Τι είναι τα πιεζοηλεκτρικά υλικά;

Εάν έχετε χρησιμοποιήσει ποτέ αναπτήρα, είχατε ιατρικό υπερηχογράφημα στο ιατρείο ή ενεργοποιήσατε καυστήρα αερίου, έχετε χρησιμοποιήσει πιεζοηλεκτρική ενέργεια.

​Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά είναι υλικά που έχουν την ικανότητα να παράγουν εσωτερικό ηλεκτρικό φορτίο από εφαρμοζόμενη μηχανική καταπόνηση.Ο όροςπιεζοείναι Ελληνικά για το "push".

Αρκετές φυσικές ουσίες στη φύση καταδεικνύουν το πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα. Αυτά περιλαμβάνουν:

• Οστό
• Κρύσταλλα
• Ορισμένα κεραμικά
• DNA
• Σμάλτο
• Μετάξι
• Dentin και πολλά άλλα.

Τα υλικά που εμφανίζουν το πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα δείχνουν επίσης το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα (ονομάζεται επίσης αντίστροφο ή αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα). οαντίστροφη πιεζοηλεκτρική επίδρασηείναι η εσωτερική παραγωγή μηχανικής καταπόνησης σε απόκριση σε ένα εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο.

Οι κρύσταλλοι ήταν το πρώτο υλικό που χρησιμοποιήθηκε στον πρώιμο πειραματισμό με πιεζοηλεκτρική ενέργεια. Οι αδελφοί Curie, Pierre και Jacques, απέδειξαν για πρώτη φορά το άμεσο πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα το 1880. Τα αδέρφια επέκτειναν τις γνώσεις τους σχετικά με τις κρυσταλλικές δομές και τα πυροηλεκτρικά υλικά (υλικά που παράγουν ηλεκτρικό φορτίο ως απόκριση σε μια αλλαγή θερμοκρασίας).

Μετρήθηκαν τα επιφανειακά φορτία των παρακάτω ειδικών κρυστάλλων:

• Ζάχαρη από ζαχαροκάλαμο
  
• Είδος πολύτιμου λίθου
• Χαλαζίας
• Τοπάζι
• Rochelle salt (τετραένυδρο τρυγικό κάλιο νατρίου)

Το άλας χαλαζία και Rochelle παρουσίασε τα υψηλότερα πιεζοηλεκτρικά αποτελέσματα.

Ωστόσο, οι αδελφοί Curie δεν προέβλεψαν το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα. Το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα συνήχθη μαθηματικά από τον Gabriel Lippmann το 1881. Στη συνέχεια, οι Cury επιβεβαίωσαν την επίδραση και παρείχαν ποσοτικές αποδείξεις της αναστρεψιμότητας ηλεκτρικών, ελαστικών και μηχανικών παραμορφώσεων σε πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους.

Μέχρι το 1910, οι 20 κλάσεις φυσικών κρυστάλλων στις οποίες συμβαίνει η πιεζοηλεκτρική ενέργεια καθορίστηκαν πλήρως και δημοσιεύθηκαν στο Woldemar Voigt'sLehrbuch Der Kristallphysik. Όμως παρέμεινε ένας σκοτεινός και εξαιρετικά τεχνικός τομέας της φυσικής χωρίς ορατές τεχνολογικές ή εμπορικές εφαρμογές.

​Πρώτος Παγκόσμιος Πόλεμος:Η πρώτη τεχνολογική εφαρμογή ενός πιεζοηλεκτρικού υλικού ήταν ο υπερηχητικός υποβρύχιος ανιχνευτής που δημιουργήθηκε κατά τον πρώτο παγκόσμιο πόλεμο. Η πλάκα ανιχνευτή κατασκευάστηκε από έναν μορφοτροπέα (μια συσκευή που μεταμορφώνεται από έναν τύπο ενέργειας σε έναν άλλο) και έναν τύπο ανιχνευτή που ονομάζεται υδρόφωνο. Ο μορφοτροπέας κατασκευάστηκε από λεπτούς κρύσταλλους χαλαζία κολλημένους μεταξύ δύο χαλύβδινων πλακών.

