Hva er piezoelektriske materialer?

Hvis du noen gang har brukt en sigarettenner, opplevd medisinsk ultralyd på et legekontor eller slått på en gassbrenner, har du brukt piezoelektrisitet.

​Piezoelektriske materialer er materialer som har evnen til å generere intern elektrisk ladning fra påført mekanisk belastning.Begrepetpiezoer gresk for "push".

Flere naturlig forekommende stoffer i naturen viser den piezoelektriske effekten. Disse inkluderer:

• Bein
• Krystaller
• Visse keramikker
• DNA
• Emalje
• Silke
• Dentin, og mange flere.

Materialer som viser den piezoelektriske effekten demonstrerer også den inverse piezoelektriske effekten (også kalt den omvendte eller omvendte piezoelektriske effekten). Deinvers piezoelektrisk effekter den interne generasjonen av mekanisk belastning som svar på et påført elektrisk felt.

Krystaller var det første materialet som ble brukt tidlig i eksperimentering med piezoelektrisitet. Brødrene Curie, Pierre og Jacques, beviste først den direkte piezoelektriske effekten i 1880. Brødrene utvidet sin kunnskap om krystallinske strukturer og pyroelektriske materialer (materialer som genererer en elektrisk ladning som svar på en temperaturendring).

De målte overflateladningene til følgende spesifikke krystaller:

• Rørsukker
  
• Turmalin
• Kvarts
• Topaz
• Rochelle salt (natrium kalium tartrat tetrahydrat)

Kvarts- og Rochelle-salt viste de høyeste piezoelektriske effektene.

Curie-brødrene forutsa imidlertid ikke den omvendte piezoelektriske effekten. Den omvendte piezoelektriske effekten ble matematisk trukket av Gabriel Lippmann i 1881. Curies bekreftet deretter effekten og ga kvantitativ bevis på reversibiliteten til elektriske, elastiske og mekaniske deformasjoner i piezoelektriske krystaller.

I 1910 ble de 20 naturlige krystallklassene der piezoelektrisitet forekommer fullstendig definert og publisert i Woldemar Voigt’sLehrbuch Der Kristallphysik. Men det forble et uklart og svært teknisk nisjeområde i fysikk uten synlige teknologiske eller kommersielle applikasjoner.

​Første verdenskrig:Den første teknologiske anvendelsen av et piezoelektrisk materiale var ultralyd ubåtdetektor opprettet under første verdenskrig. Detektorplaten ble laget av en transduser (en enhet som transformerer fra en type energi til en annen) og en type detektor som kalles en hydrofon. Transduseren var laget av tynne kvartskrystaller limt mellom to stålplater.

Ultralydbåtdetektorens rungende suksess under krigen stimulerte intens teknologisk utvikling av piezoelektriske enheter. Etter første verdenskrig ble piezoelektrisk keramikk brukt i patronene til fonografene.

​Andre verdenskrig:Anvendelser av piezoelektriske materialer avanserte betydelig under andre verdenskrig på grunn av uavhengig forskning fra Japan, Sovjetunionen og USA.

Spesielt fremskritt i forståelsen av forholdet mellom krystallstruktur og elektromekanisk aktivitet sammen med annen utvikling innen forskning forskjøvet tilnærmingen mot piezoelektrisk teknologi helt. For første gang var ingeniører i stand til å manipulere piezoelektriske materialer for en bestemt enhetsapplikasjon, i stedet for å observere egenskapene til materialene og deretter søke etter passende anvendelser av det observerte eiendommer.

Denne utviklingen skapte mange krigsrelaterte applikasjoner av piezoelektriske materialer som superfølsomme mikrofoner, kraftige ekkoloddapparater, sonobøyer (liten bøyer med hydrofonlytting og radiosending for å overvåke bevegelse av havfartøyer) og piezo-tenningssystemer for enkeltsylindret tenninger.

Som nevnt ovenfor er piezoelektrisitet egenskapen til et stoff for å generere elektrisitet hvis det påføres stress slik som klemming, bøying eller vridning.

Når den piezoelektriske krystallet er under stress, produserer den en polariseringP, proporsjonalt med stresset som produserte det.

Deviktigste ligning av piezoelektrisitet er​

hvorder den piezoelektriske koeffisienten, en faktor unik for hver type piezoelektrisk materiale. Den piezoelektriske koeffisienten for kvarts er 3 × 10^-12. Den piezoelektriske koeffisienten for blyzirkonattitanat (PZT) er 3 × 10^-10.

Små forskyvninger av ioner i krystallgitteret skaper polarisasjonen som observeres i piezoelektrisitet. Dette skjer bare i krystaller som ikke har et symmetrisenter.

Følgende er en ikke-omfattende liste over piezoelektriske krystaller med noen korte beskrivelser av bruken. Vi vil diskutere noen spesifikke applikasjoner av de mest brukte piezoelektriske materialene senere.

