Čo sú piezoelektrické materiály?

Ak ste niekedy používali zapaľovač cigariet, podstúpili lekársky ultrazvuk v ordinácii lekára alebo ste zapli plynový horák, použili ste piezoelektriku.

​Piezoelektrické materiály sú materiály, ktoré majú schopnosť generovať vnútorný elektrický náboj z aplikovaného mechanického napätia.Termínpiezoje gréčtina pre výraz „tlačiť“.

Niekoľko prirodzene sa vyskytujúcich látok v prírode demonštruje piezoelektrický efekt. Tie obsahujú:

• Kosť
• Kryštály
• Určitá keramika
• DNA
• Smalt
• Hodváb
• Dentin a mnoho ďalších.

Materiály, ktoré vykazujú piezoelektrický efekt, tiež demonštrujú inverzný piezoelektrický efekt (nazývaný tiež reverzný alebo konverzný piezoelektrický efekt). Theinverzný piezoelektrický javje vnútorné vytváranie mechanického napätia v reakcii na použité elektrické pole.

Kryštály boli prvým materiálom použitým pri skorých experimentoch s piezoelektrinou. Bratia Curieovci, Pierre a Jacquesovci, prvýkrát preukázali priamy piezoelektrický efekt v roku 1880. Bratia rozšírili svoje pracovné znalosti o kryštalických štruktúrach a pyroelektrických materiáloch (materiály, ktoré vytvárajú elektrický náboj v reakcii na zmenu teploty).

Merali povrchové náboje nasledujúcich špecifických kryštálov:

• Trstinový cukor
  
• Turmalín
• Kremeň
• Topaz
• Rochellova soľ (tetrahydrát vínanu sodno-draselného)

Kremeň a Rochellova soľ preukázali najvyššie piezoelektrické účinky.

Bratia Curieovci však nepredpovedali inverzný piezoelektrický jav. Inverzný piezoelektrický jav matematicky odvodil Gabriel Lippmann v roku 1881. Curiesovci potom potvrdili účinok a poskytli kvantitatívny dôkaz reverzibility elektrických, elastických a mechanických deformácií v piezoelektrických kryštáloch.

Do roku 1910 bolo úplne definovaných a publikovaných 20 tried prírodných kryštálov, v ktorých sa vyskytuje piezoelektřina, a publikované vo Woldemar Voigt’sLehrbuch Der Kristallphysik. Ale zostala nejasnou a vysoko technickou oblasťou fyziky bez akýchkoľvek viditeľných technologických alebo komerčných aplikácií.

​Prvá svetová vojna:Prvou technologickou aplikáciou piezoelektrického materiálu bol ultrazvukový ponorkový detektor vytvorený počas prvej svetovej vojny. Doska detektora bola vyrobená z meniča (zariadenie, ktoré transformuje z jedného typu energie na druhý) a typu detektora nazývaného hydrofón. Prevodník bol vyrobený z tenkých kremenných kryštálov prilepených medzi dvoma oceľovými doskami.

Zvučný úspech ponorkového detektora počas vojny podnietil intenzívny technologický rozvoj piezoelektrických zariadení. Po prvej svetovej vojne sa v kazetách fonografov používala piezoelektrická keramika.

​Druhá svetová vojna:Aplikácie piezoelektrických materiálov významne pokročili počas druhej svetovej vojny vďaka nezávislému výskumu Japonska, ZSSR a USA.

Najmä pokrok v chápaní vzťahu medzi kryštálovou štruktúrou a elektromechanická činnosť spolu s ďalším vývojom vo výskume posunula prístup k piezoelektrickému technológie úplne. Po prvýkrát boli inžinieri schopní manipulovať s piezoelektrickými materiálmi pre konkrétnu aplikáciu zariadenia, skôr ako pozorovanie vlastností materiálov a potom hľadanie vhodných aplikácií pozorovaných vlastnosti.

Tento vývoj vytvoril mnoho vojnových aplikácií piezoelektrických materiálov, ako sú napríklad mimoriadne citlivé mikrofóny, výkonné sonarové zariadenia, sonobuoys (malé bóje s možnosťou počúvania hydrofónov a rádiového vysielania na sledovanie pohybu oceánskych plavidiel) a piezoelektrické zapaľovacie systémy pre jeden valec zapaľovania.

Ako už bolo spomenuté vyššie, piezoelektrika je vlastnosť látky vyrábať elektrinu, ak na ňu pôsobí napätie, ako je stlačenie, ohnutie alebo skrútenie.

Keď je piezoelektrický kryštál vystavený stresu, vytvára polarizáciu,P, úmerná stresu, ktorý ho vytvoril.

Thehlavná rovnica piezoelektriky je​

kdedje piezoelektrický koeficient, faktor jedinečný pre každý typ piezoelektrického materiálu. Piezoelektrický koeficient pre kremeň je 3 × 10^-12. Piezoelektrický koeficient pre titaničitan zirkoničitý olovnatý (PZT) je 3 × 10^-10.

Malé posuny iónov v kryštálovej mriežke vytvárajú polarizáciu pozorovanú v piezoelektrike. K tomu dochádza iba v prípade kryštálov, ktoré nemajú stred symetrie.

Nasleduje neúplný zoznam piezoelektrických kryštálov s niekoľkými stručnými popismi ich použitia. Neskôr sa budeme venovať niektorým konkrétnym aplikáciám najbežnejšie používaných piezoelektrických materiálov.