Η ηχηρή επιτυχία του υπερηχητικού υποβρυχίου ανιχνευτή κατά τη διάρκεια του πολέμου προκάλεσε έντονη τεχνολογική ανάπτυξη πιεζοηλεκτρικών συσκευών. Μετά τον Α΄ Παγκόσμιο Πόλεμο, τα πιεζοηλεκτρικά κεραμικά χρησιμοποιήθηκαν στις κασέτες των φωνογραφιών.

​ΔΕΥΤΕΡΟΣ ΠΑΓΚΟΣΜΙΟΣ ΠΟΛΕΜΟΣ:Οι εφαρμογές πιεζοηλεκτρικών υλικών προχώρησαν σημαντικά κατά τη διάρκεια του Β 'Παγκοσμίου Πολέμου λόγω ανεξάρτητης έρευνας από την Ιαπωνία, την ΕΣΣΔ και τις Ηνωμένες Πολιτείες.

Συγκεκριμένα, οι εξελίξεις στην κατανόηση της σχέσης μεταξύ κρυσταλλικής δομής και Η ηλεκτρομηχανική δραστηριότητα μαζί με άλλες εξελίξεις στην έρευνα μετατόπισαν την προσέγγιση προς το πιεζοηλεκτρικό τεχνολογία εντελώς. Για πρώτη φορά, οι μηχανικοί μπόρεσαν να χειριστούν πιεζοηλεκτρικά υλικά για μια συγκεκριμένη εφαρμογή συσκευής, αντί να παρατηρήσουμε τις ιδιότητες των υλικών και στη συνέχεια να αναζητήσουμε κατάλληλες εφαρμογές του παρατηρούμενου ιδιότητες.

Αυτή η ανάπτυξη δημιούργησε πολλές σχετικές με τον πόλεμο εφαρμογές πιεζοηλεκτρικών υλικών, όπως εξαιρετικά ευαίσθητα μικρόφωνα, ισχυρές συσκευές σόναρ, σονόβουους (μικρά σημαντήρες με δυνατότητα ακρόασης υδροφώνου και ραδιοφωνικής μετάδοσης για παρακολούθηση της κίνησης των ωκεανών) και συστήματα ανάφλεξης πιεζο για μονοκύλινδρο ανάφλεξη.

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η πιεζοηλεκτρική ενέργεια είναι η ιδιότητα μιας ουσίας για την παραγωγή ηλεκτρισμού εάν εφαρμοστεί ένα άγχος όπως συμπίεση, κάμψη ή συστροφή.

Όταν τίθεται υπό πίεση, ο πιεζοηλεκτρικός κρύσταλλος παράγει πόλωση,Π, ανάλογο με το άγχος που το παρήγαγε.

οη κύρια εξίσωση της πιεζοηλεκτρικής ενέργειας είναι​

όπουρεείναι ο πιεζοηλεκτρικός συντελεστής, ένας παράγοντας μοναδικός για κάθε τύπο πιεζοηλεκτρικού υλικού. Ο πιεζοηλεκτρικός συντελεστής για χαλαζία είναι 3 × 10^-12. Ο πιεζοηλεκτρικός συντελεστής για το τιτανικό ζιρκονικό μόλυβδο (PZT) είναι 3 × 10^-10.

Μικρές μετατοπίσεις ιόντων στο κρυσταλλικό πλέγμα δημιουργούν την πόλωση που παρατηρείται στην πιεζοηλεκτρική ενέργεια. Αυτό συμβαίνει μόνο σε κρύσταλλους που δεν έχουν κέντρο συμμετρίας.

Το παρακάτω είναι μια μη ολοκληρωμένη λίστα πιεζοηλεκτρικών κρυστάλλων με μερικές σύντομες περιγραφές της χρήσης τους. Θα συζητήσουμε μερικές συγκεκριμένες εφαρμογές των πιεζοηλεκτρικών υλικών που χρησιμοποιούνται πιο συχνά αργότερα.

