Kaj so piezoelektrični materiali?

Če ste kdaj uporabili vžigalnik, doživeli medicinski ultrazvok v zdravniški ordinaciji ali vklopili plinski gorilnik, ste uporabili piezoelektričnost.

​Piezoelektrični materiali so materiali, ki lahko povzročijo notranji električni naboj zaradi mehanskih obremenitev.Izrazpiezoje grško za "push".

Nekaj ​​naravnih snovi v naravi kaže piezoelektrični učinek. Tej vključujejo:

• Kost
• Kristali
• Določena keramika
• DNK
• Emajl
• Svila
• Dentin in še veliko več.

Materiali, ki kažejo piezoelektrični učinek, kažejo tudi inverzni piezoelektrični učinek (imenovan tudi obratni ali obratni piezoelektrični učinek). Theinverzni piezoelektrični učinekje notranja generacija mehanskih deformacij kot odziv na uporabljeno električno polje.

Kristali so bili prvi material, uporabljen v zgodnjih poskusih s piezoelektričnostjo. Brata Curie, Pierre in Jacques, sta prvič dokazala neposreden piezoelektrični učinek leta 1880. Bratje so razširili svoje delovno znanje o kristalnih strukturah in piroelektričnih materialih (materiali, ki ustvarjajo električni naboj kot odziv na temperaturno spremembo).

Izmerili so površinske naboje naslednjih specifičnih kristalov:

• Trsni sladkor
  
• Turmalin
• Kremen
• Topaz
• Sol Rochelle (natrijev kalijev tartrat tetrahidrat)

Kvarčna in rochellova sol sta pokazali najvišje piezoelektrične učinke.

Brata Curie pa nista napovedala obratnega piezoelektričnega učinka. Inverzni piezoelektrični učinek je matematično ugotovil Gabriel Lippmann leta 1881. Nato je Curyi potrdil učinek in predložil količinski dokaz o reverzibilnosti električnih, elastičnih in mehanskih deformacij v piezoelektričnih kristalih.

Do leta 1910 je bilo 20 razredov naravnih kristalov, v katerih se pojavlja piezoelektričnost, popolnoma opredeljenih in objavljenih v knjigi Woldemarja VoigtaLehrbuch Der Kristallphysik. Vendar je ostalo nejasno in zelo tehnično nišno področje fizike brez vidnih tehnoloških ali komercialnih aplikacij.

​Prva svetovna vojna:Prva tehnološka aplikacija piezoelektričnega materiala je bil ultrazvočni podmorski detektor, ustvarjen med prvo svetovno vojno. Detektorska plošča je bila izdelana iz pretvornika (naprava, ki prehaja iz ene vrste energije v drugo) in vrste detektorja, imenovanega hidrofon. Pretvornik je bil izdelan iz tankih kristalov kremena, prilepljenih med dvema jeklenima ploščama.

Odmeven uspeh ultrazvočnega podmorskega detektorja med vojno je spodbudil močan tehnološki razvoj piezoelektričnih naprav. Po prvi svetovni vojni je bila v vložkih fonografov uporabljena piezoelektrična keramika.

​Druga svetovna vojna:Uporaba piezoelektričnih materialov je med drugo svetovno vojno bistveno napredovala zaradi neodvisnih raziskav Japonske, ZSSR in ZDA.

Zlasti napredek v razumevanju razmerja med kristalno strukturo in elektromehanska dejavnost je skupaj z drugimi razvojnimi dosežki preusmerila pristop k piezoelektriki tehnologija v celoti. Inženirji so prvič lahko manipulirali s piezoelektričnimi materiali za določeno aplikacijo naprave, ne pa opazovati lastnosti materialov in nato iskati primerne uporabe opazovanega lastnosti.

Ta razvoj je ustvaril veliko aplikacij piezoelektričnih materialov, kot so super občutljivi mikrofoni, močne sonarne naprave, sonobuji (majhne) boje z možnostjo poslušanja hidrofona in radijskim prenosom za spremljanje gibanja oceanskih plovil) in piezo vžigalni sistemi za enovaljnik vžigi.

Kot smo že omenili, je piezoelektričnost lastnost snovi, da proizvaja elektriko, če nanjo deluje stres, kot je stiskanje, upogibanje ali sukanje.

Ko je piezoelektrični kristal pod napetostjo, povzroči polarizacijo,P, sorazmerno stresu, ki ga je povzročil.

Theglavna enačba piezoelektričnosti je​

kjedje piezoelektrični koeficient, faktor, ki je edinstven za vsako vrsto piezoelektričnega materiala. Piezoelektrični koeficient za kremen je 3 × 10^-12. Piezoelektrični koeficient za svinčev cirkonat titanat (PZT) je 3 × 10^-10.

Majhni premiki ionov v kristalni rešetki ustvarjajo polarizacijo, opaženo v piezoelektričnosti. To se zgodi samo v kristalih, ki nimajo središča simetrije.

Sledi neizčrpen seznam piezoelektričnih kristalov z nekaj kratkimi opisi njihove uporabe. O nekaterih posebnih aplikacijah najpogosteje uporabljenih piezoelektričnih materialov bomo razpravljali pozneje.

