte den Ansatz in Richtung piezoelektrischer Technologie ganz. Zum ersten Mal konnten Ingenieure piezoelektrische Materialien für eine bestimmte Geräteanwendung manipulieren, anstatt Eigenschaften der Materialien zu beobachten und dann nach geeigneten Anwendungen der beobachteten Eigenschaften.

Diese Entwicklung führte zu vielen kriegsbezogenen Anwendungen von piezoelektrischen Materialien wie hochempfindlichen Mikrofonen, leistungsstarken Sonargeräten, Sonobojen (kleine Bojen mit Hydrophon-Abhör- und Funkübertragungsfähigkeiten zur Überwachung der Bewegung von Seeschiffen) und Piezo-Zündsysteme für Einzelzylinder Zündungen.

Wie oben erwähnt, ist die Piezoelektrizität die Eigenschaft einer Substanz, Elektrizität zu erzeugen, wenn eine Belastung wie Quetschen, Biegen oder Verdrehen auf sie ausgeübt wird.

Bei Belastung erzeugt der piezoelektrische Kristall eine Polarisation,P, proportional zu der Spannung, die es erzeugt hat.

DasHauptgleichung der Piezoelektrizität ist​

wodist der piezoelektrische Koeffizient, ein Faktor, der für jede Art von piezoelektrischem Material einzigartig ist. Der piezoelektrische Koeffizient für Quarz beträgt 3 × 10^-12. Der piezoelektrische Koeffizient für Bleizirkonattitanat (PZT) beträgt 3 × 10^-10.

Kleine Verschiebungen von Ionen im Kristallgitter erzeugen die bei der Piezoelektrizität beobachtete Polarisation. Dies tritt nur in Kristallen auf, die kein Symmetriezentrum haben.

Das Folgende ist eine nicht erschöpfende Liste von piezoelektrischen Kristallen mit einigen kurzen Beschreibungen ihrer Verwendung. Wir werden später auf einige spezifische Anwendungen der am häufigsten verwendeten piezoelektrischen Materialien eingehen.

​Natürlich vorkommende Kristalle:​

• Quarz. Ein stabiler Quarz, der in Uhrenquarzen und Frequenzreferenzquarzen für Funksender verwendet wird.
• Saccharose (Haushaltszucker)
• Rochelle-Salz. Erzeugt bei Kompression eine große Spannung; in frühen Kristallmikrofonen verwendet.
• Topas
• Turmalin
• Berlinit (AlPO₄). Ein seltenes Phosphatmineral, das strukturell mit Quarz identisch ist.

​Künstliche Kristalle:​

• Galliumorthophosphat (GaPO₄), ein Quarzanalog.
• Langasit (La₃Ga₅SiO₁₄), ein Quarzanalog.

​Piezoelektrische Keramik:​

• Bariumtitanat (BaTiO₃). Die erste piezoelektrische Keramik entdeckt.
• Bleititanat (PbTiO₃)
• Bleizirkonattitanat (PZT). Derzeit die am häufigsten verwendete piezoelektrische Keramik.
• Kaliumniobat (KNbO₃)
• Lithiumniobat (LiNbO₃)
• Lithiumtantalat (LiTaO₃)
• Natriumwolframat (Na₂WO₄)

​Bleifreie Piezokeramik:​

Die folgenden Materialien wurden als Reaktion auf Bedenken hinsichtlich einer schädlichen Umweltbelastung durch Blei entwickelt.

• Natriumkaliumniobat (NaKNb). Dieses Material hat ähnliche Eigenschaften wie PZT.
• Wismutferrit (BiFeO₃)
• Natriumniobat (NaNbO₃)

​Biologische piezoelektrische Materialien:​

• Sehne
• Holz
• Die Seide
• Emaille
• Dentin
• Kollagen

​Piezoelektrische Polymere:Piezopolymere sind leicht und klein und werden daher für technologische Anwendungen immer beliebter.