​Prirodzene sa vyskytujúce kryštály:​

• Kremeň. Stabilný kryštál používaný v hodinových kryštáloch a referenčných kryštáloch frekvencií pre rádiové vysielače.
• Sacharóza (stolový cukor)
• Rochelská soľ. S kompresiou vytvára veľké napätie; používané v raných kryštalických mikrofónoch.
• Topaz
• Turmalín
• Berlínčan (AlPO₄). Vzácny fosfátový minerál štrukturálne identický s kremeňom.

​Umelé kryštály:​

• Ortofosforečnan gálnatý (GaPO₄), kremenný analóg.
• Langasite (La₃Ga₅SiO₁₄), kremenný analóg.

​Piezoelektrická keramika:​

• Titaničnan bárnatý (BaTiO₃). Prvá objavená piezoelektrická keramika.
• Titaničitan olovnatý (PbTiO₃)
• Olovo zirkoničitan titaničitý (PZT). V súčasnosti najbežnejšie používaná piezoelektrická keramika.
• Niobát draselný (KNbO₃)
• Niobát lítny (LiNbO₃)
• Lítium tantalát (LiTaO₃)
• Wolfráman sodný (Na₂WO₄)

​Bezolovnatá piezokeramika:​

Nasledujúce materiály boli vyvinuté ako reakcia na obavy zo škodlivého vystavenia olova prostrediu.

• Niobát draselno-sodný (NaKNb). Tento materiál má podobné vlastnosti ako PZT.
• Ferit bizmutu (BiFeO₃)
• Niobát sodný (NaNbO₃)

​Biologické piezoelektrické materiály:​

• Šľacha
• Drevo
• Hodváb
• Smalt
• Dentin
• Kolagén

​Piezoelektrické polyméry:Piezopolyméry sú ľahké a malé rozmery, čím si rastie popularita v oblasti technologických aplikácií.

Polyvinylidénfluorid (PVDF) vykazuje piezoelektrinu, ktorá je niekoľkonásobne väčšia ako kremeň. Často sa používa v lekárskej oblasti, ako je lekárske šitie a lekársky textil.

Piezoelektrické materiály sa používajú vo viacerých priemyselných odvetviach, vrátane:

• Výroba
• Zdravotnícke prístroje
• Telekomunikácie
• Automobilový priemysel
• Informačné technológie (IT)

​Zdroje vysokého napätia:​

• Elektrické zapaľovače cigariet. Keď stlačíte gombík na zapaľovači, gombík spôsobí zasiahnutie malého odpruženého kladiva a piezoelektrický kryštál, produkujúci vysokonapäťový prúd, ktorý preteká cez medzeru na zahriatie a zapálenie plyn.
• Plynové grily alebo sporáky a plynové horáky. Tieto fungujú podobne ako zapaľovač, ale vo väčšom rozsahu.
• Piezoelektrický transformátor. Toto sa používa ako multiplikátor striedavého napätia vo žiarivkách so studenou katódou.

Ultrazvukové prevodníky sa používajú pri bežnom lekárskom zobrazovaní. Aprevodníkje piezoelektrické zariadenie, ktoré funguje ako snímač aj ako spúšťač.Ultrazvukové prevodníkyobsahujú piezoelektrický prvok, ktorý prevádza elektrický signál na mechanické vibrácie (vysielať komponentu ovládacieho prvku) a mechanické vibrácie do elektrického signálu (režim príjmu alebo snímač zložka).

Piezoelektrický prvok sa zvyčajne prerezáva na 1/2 požadovanej vlnovej dĺžky ultrazvukového meniča.

Medzi ďalšie typy piezoelektrických snímačov patria:

• Piezoelektrické mikrofóny.
• Piezoelektrické snímače pre akusticko-elektrické gitary.
• Sonarové vlny. Zvukové vlny sú generované aj snímané piezoelektrickým prvkom.
• Elektronické bicie podložky. Prvky detekujú dopad paličiek bubeníkov na podložky.
• Lekárska akceleromografia. Používa sa, keď je človek v anestézii a boli mu podávané svalové relaxanciá. Piezoelektrický prvok v akcelerografe detekuje silu produkovanú vo svale po nervovej stimulácii.

Jednou z veľkých výhod piezoelektrických akčných členov je to, že vysoké napätie elektrického poľa zodpovedá malým zmenám v šírke piezoelektrického kryštálu mikrometrov. Tieto mikro-vzdialenosti robia piezoelektrické kryštály užitočné ako ovládače, keď je potrebné malé a presné umiestnenie objektov, napríklad v nasledujúcich zariadeniach:

• Reproduktory
• Piezoelektrické motory
• Laserová elektronika
• Atramentové tlačiarne (kryštály riadia vytlačenie atramentu z tlačovej hlavy na papier)
• Dieselové motory
• Röntgenové uzávery

Inteligentné materiály sú širokou triedou materiálov, ktorých vlastnosti je možné meniť kontrolovanou metódou pomocou vonkajší stimul, ako je pH, teplota, chemikálie, aplikované magnetické alebo elektrické pole, alebo stres.Inteligentné materiály sa tiež nazývajú inteligentné funkčné materiály.​

Piezoelektrické materiály zodpovedajú tejto definícii, pretože aplikované napätie vytvára napätie v a piezoelektrický materiál a naopak, použitie vonkajšieho napätia tiež produkuje elektrinu v materiál.

Medzi ďalšie inteligentné materiály patria zliatiny s tvarovou pamäťou, halochrómové materiály, magnetokalorické materiály, polyméry reagujúce na teplotu, fotovoltaické materiály a mnoho ďalších.