Kas ir pjezoelektriskie materiāli?

Ja esat kādreiz izmantojis cigarešu šķiltavu, pieredzējis medicīnisku ultraskaņu ārsta kabinetā vai ieslēdzis gāzes degli, esat izmantojis pjezoelektrisko.

​Pjezoelektriskie materiāli ir materiāli, kuriem piemīt spēja radīt iekšējo elektrisko lādiņu no pielietotā mehāniskā sprieguma.Termiņšpjezoir grieķu valoda "push".

Vairākas dabā dabā sastopamas vielas demonstrē pjezoelektrisko efektu. Tie ietver:

• Kauls
• Kristāli
• Noteikta keramika
• DNS
• Emalja
• Zīds
• Dentīns un daudzi citi.

Materiāli, kuriem piemīt pjezoelektriskais efekts, demonstrē arī apgriezto pjezoelektrisko efektu (sauktu arī par reverso vai pretējo pjezoelektrisko efektu). Theapgrieztais pjezoelektriskais efektsir iekšēja mehāniskās slodzes radīšana, reaģējot uz pielietoto elektrisko lauku.

Kristāli bija pirmais materiāls, ko izmantoja agri eksperimentējot ar pjezoelektrību. Brāļi Kirī, Pjērs un Žaks, tiešo pjezoelektrisko efektu pirmoreiz pierādīja 1880. gadā. Brāļi papildināja savas zināšanas par kristāliskajām struktūrām un piroelektriskajiem materiāliem (materiāliem, kas rada elektrisko lādiņu, reaģējot uz temperatūras izmaiņām).

Viņi izmēra šādu specifisko kristālu virsmas lādiņus:

• Niedru cukurs
  
• Turmalīns
• Kvarcs
• Topāzs
• Rošeles sāls (nātrija kālija tartrāta tetrahidrāts)

Vislielāko pjezoelektrisko efektu uzrādīja kvarca un Ročelas sāls.

Tomēr brāļi Kirī neprognozēja apgriezto pjezoelektrisko efektu. Apgriezto pjezoelektrisko efektu matemātiski secināja Gabriels Lipmans 1881. gadā. Pēc tam Kursijs apstiprināja efektu un sniedza kvantitatīvu pierādījumu par elektrisko, elastīgo un mehānisko deformāciju atgriezeniskumu pjezoelektriskajos kristālos.

Līdz 1910. gadam 20 dabīgo kristālu klases, kurās notiek pjezoelektrība, tika pilnībā definētas un publicētas Woldemar VoigtLehrbuch Der Kristallphysik. Bet tā palika neskaidra un ļoti tehniska fizikas niša bez redzamiem tehnoloģiskiem vai komerciāliem pielietojumiem.

​Pirmais pasaules karš:Pirmais pjezoelektriskā materiāla tehnoloģiskais pielietojums bija ultraskaņas zemūdens detektors, kas izveidots I pasaules kara laikā. Detektora plāksne tika izgatavota no devēja (ierīces, kas pārveidojas no viena veida enerģijas citā) un detektora veida, ko sauc par hidrofonu. Devējs tika izgatavots no plāniem kvarca kristāliem, kas ielīmēti starp divām tērauda plāksnēm.

Pārsteidzošie ultraskaņas zemūdens detektora panākumi kara laikā stimulēja intensīvu pjezoelektrisko ierīču tehnoloģisko attīstību. Pēc Pirmā pasaules kara fonogrāfu kasetnēs tika izmantota pjezoelektriskā keramika.

​Otrais pasaules karš:Pjezoelektrisko materiālu pielietojums ievērojami uzlabojās Otrā pasaules kara laikā, pateicoties Japānas, PSRS un Amerikas Savienoto Valstu neatkarīgajiem pētījumiem.

