Mis on piesoelektrilised materjalid?

Kui olete kunagi kasutanud sigaretisüütajat, kogenud arsti kabinetis meditsiinilist ultraheli või sisse lülitanud gaasipõleti, olete kasutanud piesoelektrit.

​Piesoelektrilised materjalid on materjalid, millel on võime tekitada rakendatud mehaanilisest pingest sisemine elektrilaeng.Terminpiesoon kreeka keeles "push".

Piesoelektrilist efekti näitavad mitmed looduses looduslikult esinevad ained. Need sisaldavad:

• Luu
• Kristallid
• Kindel keraamika
• DNA
• Emailiga
• Siid
• Dentin ja palju muud.

Materjalid, millel on piesoelektriline efekt, demonstreerivad ka pöördvõrdset piesoelektrilist efekti (nimetatakse ka vastupidiseks või vastupidiseks piesoelektriliseks efektiks). Thepöörd-piesoelektriline efekton mehaanilise pinge sisemine teke vastusena rakendatud elektriväljale.

Kristallid olid esimesed materjalid, mida varajases piesoelektri katsetamisel kasutati. Vennad Curie, Pierre ja Jacques, tõestasid otsest piesoelektrilist efekti esimest korda 1880. aastal. Vennad täiendasid oma teadmisi kristallstruktuuride ja püroelektriliste materjalide kohta (materjalid, mis tekitavad temperatuuri muutusele elektrilaengu).

Nad mõõtsid järgmiste spetsiifiliste kristallide pinnalaenguid:

• Roosuhkur
  
• Turmaliin
• Kvarts
• Topaas
• Rochelle sool (naatriumkaaliumtartraadi tetrahüdraat)

Kvarts- ja Rochelle-sool näitasid suurimat piesoelektrilist mõju.

Vennad Curie aga ei ennustanud pöördvõrdset piesoelektrilist efekti. Pöörd piezoelektrilise efekti järeldas matemaatiliselt Gabriel Lippmann 1881. aastal. Seejärel kinnitas Curies efekti ja esitas kvantitatiivse tõendi piesoelektriliste kristallide elektriliste, elastsete ja mehaaniliste deformatsioonide pöörduvuse kohta.

Aastaks 1910 olid 20 loodusliku kristalli klassi, milles piesoelektrilisus esineb, täielikult määratletud ja avaldatud Woldemar Voigti ajakirjasLehrbuch Der Kristallphysik. Kuid see jäi ebaselgeks ja ülimalt tehniliseks nišifüüsikaks ilma nähtavate tehnoloogiliste või kaubanduslike rakendusteta.

​Esimene maailmasõda:Esimene piesoelektrilise materjali tehnoloogiline rakendus oli I maailmasõja ajal loodud ultraheli allveelaevade detektor. Detektorplaat valmistati muundurist (seade, mis muundub ühest energialiigist teise) ja detektoritüübist, mida nimetatakse hüdrofoniks. Andur oli valmistatud õhukestest kvartskristallidest, mis olid liimitud kahe terasplaadi vahele.

Ultraheli allveelaevadetektori sõja aegne edukas edu stimuleeris piesoelektriliste seadmete intensiivset tehnoloogilist arengut. Pärast I maailmasõda kasutati fonograafide padrunites piesoelektrilist keraamikat.

​Teine maailmasõda:Piesoelektriliste materjalide rakendused edenesid Teise maailmasõja ajal märkimisväärselt Jaapani, NSV Liidu ja Ameerika Ühendriikide sõltumatute uuringute tõttu.

Eelkõige edusammud kristallstruktuuri ja elektromehaaniline aktiivsus koos teiste teadusuuringute arengutega muutis lähenemist piesoelektrilisele tehnoloogia täielikult. Insenerid said esimest korda manipuleerida piesoelektriliste materjalidega konkreetse seadme jaoks, selle asemel, et jälgida materjalide omadusi ja seejärel otsida vaadeldavate sobivaid rakendusi omadused.

See areng lõi palju piesoelektriliste materjalide sõjaga seotud rakendusi, nagu ülitundlikud mikrofonid, võimsad kajaloodid, sonojaid (väikesed hüdrofoni kuulamise ja raadiosaate abil poid ookeanilaevade liikumise jälgimiseks) ja pieso-süütesüsteemid ühe silindriga süüted.

Nagu eespool mainitud, on piesoelektrilisus aine omadus elektrit toota, kui sellele rakendatakse sellist pinget nagu pigistamine, painutamine või keerdumine.

Pinge alla sattumisel tekitab piesoelektriline kristall polarisatsiooni,P, proportsionaalne seda tekitanud stressiga.

Thepiesoelektri põhivõrrand on​

kusdon piesoelektriline koefitsient, tegur, mis on unikaalne igale piesoelektrilise materjali tüübile. Kvartsile on piesoelektriline koefitsient 3 × 10^-12. Plii-tsirkonaattitanaadi (PZT) piesoelektriline koefitsient on 3 × 10^-10.

Väikesed ioonide nihked kristallvõres loovad piesoelektris täheldatud polarisatsiooni. See juhtub ainult kristallides, millel puudub sümmeetriakeskus.

Järgnev on piesoelektriliste kristallide mittetäielik loetelu koos nende kasutamise lühikirjeldustega. Hiljem käsitleme kõige sagedamini kasutatavate piesoelektriliste materjalide konkreetseid rakendusi.