​Naturlig forekommende krystaller:​

• Kvarts. En stabil krystall som brukes i urkrystaller og frekvensreferansekrystaller for radiosendere.
• Sukrose (sukker)
• Rochelle salt. Produserer en stor spenning med kompresjon; brukt i tidlige krystallmikrofoner.
• Topaz
• Turmalin
• Berlinitt (AlPO₄). Et sjeldent fosfatmineral som er strukturelt identisk med kvarts.

​Menneskeskapte krystaller:​

• Galliumortofosfat (GaPO₄), en kvartsanalog.
• Langasite (La₃Ga₅SiO₁₄), en kvartsanalog.

​Piezoelektrisk keramikk:​

• Bariumtitanat (BaTiO₃). Den første piezoelektriske keramikken som ble oppdaget.
• Blytitanat (PbTiO₃)
• Bly zirkonat titanat (PZT). For tiden den mest brukte piezoelektriske keramikken.
• Kaliumniobat (KNbO₃)
• Litiumniobat (LiNbO₃)
• Litiumtantalat (LiTaO₃)
• Natriumvolframat (Na₂WO₄)

​Blyfri piezoceramics:​

Følgende materialer ble utviklet som svar på bekymringer om skadelig miljøeksponering for bly.

• Natriumkaliumniobat (NaKNb). Dette materialet har egenskaper som ligner på PZT.
• Bismuth ferrite (BiFeO₃)
• Sodium niobate (NaNbO₃)

​Biologiske piezoelektriske materialer:​

• Sene
• Tre
• Silke
• Emalje
• Dentin
• Kollagen

​Piezoelektriske polymerer:Piesopolymerer er lette og små i størrelse, og vokser dermed i popularitet for teknologisk anvendelse.

Polyvinylidenfluorid (PVDF) demonstrerer piezoelektrisitet som er flere ganger større enn kvarts. Det brukes ofte innen det medisinske feltet, for eksempel i medisinsk suturering og medisinske tekstiler.

Piezoelektriske materialer brukes i flere bransjer, inkludert:

• Produksjon
• Medisinsk utstyr
• Telekommunikasjon
• Automotive
• Informasjonsteknologi (IT)

​Høyspenningskilder:​

• Elektriske sigarettennere. Når du trykker på knappen på en lighter, får knappen til at en liten fjærbelastet hammer treffer en piezoelektrisk krystall, som produserer en høyspenningsstrøm som strømmer over et gap for å varme opp og antenne gass.
• Gassgriller eller ovner og gassbrennere. Disse fungerer på samme måte som lighter, men i større skala.
• Piezoelektrisk transformator. Dette brukes som en vekselstrømsmultiplikator i lysrør med kald katode.

Ultralydtransdusere brukes i rutinemessig medisinsk bildebehandling. ENsvingerer en piezoelektrisk enhet som fungerer som både en sensor og en aktuator.Ultralydtransdusereinneholder et piezoelektrisk element som konverterer et elektrisk signal til mekanisk vibrasjon (overføre modus eller aktuatorkomponent) og mekanisk vibrasjon til elektrisk signal (mottaksmodus eller sensor komponent).

Det piezoelektriske elementet blir vanligvis kuttet til 1/2 av den ønskede bølgelengden til ultralydtransduseren.

Andre typer piezoelektriske sensorer inkluderer:

• Piezoelektriske mikrofoner.
• Piezoelektriske pickups for akustisk-elektriske gitarer.
• Ekkoloddbølger. Lydbølgene genereres og oppdages av det piezoelektriske elementet.
• Elektroniske trommeputer. Elementene oppdager virkningen av trommeslagerens pinner på putene.
• Medisinsk akseleromyografi. Dette brukes når en person er i narkose og har fått muskelavslappende midler. Det piezoelektriske elementet i akseleromyografen oppdager kraft som produseres i en muskel etter nervestimulering.

En av de store fordelene med piezoelektriske aktuatorer er at høye elektriske feltspenninger tilsvarer små, mikrometerendringer i bredden av den piezoelektriske krystallen. Disse mikroavstandene gjør piezoelektriske krystaller nyttige som aktuatorer når det er behov for liten, nøyaktig plassering av gjenstander, for eksempel i følgende enheter:

• Høyttalere
• Piezoelektriske motorer
• Laserelektronikk
• Blekkstråleskrivere (krystaller driver utkastet av blekk fra skrivehodet til papiret)
• Dieselmotorer
• Røntgen skodder

Smarte materialer er en bred klasse av materialer hvis egenskaper kan endres i en kontrollert metode ved en ekstern stimulans som pH, temperatur, kjemikalier, et påført magnetisk eller elektrisk felt, eller understreke.Smarte materialer kalles også intelligente funksjonelle materialer.​

Piezoelektriske materialer passer til denne definisjonen fordi en påført spenning gir en spenning i a piezoelektrisk materiale, og omvendt, påføring av en ekstern belastning produserer også strøm i Materialet.

Ytterligere smarte materialer inkluderer formminne legeringer, halokrome materialer, magnetokaloriske materialer, temperatur-responsive polymerer, solcellematerialer og mange, mange flere.