Что такое пьезоэлектрические материалы?

Если вы когда-либо пользовались зажигалкой, проходили медицинское УЗИ в кабинете врача или включали газовую горелку, вы использовали пьезоэлектричество.

​Пьезоэлектрические материалы - это материалы, которые обладают способностью генерировать внутренний электрический заряд от приложенного механического напряжения.Терминпьезов переводе с греческого означает «толкать».

Некоторые природные вещества демонстрируют пьезоэлектрический эффект. Это включает:

• Кость
• Кристаллы
• Определенная керамика
• ДНК
• Эмаль
• Шелк
• Дентин и многое другое.

Материалы, которые демонстрируют пьезоэлектрический эффект, также демонстрируют обратный пьезоэлектрический эффект (также называемый обратным или обратным пьезоэлектрическим эффектом). Вобратный пьезоэлектрический эффектэто внутреннее создание механической деформации в ответ на приложенное электрическое поле.

Кристаллы были первым материалом, использованным в ранних экспериментах с пьезоэлектричеством. Братья Кюри, Пьер и Жак впервые доказали прямой пьезоэлектрический эффект в 1880 году. Братья расширили свои практические знания о кристаллических структурах и пироэлектрических материалах (материалах, которые генерируют электрический заряд в ответ на изменение температуры).

Они измерили поверхностные заряды следующих конкретных кристаллов:

• Тростниковый сахар
  
• Турмалин
• Кварцевый
• Топаз
• Рошель соль (тетрагидрат тартрата натрия и калия)

Кварц и соль Рошеля продемонстрировали самые высокие пьезоэлектрические эффекты.

Однако братья Кюри не предсказывали обратный пьезоэлектрический эффект. Обратный пьезоэлектрический эффект был математически выведен Габриэлем Липпманном в 1881 году. Затем Кюри подтвердили эффект и предоставили количественное доказательство обратимости электрических, упругих и механических деформаций в пьезоэлектрических кристаллах.

К 1910 году 20 классов природных кристаллов, в которых присутствует пьезоэлектричество, были полностью определены и опубликованы в Woldemar Voigt.Lehrbuch Der Kristallphysik. Но это оставалось малоизвестной и высокотехнологичной нишевой областью физики без каких-либо видимых технологических или коммерческих приложений.

​Первая Мировая Война:Первым технологическим применением пьезоэлектрического материала стал ультразвуковой подводный детектор, созданный во время Первой мировой войны. Пластина детектора была сделана из преобразователя (устройства, которое преобразует один тип энергии в другой) и типа детектора, называемого гидрофоном. Преобразователь был изготовлен из тонких кристаллов кварца, вклеенных между двумя стальными пластинами.

Огромный успех ультразвукового детектора подводных лодок во время войны стимулировал интенсивное технологическое развитие пьезоэлектрических устройств. После Первой мировой войны пьезокерамика использовалась в картриджах фонографов.

​Вторая Мировая Война:Применение пьезоэлектрических материалов значительно расширилось во время Второй мировой войны благодаря независимым исследованиям Японии, СССР и США.

В частности, достижения в понимании взаимосвязи между кристаллической структурой и электромеханическая деятельность наряду с другими достижениями в исследованиях сместила подход к пьезоэлектрическим технология целиком. Впервые инженеры смогли манипулировать пьезоэлектрическими материалами для конкретного применения устройства, вместо того, чтобы наблюдать за свойствами материалов, а затем искать подходящие применения наблюдаемых характеристики.

Эта разработка позволила создать множество связанных с войной применений пьезоэлектрических материалов, таких как сверхчувствительные микрофоны, мощные гидроакустические устройства, гидроакустические буи (малые буи с гидрофоном для прослушивания и радиопередачей для наблюдения за движением океанских судов) и пьезоэлектрические системы зажигания для одноцилиндрового двигателя. возгораний.

Как упоминалось выше, пьезоэлектричество - это свойство вещества генерировать электричество, если к нему приложено напряжение, такое как сжатие, изгиб или скручивание.

Под напряжением пьезоэлектрический кристалл создает поляризацию,п, пропорционально вызвавшему его напряжению.

ВОсновное уравнение пьезоэлектричества:​

гдеd- пьезоэлектрический коэффициент, коэффициент, уникальный для каждого типа пьезоэлектрического материала. Пьезоэлектрический коэффициент для кварца составляет 3 × 10^-12. Пьезоэлектрический коэффициент для цирконата-титаната свинца (PZT) составляет 3 × 10^-10.

Небольшие смещения ионов в кристаллической решетке создают поляризацию, наблюдаемую в пьезоэлектричестве. Это происходит только в кристаллах, не имеющих центра симметрии.

Ниже приводится неполный список пьезоэлектрических кристаллов с некоторыми краткими описаниями их использования. Позже мы обсудим некоторые конкретные применения наиболее часто используемых пьезоэлектрических материалов.

