Wat zijn piëzo-elektrische materialen?

Als je ooit een sigarettenaansteker hebt gebruikt, een medische echo hebt meegemaakt in een spreekkamer of een gasbrander hebt aangezet, heb je piëzo-elektriciteit gebruikt.

​Piëzo-elektrische materialen zijn materialen die het vermogen hebben om interne elektrische lading te genereren door uitgeoefende mechanische spanning.De voorwaardepiëzois Grieks voor "duwen".

Verschillende natuurlijk voorkomende stoffen in de natuur demonstreren het piëzo-elektrische effect. Waaronder:

• Bot
• Kristallen
• bepaalde keramiek
• DNA
• Glazuur
• Zijde
• Dentine, en nog veel meer.

Materialen die het piëzo-elektrische effect vertonen, demonstreren ook het inverse piëzo-elektrische effect (ook wel het omgekeerde of omgekeerde piëzo-elektrische effect genoemd). Deomgekeerd piëzo-elektrisch effectis de interne generatie van mechanische spanning als reactie op een aangelegd elektrisch veld.

Kristallen waren het eerste materiaal dat werd gebruikt in vroege experimenten met piëzo-elektriciteit. De gebroeders Curie, Pierre en Jacques, bewezen voor het eerst het directe piëzo-elektrische effect in 1880. De broers breidden hun praktische kennis uit van kristallijne structuren en pyro-elektrische materialen (materialen die een elektrische lading genereren als reactie op een temperatuurverandering).

Ze maten de oppervlakteladingen van de volgende specifieke kristallen:

• Rietsuiker
  
• Toermalijn
• Kwarts
• Topaas
• Rochelle-zout (natriumkaliumtartraattetrahydraat)

Kwarts en Rochelle-zout vertoonden de hoogste piëzo-elektrische effecten.

De gebroeders Curie voorspelden het omgekeerde piëzo-elektrische effect echter niet. Het inverse piëzo-elektrische effect werd in 1881 wiskundig afgeleid door Gabriel Lippmann. De Curies bevestigden vervolgens het effect en leverden kwantitatief bewijs van de omkeerbaarheid van elektrische, elastische en mechanische vervormingen in piëzo-elektrische kristallen.

Tegen 1910 waren de 20 natuurlijke kristalklassen waarin piëzo-elektriciteit voorkomt volledig gedefinieerd en gepubliceerd in Woldemar Voigt'sLehrbuch Der Kristallphysik. Maar het bleef een obscuur en zeer technisch nichegebied van de natuurkunde zonder zichtbare technologische of commerciële toepassingen.

​Eerste Wereldoorlog:De eerste technologische toepassing van een piëzo-elektrisch materiaal was de ultrasone onderzeeërdetector die tijdens de Eerste Wereldoorlog werd gecreëerd. De detectorplaat is gemaakt van een transducer (een apparaat dat van het ene type energie in het andere transformeert) en een type detector dat een hydrofoon wordt genoemd. De transducer was gemaakt van dunne kwartskristallen die tussen twee stalen platen waren gelijmd.

Het doorslaande succes van de ultrasone onderzeeërdetector tijdens de oorlog stimuleerde een intense technologische ontwikkeling van piëzo-elektrische apparaten. Na de Eerste Wereldoorlog werd piëzo-elektrisch keramiek gebruikt in de cartridges van grammofoons.

​Tweede Wereldoorlog:Toepassingen van piëzo-elektrische materialen zijn aanzienlijk verbeterd tijdens de Tweede Wereldoorlog dankzij onafhankelijk onderzoek door Japan, de USSR en de Verenigde Staten.

Vooral vorderingen in het begrip van de relatie tussen kristalstructuur en elektromechanische activiteit samen met andere ontwikkelingen in onderzoek verschoof de benadering in de richting van piëzo-elektrisch technologie volledig. Voor het eerst konden ingenieurs piëzo-elektrische materialen manipuleren voor een specifieke apparaattoepassing, in plaats van eigenschappen van de materialen te observeren en vervolgens te zoeken naar geschikte toepassingen van het waargenomen eigendommen.

Deze ontwikkeling zorgde voor veel oorlogsgerelateerde toepassingen van piëzo-elektrische materialen zoals supergevoelige microfoons, krachtige sonarapparaten, geluidsboeien (kleine boeien met hydrofoon luister- en radiozendmogelijkheden voor het bewaken van de beweging van zeeschepen) en piëzo-ontstekingssystemen voor eencilinder ontstekingen.

Zoals hierboven vermeld, is piëzo-elektriciteit de eigenschap van een stof om elektriciteit op te wekken als er spanning op wordt uitgeoefend, zoals knijpen, buigen of draaien.

Wanneer het onder spanning wordt geplaatst, produceert het piëzo-elektrische kristal een polarisatie,P, evenredig aan de spanning die het veroorzaakte.

Dehoofdvergelijking van piëzo-elektriciteit is​

waardis de piëzo-elektrische coëfficiënt, een factor die uniek is voor elk type piëzo-elektrisch materiaal. De piëzo-elektrische coëfficiënt voor kwarts is 3 × 10^-12. De piëzo-elektrische coëfficiënt voor loodzirkonaattitanaat (PZT) is 3 × 10^-10.

Kleine verplaatsingen van ionen in het kristalrooster creëren de polarisatie die wordt waargenomen in piëzo-elektriciteit. Dit komt alleen voor bij kristallen die geen symmetriecentrum hebben.

Het volgende is een niet-uitgebreide lijst van piëzo-elektrische kristallen met enkele korte beschrijvingen van hun gebruik. We zullen later enkele specifieke toepassingen van de meest gebruikte piëzo-elektrische materialen bespreken.