Jo īpaši sasniegumi izpratnē par saistību starp kristāla struktūru un elektromehāniskā aktivitāte kopā ar citiem pētniecības sasniegumiem novirzīja pieeju pjezoelektriskai tehnoloģija pilnībā. Pirmo reizi inženieri varēja manipulēt ar pjezoelektriskiem materiāliem konkrētai ierīces lietošanai, nevis novērot materiālu īpašības un pēc tam meklēt piemērotos novērotā pielietojuma veidus īpašības.

Šī attīstība radīja daudzus ar karu saistītus pjezoelektrisko materiālu pielietojumus, piemēram, īpaši jutīgus mikrofonus, jaudīgas hidrolokatoru ierīces, sonobojas (mazas bojas ar hidrofonu klausīšanās un radio pārraides iespējām okeāna kuģu kustības uzraudzībai) un pjezo aizdedzes sistēmas viena cilindra aizdedzes.

Kā minēts iepriekš, pjezoelektriskums ir vielas īpašība radīt elektrību, ja tai tiek piemērots tāds spriegums kā saspiešana, locīšana vai savērpšanās.

Ievietojot stresu, pjezoelektriskais kristāls rada polarizāciju,P, proporcionāls stresam, kas to izraisīja.

Thegalvenais pjezoelektriskuma vienādojums ir​

kurdir pjezoelektriskais koeficients, koeficients, kas raksturīgs katram pjezoelektriskā materiāla tipam. Kvarca pjezoelektriskais koeficients ir 3 × 10^-12. Svina cirkonāta titanāta (PZT) pjezoelektriskais koeficients ir 3 × 10^-10.

Nelieli jonu pārvietojumi kristāla režģī rada pjezoelektriskumā novēroto polarizāciju. Tas notiek tikai kristālos, kuriem nav simetrijas centra.

Šis ir visaptverošs pjezoelektrisko kristālu saraksts ar dažiem īsiem to izmantošanas aprakstiem. Mēs vēlāk apspriedīsim dažus visbiežāk izmantoto pjezoelektrisko materiālu īpašos pielietojumus.

​Dabiski sastopamie kristāli:​

• Kvarcs. Stabils kristāls, ko izmanto pulksteņu kristālos un radioviļņu raidītāju frekvences atskaites kristālos.
• Saharoze (galda cukurs)
• Ročeles sāls. Izgatavo lielu spriegumu ar saspiešanu; izmanto agrīno kristālu mikrofonos.
• Topāzs
• Turmalīns
• Berlīniete (AlPO₄). Rets fosfāta minerāls, kas pēc struktūras ir identisks kvarcam.

​Cilvēka radītie kristāli:​

• Gallija ortofosfāts (GaPO₄), kvarca analogs.
• Langazīts (La₃Ga₅SiO₁₄), kvarca analogs.

​Pjezoelektriskā keramika:​

• Bārija titanāts (BaTiO₃). Pirmā atklātā pjezoelektriskā keramika.
• Svina titanāts (PbTiO₃)
• Svina cirkonāta titanāts (PZT). Pašlaik visbiežāk tiek izmantota pjezoelektriskā keramika.
• Kālija niobāts (KNbO₃)
• Litija niobāts (LiNbO₃)
• Litija tantalāts (LiTaO₃)
• Nātrija volframāts (Na₂WO₄)

​Bez svina pjezokeramika:​

Šādi materiāli tika izstrādāti, reaģējot uz bažām par svina kaitīgu iedarbību uz vidi.

• Nātrija kālija niobāts (NaKNb). Šim materiālam ir līdzīgas īpašības kā PZT.
• Bismuta ferīts (BiFeO₃)
• Nātrija niobāts (NaNbO₃)

​Bioloģiskie pjezoelektriskie materiāli:​

• Cīpsla
• Koks
• Zīds
• Emalja
• Dentīns
• Kolagēns

​Pjezoelektriskie polimēri:Pjezopolimēri ir viegli un maza izmēra, tādējādi arvien vairāk popularizējas tehnoloģiskā pielietojuma jomā.