​Φυσικά απαντώμενοι κρύσταλλοι:​

• Χαλαζίας. Ένας σταθερός κρύσταλλος που χρησιμοποιείται σε κρυστάλλους ρολογιού και κρυστάλλους αναφοράς συχνότητας για ραδιοπομπούς.
• Σακχαρόζη (επιτραπέζια ζάχαρη)
• Rochelle αλάτι. Παράγει μεγάλη τάση με συμπίεση. χρησιμοποιείται στα μικρόφωνα πρώιμου κρυστάλλου.
• Τοπάζι
• Είδος πολύτιμου λίθου
• Βερολίνο (AlPO₄). Ένα σπάνιο φωσφορικό ορυκτό δομικά πανομοιότυπο με το χαλαζία.

​Τεχνητά κρύσταλλα:​

• Ορθοφωσφορικό γάλλιο (GaPO₄), ένα ανάλογο χαλαζία.
• Λαγκασίτης (Λα₃Γα₅ΣιΟ₁₄), ένα ανάλογο χαλαζία.

​Πιεζοηλεκτρικά κεραμικά:​

• Τιτανικό βάριο (BaTiO₃). Ανακαλύφθηκε το πρώτο πιεζοηλεκτρικό κεραμικό.
• Τιτανικό μόλυβδο (PbTiO₃)
• Τιτανικός ζιρκονικός μόλυβδος (PZT). Σήμερα το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο πιεζοηλεκτρικό κεραμικό.
• Νιοβικό κάλιο (KNbO₃)
• Νιοβικό λίθιο (LiNbO₃)
• Τανταλικό λίθιο (LiTaO₃)
• Βολφράμιο νατρίου (Na₂WO₄)

​Πιεζοκεραμική χωρίς μόλυβδο:​

Τα ακόλουθα υλικά αναπτύχθηκαν ως απάντηση στις ανησυχίες σχετικά με την επιβλαβή περιβαλλοντική έκθεση στον μόλυβδο.

• Νιοβικό κάλιο νατρίου (NaKNb). Αυτό το υλικό έχει ιδιότητες παρόμοιες με το PZT.
• Φερρίτης βισμούθιου (BiFeO₃)
• Νιοβικό νάτριο (NaNbO₃)

​Βιολογικά πιεζοηλεκτρικά υλικά:​

• Τένοντας
• Ξύλο
• Μετάξι
• Σμάλτο
• Ντεντίν
• Κολλαγόνο

​Πιεζοηλεκτρικά πολυμερή:Τα πιεζοπολυμερή είναι ελαφριά και μικρά σε μέγεθος, αυξάνοντας έτσι τη δημοτικότητά τους για τεχνολογική εφαρμογή.

Το φθοριούχο πολυβινυλιδένιο (PVDF) καταδεικνύει την πιεζοηλεκτρική ενέργεια που είναι αρκετές φορές μεγαλύτερη από τον χαλαζία. Χρησιμοποιείται συχνά στον ιατρικό τομέα, όπως στην ιατρική ραφή και στα ιατρικά υφάσματα.

Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά χρησιμοποιούνται σε πολλές βιομηχανίες, όπως:

• Βιομηχανοποίηση
• Ιατρικές συσκευές
• Τηλεπικοινωνίες
• Αυτοκίνητο
• Πληροφορική (IT)

​Πηγές ισχύος υψηλής τάσης:​

• Ηλεκτρικοί αναπτήρες. Όταν πιέζετε το κουμπί με έναν αναπτήρα, το κουμπί προκαλεί ένα μικρό σφυρί με ελατήριο να χτυπήσει ένα πιεζοηλεκτρικός κρύσταλλος, παράγοντας ένα ρεύμα υψηλής τάσης που ρέει πέρα ​​από ένα κενό για να θερμανθεί και να αναφλεγεί το αέριο.
• Γκριλ αερίου ή σόμπες και καυστήρες αερίου. Λειτουργούν παρόμοια με τον αναπτήρα, αλλά σε μεγαλύτερη κλίμακα.
• Πιεζοηλεκτρικός μετασχηματιστής. Αυτό χρησιμοποιείται ως πολλαπλασιαστής τάσης AC σε λαμπτήρες φθορισμού ψυχρής καθόδου.