​Natuurlijk voorkomende kristallen:​

• Kwarts. Een stabiel kristal dat wordt gebruikt in horlogekristallen en frequentiereferentiekristallen voor radiozenders.
• Sacharose (tafelsuiker)
• Rochelle zout. Produceert een hoge spanning met compressie; gebruikt in vroege kristalmicrofoons.
• Topaas
• Toermalijn
• Berliniet (AlPO₄). Een zeldzaam fosfaatmineraal dat qua structuur identiek is aan kwarts.

​Door de mens gemaakte kristallen:​

• Galliumorthofosfaat (GaPO₄), een kwarts-analoog.
• Langasiet (La₃Ga₅SiO₁₄), een kwarts-analoog.

​Piëzo-elektrisch keramiek:​

• Bariumtitanaat (BaTiO₃). De eerste piëzo-elektrische keramiek ontdekt.
• Loodtitanaat (PbTiO₃)
• Loodzirkonaattitanaat (PZT). Momenteel de meest gebruikte piëzo-elektrische keramiek.
• Kaliumniobaat (KNbO₃)
• Lithiumniobaat (LiNbO₃)
• Lithiumtantalaat (LiTaO₃)
• Natriumwolframaat (Na₂WO₄)

​Loodvrije piëzokeramiek:​

De volgende materialen zijn ontwikkeld als reactie op zorgen over schadelijke milieublootstelling aan lood.

• Natriumkaliumniobaat (NaKNb). Dit materiaal heeft eigenschappen die vergelijkbaar zijn met PZT.
• Bismut ferriet (BiFeO₃)
• Natriumniobaat (NaNbO₃)

​Biologische piëzo-elektrische materialen:​

• Pees
• Hout
• Zijde
• Glazuur
• Dentine
• collageen

​Piëzo-elektrische polymeren:Piëzopolymeren zijn lichtgewicht en klein van formaat, waardoor ze steeds populairder worden voor technologische toepassingen.

Polyvinylideenfluoride (PVDF) vertoont piëzo-elektriciteit die meerdere malen groter is dan kwarts. Het wordt vaak gebruikt op medisch gebied, zoals in medisch hechten en medisch textiel.

Piëzo-elektrische materialen worden in meerdere industrieën gebruikt, waaronder:

• productie
• Medische apparatuur
• Telecommunicatie
• Automobiel
• Informatietechnologie (IT)

​Hoogspanningsbronnen:​

• Elektrische sigarettenaanstekers. Wanneer u de knop op een aansteker indrukt, zorgt de knop ervoor dat een kleine veerbelaste hamer een piëzo-elektrisch kristal, dat een hoogspanningsstroom produceert die over een opening stroomt om de te verwarmen en te ontsteken gas.
• Gasgrills of kachels en gasbranders. Deze werken op dezelfde manier als de aansteker, maar op grotere schaal.
• Piëzo-elektrische transformator. Dit wordt gebruikt als wisselspanningsvermenigvuldiger in fluorescentielampen met koude kathode.

Ultrasone transducers worden gebruikt in routinematige medische beeldvorming. EENomvormeris een piëzo-elektrisch apparaat dat zowel als sensor als als actuator fungeert.Echografie-transducersbevatten een piëzo-elektrisch element dat een elektrisch signaal omzet in mechanische trillingen (transmit modus of actuatorcomponent) en mechanische trillingen in elektrisch signaal (ontvangstmodus of sensor) onderdeel).

Het piëzo-elektrische element wordt gewoonlijk gesneden tot de helft van de gewenste golflengte van de ultrasone transducer.

Andere soorten piëzo-elektrische sensoren zijn onder meer:

• Piëzo-elektrische microfoons.
• Piëzo-elektrische pickups voor akoestisch-elektrische gitaren.
• Sonar golven. De geluidsgolven worden zowel gegenereerd als waargenomen door het piëzo-elektrische element.
• Elektronische drumpads. De elementen detecteren de impact van de drumstokken op de pads.
• Medische acceleromyografie. Dit wordt gebruikt wanneer een persoon onder narcose is en spierverslappers heeft gekregen. Het piëzo-elektrische element in de acceleromyograaf detecteert de kracht die in een spier wordt geproduceerd na zenuwstimulatie.

Een van de grote voordelen van piëzo-elektrische actuatoren is dat hoge elektrische veldspanningen overeenkomen met kleine micrometerveranderingen in de breedte van het piëzo-elektrische kristal. Deze microafstanden maken piëzo-elektrische kristallen bruikbaar als actuatoren wanneer kleine, nauwkeurige positionering van objecten nodig is, zoals in de volgende apparaten:

• Luidsprekers
• Piëzo-elektrische motoren
• Laser elektronica
• Inkjetprinters (kristallen sturen de inkt uit de printkop naar het papier)
• Diesel motoren
• Röntgenluiken

Slimme materialen zijn een brede klasse van materialen waarvan de eigenschappen op een gecontroleerde manier kunnen worden gewijzigd door: een externe stimulus zoals pH, temperatuur, chemicaliën, een aangelegd magnetisch of elektrisch veld, of spanning.Slimme materialen worden ook wel intelligente functionele materialen genoemd.​

Piëzo-elektrische materialen passen in deze definitie omdat een aangelegde spanning een spanning produceert in a piëzo-elektrisch materiaal, en omgekeerd produceert de toepassing van een externe spanning ook elektriciteit in het materiaal.

Andere slimme materialen zijn legeringen met vormgeheugen, halochrome materialen, magnetocalorische materialen, temperatuurgevoelige polymeren, fotovoltaïsche materialen en nog veel, veel meer.