​Looduslikult esinevad kristallid:​

• Kvarts. Stabiilne kristall, mida kasutatakse kellakristallides ja raadiosaatjate sageduse võrdluskristallides.
• Sahharoos (lauasuhkur)
• Rochelle sool. Toodab tihendusega suurt pinget; kasutatakse varakristallmikrofonides.
• Topaas
• Turmaliin
• Berliinlane (AlPO₄). Haruldane fosfaatmineraal, mis on struktuurilt identne kvartsiga.

​Inimese loodud kristallid:​

• Galliumortofosfaat (GaPO₄), kvartsanaloog.
• Langasiit (La₃Ga₅SiO₁₄), kvartsanaloog.

​Piesoelektriline keraamika:​

• Baariumtitanaat (BaTiO₃). Esimene avastatud piesoelektriline keraamika.
• Pliititanaat (PbTiO₃)
• Pliitsirkonaattitanaat (PZT). Praegu on kõige sagedamini kasutatav piesoelektriline keraamika.
• Kaaliumniobaat (KNbO₃)
• Liitiumniobaat (LiNbO₃)
• Liitiumtantalaat (LiTaO₃)
• Naatriumvolframaat (Na₂WO₄)

​Pliivaba piesokeraamika:​

Järgmised materjalid töötati välja vastuseks murele seoses plii kahjuliku kokkupuutega keskkonnaga.

• Naatriumkaaliumniobaat (NaKNb). Sellel materjalil on PZT-ga sarnased omadused.
• Vismutferriit (BiFeO₃)
• Naatriumniobaat (NaNbO₃)

​Bioloogilised piesoelektrilised materjalid:​

• Kõõlus
• Puit
• Siid
• Emailiga
• Dentin
• Kollageen

​Piesoelektrilised polümeerid:Piezopolümeerid on kergekaalulised ja väikese suurusega, seega kasvab nende populaarsus tehnoloogilise rakenduse jaoks.

Polüvinülideenfluoriid (PVDF) demonstreerib piesoelektrilisust, mis on mitu korda suurem kui kvarts. Seda kasutatakse sageli meditsiinivaldkonnas, näiteks meditsiinilistel õmblustel ja meditsiinilistel tekstiilidel.

Piesoelektrilisi materjale kasutatakse mitmes tööstusharus, sealhulgas:

• Tootmine
• Meditsiiniseadmed
• Telekommunikatsioon
• Autotööstus
• Infotehnoloogia (IT)

​Kõrgepinge toiteallikad:​

• Elektrilised sigaretisüütajad. Kui vajutate tulemasinal nuppu, lööb nupp väikese vedruga haamri vastu a piesoelektriline kristall, tekitades kõrgepinge voolu, mis voolab üle pilu, et seda kuumutada ja süttida gaas.
• Gaasigrillid või ahjud ja gaasipõletid. Need töötavad sarnaselt kergematele, kuid suuremas mahus.
• Piesoelektriline trafo. Seda kasutatakse vahelduvvoolu pinge kordajana külmkatoodluminofoorlampides.

Ultraheli muundureid kasutatakse tavapärases meditsiinilises kuvamises. Aanduron piesoelektriline seade, mis toimib nii anduri kui ka täiturina.Ultraheli muunduridsisaldavad piesoelektrilist elementi, mis muundab elektrilise signaali mehaaniliseks vibratsiooniks (edastab režiim või ajami komponent) ja mehaaniline vibratsioon elektrisignaaliks (vastuvõturežiim või andur komponent).

Piesoelektriline element lõigatakse tavaliselt 1/2 ultrahelianduri soovitud lainepikkuseks.

Muud tüüpi piesoelektrilised andurid hõlmavad järgmist:

• Piesoelektrilised mikrofonid.
• Piesoelektrilised akustiliste-elektriliste kitarride pickupid.
• Sonar lehvitab. Helilained tekitavad ja tunnetavad piesoelektriline element.
• Elektroonilised trummelpadjad. Elemendid tuvastavad trummarite pulkade mõju padjadele.
• Meditsiiniline akseleromograafia Seda kasutatakse juhul, kui isik on narkoosis ja talle on manustatud lihasrelaksante. Akseleromograafi piesoelektriline element tuvastab lihases närvi stimulatsiooni järel tekkiva jõu.

Piesoelektriliste täiturmehhanismide üks suurimaid kasulikke omadusi on see, et kõrged elektrivälja pinged vastavad pisikestele mikromeetrilistele piesoelektriliste kristallide laiuse muutustele. Need mikrodistantsid muudavad piesoelektrilised kristallid täiturmehhanismideks, kui on vaja esemete väikest ja täpset positsioneerimist, näiteks järgmistes seadmetes:

• Valjuhääldid
• Piesoelektrilised mootorid
• Laserelektroonika
• Tindiprinterid (kristallid ajavad tinti välja prindipeast paberile)
• Diiselmootorid
• Röntgeni aknaluugid

Nutikad materjalid on lai materjalide klass, mille omadusi saab kontrollitud meetodil muuta väline stiimul nagu pH, temperatuur, kemikaalid, rakendatud magnet - või elektriväli või stress.Nutikaid materjale nimetatakse ka intelligentseteks funktsionaalseteks materjalideks.​

Piesoelektrilised materjalid vastavad sellele määratlusele, kuna rakendatud pinge tekitab pinge a piesoelektriline materjal ja vastupidi, välise pinge rakendamine toodab ka elektrit sisse materjal.

Täiendavate nutikate materjalide hulka kuuluvad vormimälusulamid, halokroomsed materjalid, magnetokalorid, temperatuurile reageerivad polümeerid, fotogalvaanilised materjalid ja palju-palju muud.