​Кристаллы природного происхождения:​

• Кварц. Стабильный кристалл, используемый в кристаллах часов и кристаллах эталона частоты для радиопередатчиков.
• Сахароза (столовый сахар)
• Рошельская соль. Выдает большое напряжение со сжатием; использовался в ранних кристаллических микрофонах.
• Топаз
• Турмалин
• Берлинит (AlPO₄). Редкий фосфатный минерал, структурно идентичный кварцу.

​Искусственные кристаллы:​

• Ортофосфат галлия (GaPO₄), кварцевый аналог.
• Лангасит (Ла₃Ga₅SiO₁₄), кварцевый аналог.

​Пьезоэлектрическая керамика:​

• Титанат бария (BaTiO₃). Открыта первая пьезоэлектрическая керамика.
• Свинец титанат (PbTiO₃)
• Цирконат титанат свинца (PZT). В настоящее время наиболее часто используется пьезоэлектрическая керамика.
• Ниобат калия (KNbO₃)
• Ниобат лития (LiNbO₃)
• Танталат лития (LiTaO₃)
• Вольфрамат натрия (Na₂WO₄)

​Бессвинцовая пьезокерамика:​

Следующие ниже материалы были разработаны в ответ на опасения по поводу вредного воздействия свинца на окружающую среду.

• Ниобат натрия-калия (NaKNb). Этот материал имеет свойства, аналогичные PZT.
• Феррит висмута (BiFeO₃)
• Ниобат натрия (NaNbO₃)

​Биологические пьезоэлектрические материалы:​

• Сухожилие
• Древесина
• Шелк
• Эмаль
• Дентин
• Коллаген

​Пьезоэлектрические полимеры:Пьезополимеры легкие и небольшие по размеру, поэтому их популярность в технологических приложениях растет.

Поливинилиденфторид (ПВДФ) демонстрирует пьезоэлектричество, которое в несколько раз больше, чем у кварца. Он часто используется в медицине, например, для наложения швов и медицинского текстиля.

Пьезоэлектрические материалы используются во многих отраслях промышленности, в том числе:

• Производство
• Медицинское оборудование
• Телекоммуникации
• Автомобильная промышленность
• Информационные технологии (IT)

​Источники питания высокого напряжения:​

• Электрические зажигалки. Когда вы нажимаете кнопку на зажигалке, кнопка заставляет небольшой подпружиненный молоток ударить пьезоэлектрический кристалл, производящий ток высокого напряжения, который течет через зазор, нагревая и зажигая газ.
• Газовые грили или плиты и газовые горелки. Они работают так же, как и зажигалки, но в большем масштабе.
• Пьезоэлектрический преобразователь. Он используется в качестве умножителя переменного напряжения в люминесцентных лампах с холодным катодом.

Ультразвуковые преобразователи используются в повседневной медицинской визуализации. Апреобразовательпредставляет собой пьезоэлектрическое устройство, которое действует как датчик и как исполнительный механизм.Датчики ультразвукасодержат пьезоэлемент, который преобразует электрический сигнал в механическую вибрацию (передает режим или компонент исполнительного механизма) и механическую вибрацию в электрический сигнал (режим приема или датчик составная часть).

Пьезоэлектрический элемент обычно разрезают на 1/2 желаемой длины волны ультразвукового преобразователя.

К другим типам пьезоэлектрических датчиков относятся:

• Пьезоэлектрические микрофоны.
• Пьезоэлектрические звукосниматели для электроакустических гитар.
• Сонарные волны. Звуковые волны генерируются и воспринимаются пьезоэлектрическим элементом.
• Электронные барабанные пэды. Элементы обнаруживают удар палочек барабанщиков о пэды.
• Медицинская акселеромиография. Это используется, когда человек находится под наркозом и ему вводят миорелаксанты. Пьезоэлектрический элемент в акселеромиографе определяет силу, возникающую в мышце после нервной стимуляции.

Одно из преимуществ пьезоэлектрических приводов состоит в том, что высокое напряжение электрического поля соответствует крошечным микрометровым изменениям ширины пьезоэлектрического кристалла. Эти микромассы делают пьезоэлектрические кристаллы полезными в качестве исполнительных механизмов, когда требуется точное позиционирование крошечных объектов, например, в следующих устройствах:

• Музыкальные колонки
• Пьезоэлектрические двигатели
• Лазерная электроника
• Струйные принтеры (кристаллы управляют выбросом чернил от печатающей головки на бумагу)
• Дизельные двигатели
• Рентгеновские ставни

Умные материалы - это широкий класс материалов, свойства которых могут быть изменены контролируемым методом с помощью внешний раздражитель, такой как pH, температура, химические вещества, приложенное магнитное или электрическое поле, или стресс.Умные материалы также называют интеллектуальными функциональными материалами.​

Пьезоэлектрические материалы соответствуют этому определению, потому что приложенное напряжение создает напряжение в пьезоэлектрический материал, и, наоборот, приложение внешнего напряжения также производит электричество в материал.

Дополнительные интеллектуальные материалы включают сплавы с памятью формы, галохромные материалы, магнитокалорические материалы, термочувствительные полимеры, фотоэлектрические материалы и многие, многие другие.