Polivinilidēnfluorīds (PVDF) pierāda pjezoelektriskumu, kas ir vairākas reizes lielāks nekā kvarcs. To bieži izmanto medicīnas jomā, piemēram, medicīnas šuvēs un medicīnas tekstilizstrādājumos.

Pjezoelektriskos materiālus izmanto vairākās nozarēs, tostarp:

• Ražošana
• Medicīniskās ierīces
• Telekomunikācijas
• Automobiļi
• Informācijas tehnoloģija (IT)

​Augstsprieguma enerģijas avoti:​

• Elektriskās cigarešu šķiltavas. Nospiežot šķiltavas pogu, poga izraisa mazu atsperīgu āmuru pjezoelektriskie kristāli, kas rada augstsprieguma strāvu, kas plūst pāri spraugai, lai sildītu un aizdedzinātu gāze.
• Gāzes grili vai krāsnis un gāzes degļi. Tie darbojas līdzīgi kā šķiltavām, bet lielākā mērogā.
• Pjezoelektriskais transformators. To izmanto kā maiņstrāvas sprieguma reizinātāju aukstā katoda dienasgaismas spuldzēs.

Ultraskaņas devēji tiek izmantoti ikdienas medicīniskajā attēlveidošanā. Adevējsir pjezoelektriskā ierīce, kas darbojas gan kā sensors, gan kā izpildmehānisms.Ultraskaņas devējisatur pjezoelektrisko elementu, kas pārveido elektrisko signālu mehāniskā vibrācijā (pārraida režīms vai izpildmehānisma sastāvdaļa) un mehāniskā vibrācija elektriskajā signālā (uztveršanas režīms vai sensors komponents).

Pjezoelektrisko elementu parasti sagriež līdz 1/2 no vēlamā ultraskaņas devēja viļņa garuma.

Citi pjezoelektrisko sensoru veidi ir:

• Pjezoelektriskie mikrofoni.
• Pjezoelektriskie uztvērēji akustiski elektriskām ģitārām.
• Sonārs viļņo. Skaņas viļņus gan rada, gan uztver pjezoelektriskais elements.
• Elektroniskas bungu spilventiņi. Elementi nosaka bundzinieku nūju ietekmi uz spilventiņiem.
• Medicīniskā akseleromogrāfija. To lieto, ja personai tiek veikta narkoze un viņam ir ievadīti muskuļu relaksanti. Akseleromogrāfā esošais pjezoelektriskais elements nosaka spēku, kas rodas muskuļos pēc nervu stimulēšanas.

Viena no lielākajām pjezoelektrisko izpildmehānismu funkcijām ir tā, ka augsts elektriskā lauka spriegums atbilst niecīgām, mikrometru izmaiņām pjezoelektrisko kristālu platumā. Šie mikro attālumi padara pjezoelektriskos kristālus noderīgus kā izpildmehānismus, kad ir nepieciešama niecīga, precīza objektu pozicionēšana, piemēram, šādās ierīcēs:

• Skaļruņi
• Pjezoelektriskie motori
• Lāzera elektronika
• Tintes printeri (kristāli izdzen tinti no drukas galviņas uz papīru)
• Dīzeļdzinēji
• Rentgena slēģi

Viedie materiāli ir plaša materiālu klase, kuru īpašības var mainīt ar kontrolētu metodi ārējs stimuls, piemēram, pH, temperatūra, ķīmiskās vielas, pielietotais magnētiskais vai elektriskais lauks vai stress.Viedos materiālus sauc arī par viedajiem funkcionālajiem materiāliem.​

Pjezoelektriskie materiāli atbilst šai definīcijai, jo pielietotais spriegums rada spriegumu a pjezoelektriskais materiāls, un, gluži pretēji, ārēja sprieguma iedarbība rada arī elektrību materiāls.

Papildus viedie materiāli ietver formas atmiņas sakausējumus, halohromus materiālus, magnetokaloriskos materiālus, uz temperatūru reaģējošus polimērus, fotoelektriskos materiālus un daudzus, daudzus citus.