Jakie są materiały piezoelektryczne?

Jeśli kiedykolwiek używałeś zapalniczki, doświadczyłeś medycznego USG w gabinecie lekarskim lub włączyłeś palnik gazowy, użyłeś piezoelektryczności.

​Materiały piezoelektryczne to materiały, które mają zdolność generowania wewnętrznego ładunku elektrycznego z przyłożonego naprężenia mechanicznego.Terminpiezoto po grecku „pchać”.

Kilka naturalnie występujących w przyrodzie substancji wykazuje efekt piezoelektryczny. Obejmują one:

• Kość
• Kryształy
• Niektóre ceramiki
• DNA
• Szkliwo
• Jedwab
• Dentyna i wiele innych.

Materiały wykazujące efekt piezoelektryczny wykazują również odwrotny efekt piezoelektryczny (zwany również odwrotnym lub odwrotnym efektem piezoelektrycznym).odwrotny efekt piezoelektrycznyto wewnętrzne generowanie naprężeń mechanicznych w odpowiedzi na przyłożone pole elektryczne.

Kryształy były pierwszym materiałem użytym we wczesnych eksperymentach z piezoelektrycznością. Bracia Curie, Pierre i Jacques, po raz pierwszy udowodnili bezpośredni efekt piezoelektryczny w 1880 roku. Bracia poszerzyli swoją praktyczną wiedzę na temat struktur krystalicznych i materiałów piroelektrycznych (materiałów generujących ładunek elektryczny w odpowiedzi na zmianę temperatury).

Zmierzyli ładunki powierzchniowe następujących określonych kryształów:

• Cukier trzcinowy
  
• Turmalin
• Kwarc
• Topaz
• Sól Rochelle (tetrahydrat winianu sodowo-potasowego)

Sól kwarcowa i Rochelle wykazały najwyższe efekty piezoelektryczne.

Jednak bracia Curie nie przewidzieli odwrotnego efektu piezoelektrycznego. Odwrotny efekt piezoelektryczny został wydedukowany matematycznie przez Gabriela Lippmanna w 1881 roku. Następnie naukowcy z Curie potwierdzili ten efekt i dostarczyli ilościowego dowodu na odwracalność odkształceń elektrycznych, sprężystych i mechanicznych w kryształach piezoelektrycznych.

Do 1910 roku 20 klas kryształów naturalnych, w których występuje piezoelektryczność, zostało całkowicie zdefiniowanych i opublikowanych w publikacji Woldemara VoigtaLehrbuch Der Kristallphysik. Pozostał jednak mało znanym i wysoce technicznym niszowym obszarem fizyki bez widocznych zastosowań technologicznych lub komercyjnych.

​Pierwsza Wojna Swiatowa:Pierwszym technologicznym zastosowaniem materiału piezoelektrycznego był ultradźwiękowy detektor okrętów podwodnych stworzony podczas I wojny światowej. Płytka detektora została wykonana z przetwornika (urządzenia, które przekształca jeden rodzaj energii w inny) oraz rodzaju detektora zwanego hydrofonem. Przetwornik został wykonany z cienkich kryształków kwarcu wklejonych pomiędzy dwie stalowe płytki.

Ogromny sukces ultradźwiękowego detektora okrętów podwodnych w czasie wojny pobudził intensywny rozwój technologiczny urządzeń piezoelektrycznych. Po I wojnie światowej we wkładach fonografów stosowano ceramikę piezoelektryczną.

​II wojna światowa:Zastosowania materiałów piezoelektrycznych znacznie się rozwinęły podczas II wojny światowej dzięki niezależnym badaniom prowadzonym przez Japonię, ZSRR i Stany Zjednoczone.

W szczególności postęp w zrozumieniu związku między strukturą krystaliczną a aktywność elektromechaniczna wraz z innymi osiągnięciami badawczymi zmieniła podejście do piezoelektryków technologia całkowicie. Po raz pierwszy inżynierom udało się manipulować materiałami piezoelektrycznymi do konkretnego zastosowania urządzenia, zamiast obserwowania właściwości materiałów, a następnie szukania odpowiednich zastosowań obserwowanych nieruchomości.

Ten rozwój stworzył wiele związanych z wojną zastosowań materiałów piezoelektrycznych, takich jak superczułe mikrofony, potężne urządzenia sonarowe, sonoboje (małe boje z możliwością nasłuchu hydrofonu i nadawania radiowego do monitorowania ruchu statków oceanicznych) oraz piezoelektryczne systemy zapłonowe dla pojedynczego cylindra zapłony.

Jak wspomniano powyżej, piezoelektryczność jest właściwością substancji, która generuje energię elektryczną, jeśli zostanie na nią przyłożona naprężenie, takie jak ściskanie, zginanie lub skręcanie.

Pod wpływem naprężeń kryształ piezoelektryczny wytwarza polaryzację,P, proporcjonalna do stresu, który go wytworzył.

główne równanie piezoelektryczności to​

gdzierejest współczynnikiem piezoelektrycznym, współczynnikiem unikalnym dla każdego rodzaju materiału piezoelektrycznego. Współczynnik piezoelektryczny dla kwarcu wynosi 3 × 10^-12. Współczynnik piezoelektryczny dla tytanianu cyrkonianowo-ołowiowego (PZT) wynosi 3 × 10^-10.

Małe przemieszczenia jonów w sieci krystalicznej powodują polaryzację obserwowaną w piezoelektryczności. Dzieje się tak tylko w kryształach, które nie mają środka symetrii.

Poniżej znajduje się niewyczerpująca lista kryształów piezoelektrycznych wraz z krótkimi opisami ich zastosowania. Niektóre konkretne zastosowania najczęściej używanych materiałów piezoelektrycznych omówimy później.