Οι μορφοτροπείς υπερήχων χρησιμοποιούνται στην ιατρική απεικόνιση ρουτίνας. ΕΝΑμορφοτροπέαςείναι μια πιεζοηλεκτρική συσκευή που λειτουργεί τόσο ως αισθητήρας όσο και ως ενεργοποιητής.Μετατροπείς υπερήχωνπεριέχει ένα πιεζοηλεκτρικό στοιχείο που μετατρέπει ένα ηλεκτρικό σήμα σε μηχανική δόνηση (μετάδοση λειτουργία ή στοιχείο ενεργοποιητή) και μηχανική δόνηση σε ηλεκτρικό σήμα (λειτουργία λήψης ή αισθητήρας συστατικό).

Το πιεζοηλεκτρικό στοιχείο κόβεται συνήθως στο 1/2 του επιθυμητού μήκους κύματος του μορφοτροπέα υπερήχων.

Άλλοι τύποι πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων περιλαμβάνουν:

• Πιεζοηλεκτρικά μικρόφωνα.
• Πιεζοηλεκτρικές παραλαβές για ακουστικές-ηλεκτρικές κιθάρες.
• Κύματα σόναρ. Τα ηχητικά κύματα παράγονται και ανιχνεύονται από το πιεζοηλεκτρικό στοιχείο.
• Ηλεκτρονικά ταμπούρα. Τα στοιχεία ανιχνεύουν την επίδραση των μπαστούνι των ντράμερ στα μαξιλάρια.
• Ιατρική επιταχυνιογραφία. Αυτό χρησιμοποιείται όταν ένα άτομο βρίσκεται υπό αναισθησία και έχει λάβει μυοχαλαρωτικά. Το πιεζοηλεκτρικό στοιχείο στον επιταχυνσιογράφο ανιχνεύει δύναμη που παράγεται σε έναν μυ μετά από διέγερση των νεύρων.

Μία από τις μεγάλες δυνατότητες των πιεζοηλεκτρικών ενεργοποιητών είναι ότι οι υψηλές τάσεις ηλεκτρικού πεδίου αντιστοιχούν σε μικροσκοπικές, μικρομετρικές αλλαγές στο πλάτος του πιεζοηλεκτρικού κρυστάλλου. Αυτές οι μικρο-αποστάσεις καθιστούν τους πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους χρήσιμους ως ενεργοποιητές όταν απαιτείται μικροσκοπική, ακριβής τοποθέτηση αντικειμένων, όπως στις ακόλουθες συσκευές:

• Ηχεία
• Πιεζοηλεκτρικοί κινητήρες
• Ηλεκτρονικά λέιζερ
• Εκτυπωτές Inkjet (οι κρύσταλλοι οδηγούν την εξαγωγή μελανιού από την κεφαλή εκτύπωσης στο χαρτί)
• Κινητήρες ντίζελ
• Παραθυρόφυλλα ακτίνων Χ

Τα έξυπνα υλικά είναι μια ευρεία κατηγορία υλικών των οποίων οι ιδιότητες μπορούν να τροποποιηθούν με ελεγχόμενη μέθοδο ένα εξωτερικό ερέθισμα όπως το pH, η θερμοκρασία, τα χημικά, ένα εφαρμοζόμενο μαγνητικό ή ηλεκτρικό πεδίο, ή στρες.Τα έξυπνα υλικά καλούνται επίσης έξυπνα λειτουργικά υλικά.​

Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά ταιριάζουν σε αυτόν τον ορισμό, επειδή η εφαρμοζόμενη τάση παράγει τάση στο α πιεζοηλεκτρικό υλικό, και αντιστρόφως, η εφαρμογή εξωτερικής τάσης παράγει επίσης ηλεκτρικό ρεύμα το υλικό.

Πρόσθετα έξυπνα υλικά περιλαμβάνουν κράματα μνήμης σχήματος, αλοχρωματικά υλικά, μαγνητοκαλωρικά υλικά, πολυμερή που ανταποκρίνονται στη θερμοκρασία, φωτοβολταϊκά υλικά και πολλά, πολλά άλλα.