​Naravni kristali:​

• Kremen. Stabilen kristal, ki se uporablja v kristalih za gledanje in referenčnih kristalih frekvence za radijske oddajnike.
• Saharoza (namizni sladkor)
• Sol Rochelle. Proizvaja veliko napetost s stiskanjem; uporabljajo v zgodnjih kristalnih mikrofonih.
• Topaz
• Turmalin
• Berlinite (AlPO₄). Redki fosfatni minerali, strukturno enaki kremenu.

​Umetni kristali:​

• Galijev ortofosfat (GaPO₄), kremenov analog.
• Langasit (La₃Ga₅SiO₁₄), kremenov analog.

​Piezoelektrična keramika:​

• Barijev titanat (BaTiO₃). Prva odkrita piezoelektrična keramika.
• Svinčev titanat (PbTiO₃)
• Svinčev cirkonat titanat (PZT). Trenutno najpogosteje uporabljena piezoelektrična keramika.
• Kalijev niobat (KNbO₃)
• Litijev niobat (LiNbO₃)
• Litijev tantalat (LiTaO₃)
• Natrijev volframat (Na₂WO₄)

​Piezokeramika brez svinca:​

Naslednji materiali so bili razviti kot odgovor na pomisleke glede škodljive izpostavljenosti svinca v okolju.

• Natrijev kalijev niobat (NaKNb). Ta material ima lastnosti, podobne PZT.
• Bizmutov ferit (BiFeO₃)
• Natrijev niobat (NaNbO₃)

​Biološki piezoelektrični materiali:​

• Tetiva
• Les
• Svila
• Emajl
• Dentin
• Kolagen

​Piezoelektrični polimeri:Piezopolimeri so lahki in majhni, zato postajajo vse bolj priljubljeni za tehnološko uporabo.

Poliviniliden fluorid (PVDF) kaže piezoelektričnost, ki je nekajkrat večja od kremena. Pogosto se uporablja na medicinskem področju, kot je medicinsko šivanje in medicinski tekstil.

Piezoelektrični materiali se uporabljajo v več panogah, vključno z:

• Predelovalne dejavnosti
• Medicinske naprave
• Telekomunikacije
• Avtomobilizem
• Informacijska tehnologija (IT)

​Visokonapetostni viri energije:​

• Električni vžigalniki. Ko pritisnete gumb na vžigalniku, gumb povzroči, da majhno vzmetno kladivo pritisne na piezoelektrični kristal, ki proizvaja visokonapetostni tok, ki teče čez režo za ogrevanje in vžig plin.
• Plinski žari ali štedilniki in plinski gorilniki. Ti delujejo podobno kot vžigalniki, vendar v večjem obsegu.
• Piezoelektrični transformator. Ta se uporablja kot multiplikator izmenične napetosti v fluorescenčnih sijalkah s hladno katodo.

Ultrazvočni pretvorniki se uporabljajo za rutinsko medicinsko slikanje. Apretvornikje piezoelektrična naprava, ki deluje hkrati kot senzor in kot aktuator.Ultrazvočni pretvornikivsebujejo piezoelektrični element, ki pretvori električni signal v mehanske vibracije (oddaj način ali komponenta pogona) in mehanske vibracije v električni signal (sprejemni način ali senzor komponenta).

Piezoelektrični element se običajno razreže na 1/2 želene valovne dolžine ultrazvočnega pretvornika.

Druge vrste piezoelektričnih senzorjev vključujejo:

• Piezoelektrični mikrofoni.
• Piezoelektrični pickupi za akustično-električne kitare.
• Sonarni valovi. Zvočne valove ustvarja in zaznava piezoelektrični element.
• Elektronske bobnične blazinice. Elementi zaznajo vpliv palic bobnarjev na blazinice.
• Medicinska akceleromiografija. Uporablja se, kadar je oseba pod anestezijo in je prejela mišične relaksante. Piezoelektrični element v akceleromiografu zazna silo, ki nastane v mišici po stimulaciji živca.

Ena največjih uporabnosti piezoelektričnih aktuatorjev je, da visoke napetosti električnega polja ustrezajo majhnim, mikrometrskim spremembam širine piezoelektričnega kristala. Zaradi teh mikro razdalj so piezoelektrični kristali uporabni kot aktuatorji, kadar je potrebno majhno in natančno pozicioniranje predmetov, na primer v naslednjih napravah:

• Zvočniki
• Piezoelektrični motorji
• Laserska elektronika
• Brizgalni tiskalniki (kristali poganjajo izmet črnila iz tiskalne glave na papir)
• Dizelski motorji
• Rentgenske rolete

Pametni materiali so širok razred materialov, katerih lastnosti je mogoče nadzorovano spreminjati z zunanji dražljaj, kot so pH, temperatura, kemikalije, uporabljeno magnetno ali električno polje, ali stres.Pametnim materialom pravimo tudi inteligentni funkcionalni materiali.​

Piezoelektrični materiali ustrezajo tej definiciji, ker uporabljena napetost povzroča napetost v a piezoelektričnega materiala, in nasprotno, uporaba zunanjih napetosti proizvaja tudi elektriko v material.

Dodatni pametni materiali vključujejo zlitine za spomin na oblike, halokromne materiale, magnetokalorične materiale, temperaturno odzivne polimere, fotovoltaične materiale in še veliko več.