​Kryształy występujące naturalnie:​

• Kwarc. Stabilny kryształ używany w kryształach zegarków i kryształach referencyjnych częstotliwości do nadajników radiowych.
• Sacharoza (cukier stołowy)
• Sól z Rochelle. Wytwarza duże napięcie z kompresją; stosowany we wczesnych mikrofonach kryształowych.
• Topaz
• Turmalin
• Berlinit (AlPO₄). Rzadki minerał fosforanowy strukturalnie identyczny z kwarcem.

​Kryształy sztuczne:​

• ortofosforan galu (GaPO₄), analog kwarcowy.
• Langasyt (La₃Ga₅SiO₁₄), analog kwarcowy.

​Ceramika piezoelektryczna:​

• Tytanian baru (BaTiO₃). Odkryto pierwszą ceramikę piezoelektryczną.
• Tytanian ołowiu (PbTiO₃)
• Tytanian cyrkonianu ołowiu (PZT). Obecnie najczęściej stosowana ceramika piezoelektryczna.
• niobian potasu (KNbO₃)
• Niobian litu (LiNbO₃)
• Tantalian litu (LiTaO₃)
• wolframian sodu (Na₂WO₄)

​Bezołowiowa piezoceramika:​

Poniższe materiały zostały opracowane w odpowiedzi na obawy dotyczące szkodliwego narażenia środowiska na ołów.

• Niobian sodu sodu (NaKNb). Materiał ten ma właściwości zbliżone do PZT.
• Ferryt bizmutu (BiFeO₃)
• niobian sodu (NaNbO₃)

​Biologiczne materiały piezoelektryczne:​

• Ścięgno
• Drewno
• Jedwab
• Szkliwo
• Zębina
• Kolagen

​Polimery piezoelektryczne:Piezopolimery są lekkie i niewielkie, dzięki czemu zyskują coraz większą popularność w zastosowaniach technologicznych.

Polifluorek winylidenu (PVDF) wykazuje kilkukrotnie większą piezoelektryczność niż kwarc. Jest często stosowany w medycynie, np. w szwach medycznych i tekstyliach medycznych.

Materiały piezoelektryczne są wykorzystywane w wielu gałęziach przemysłu, w tym:

• Produkcja
• Urządzenia medyczne
• Telekomunikacja
• Automobilowy
• Technologia informacyjna (IT)

​Źródła zasilania wysokiego napięcia:​

• Zapalniczki elektryczne. Gdy naciśniesz przycisk zapalniczki, przycisk spowoduje uderzenie małego młotka sprężynowego kryształ piezoelektryczny, wytwarzający prąd o wysokim napięciu, który przepływa przez szczelinę, aby ogrzać i zapalić gaz.
• Grille gazowe lub kuchenki i palniki gazowe. Działają podobnie do lżejszych, ale na większą skalę.
• Transformator piezoelektryczny. Jest on używany jako powielacz napięcia AC w ​​lampach fluorescencyjnych z zimną katodą.

Przetworniki ultradźwiękowe są stosowane w rutynowym obrazowaniu medycznym. ZAtransduktorto urządzenie piezoelektryczne, które działa zarówno jako czujnik, jak i siłownik.Przetworniki ultradźwiękowezawierają element piezoelektryczny, który przekształca sygnał elektryczny w wibracje mechaniczne (przesyła tryb lub element wykonawczy) i wibracje mechaniczne na sygnał elektryczny (tryb odbioru lub czujnik) składnik).

Element piezoelektryczny jest zwykle przycinany do 1/2 pożądanej długości fali przetwornika ultradźwiękowego.

Inne typy czujników piezoelektrycznych obejmują:

• Mikrofony piezoelektryczne.
• Przetworniki piezoelektryczne do gitar akustyczno-elektrycznych.
• Fale sonaru. Fale dźwiękowe są generowane i wykrywane przez element piezoelektryczny.
• Elektroniczne pady perkusyjne. Elementy wykrywają uderzenia pałeczek perkusistów w pady.
• Akceleromiografia medyczna. Stosuje się go, gdy dana osoba jest pod narkozą i otrzymała środki zwiotczające mięśnie. Element piezoelektryczny w akceleromiografie wykrywa siłę wytworzoną w mięśniu po stymulacji nerwu.

Jedną z wielkich użyteczności siłowników piezoelektrycznych jest to, że wysokie napięcia pola elektrycznego odpowiadają niewielkim, mikrometrowym zmianom szerokości kryształu piezoelektrycznego. Te mikroodległości sprawiają, że kryształy piezoelektryczne są przydatne jako siłowniki, gdy potrzebne jest małe, dokładne pozycjonowanie obiektów, na przykład w następujących urządzeniach:

• Głośniki
• Silniki piezoelektryczne
• Elektronika laserowa
• Drukarki atramentowe (kryształy napędzają wyrzucanie atramentu z głowicy drukującej na papier)
• Silniki Diesla
• okiennice rentgenowskie

Materiały inteligentne to szeroka klasa materiałów, których właściwości można zmieniać w sposób kontrolowany przez bodziec zewnętrzny, taki jak pH, temperatura, chemikalia, przyłożone pole magnetyczne lub elektryczne, lub naprężenie.Materiały inteligentne nazywane są również inteligentnymi materiałami funkcjonalnymi.​

Materiały piezoelektryczne pasują do tej definicji, ponieważ przyłożone napięcie wytwarza naprężenie w materiał piezoelektryczny i odwrotnie, zastosowanie zewnętrznego naprężenia również wytwarza energię elektryczną w materiał.

Dodatkowe inteligentne materiały obejmują stopy z pamięcią kształtu, materiały halochromowe, materiały magnetokaloryczne, polimery reagujące na temperaturę, materiały fotowoltaiczne i wiele, wiele innych.