Polyvinylidenfluorid (PVDF) weist eine Piezoelektrizität auf, die um ein Vielfaches größer ist als die von Quarz. Es wird häufig im medizinischen Bereich wie zum Beispiel bei medizinischen Nähten und medizinischen Textilien verwendet.

Piezoelektrische Materialien werden in mehreren Branchen verwendet, darunter:

• Herstellung
• Medizinische Geräte
• Telekommunikation
• Automobil
• Informationstechnologie (IT)

​Hochspannungsstromquellen:​

• Elektrische Zigarettenanzünder. Wenn Sie den Knopf eines Feuerzeugs drücken, lässt der Knopf einen kleinen federbelasteten Hammer schlagen piezoelektrischer Kristall, der einen Hochspannungsstrom erzeugt, der über einen Spalt fließt, um ihn zu erhitzen und zu entzünden Gas.
• Gasgrills oder Öfen und Gasbrenner. Diese funktionieren ähnlich wie die Feuerzeuge, jedoch in einem größeren Maßstab.
• Piezoelektrischer Transformator. Dies wird als Wechselspannungsvervielfacher in Kaltkathoden-Leuchtstofflampen verwendet.

Ultraschallwandler werden in der routinemäßigen medizinischen Bildgebung verwendet. EINWandlerist ein piezoelektrisches Gerät, das sowohl als Sensor als auch als Aktor fungiert.Ultraschallwandlerenthalten ein piezoelektrisches Element, das ein elektrisches Signal in mechanische Schwingung umwandelt (übertragen) Modus oder Aktorkomponente) und mechanische Schwingungen in ein elektrisches Signal (Empfangsmodus oder Sensor) Komponente).

Das piezoelektrische Element wird normalerweise auf 1/2 der gewünschten Wellenlänge des Ultraschallwandlers geschnitten.

Andere Arten von piezoelektrischen Sensoren sind:

• Piezoelektrische Mikrofone.
• Piezoelektrische Tonabnehmer für akustisch-elektrische Gitarren.
• Sonarwellen. Die Schallwellen werden von dem piezoelektrischen Element sowohl erzeugt als auch erfasst.
• Elektronische Drum-Pads. Die Elemente erkennen den Aufprall der Drummer-Sticks auf die Pads.
• Medizinische Akzeleromyographie. Dies wird verwendet, wenn eine Person unter Narkose ist und Muskelrelaxanzien verabreicht wurden. Das piezoelektrische Element im Akzeleromyographen erkennt die Kraft, die in einem Muskel nach einer Nervenstimulation erzeugt wird.

Einer der großen Nutzen von piezoelektrischen Aktoren besteht darin, dass hohe elektrische Feldspannungen winzigen Änderungen der Breite des piezoelektrischen Kristalls im Mikrometerbereich entsprechen. Diese Mikroabstände machen piezoelektrische Kristalle als Aktoren nützlich, wenn eine winzige, genaue Positionierung von Objekten erforderlich ist, z. B. in den folgenden Geräten:

• Lautsprecher
• Piezoelektrische Motoren
• Laserelektronik
• Tintenstrahldrucker (Kristalle treiben den Tintenausstoß vom Druckkopf auf das Papier an)
• Dieselmotoren
• Röntgenblenden

Smart Materials sind eine breite Klasse von Materialien, deren Eigenschaften kontrolliert verändert werden können durch ein externer Reiz wie pH, Temperatur, Chemikalien, ein angelegtes magnetisches oder elektrisches Feld oder Stress.Smart Materials werden auch intelligente Funktionsmaterialien genannt.​

Piezoelektrische Materialien entsprechen dieser Definition, da eine angelegte Spannung eine Spannung in a. erzeugt piezoelektrisches Material, und umgekehrt erzeugt auch das Anlegen einer externen Spannung Strom in das Material.

Weitere intelligente Materialien umfassen Formgedächtnislegierungen, halochrome Materialien, magnetokalorische Materialien, temperaturempfindliche Polymere, photovoltaische Materialien und vieles mehr.