Шта су пиезоелектрични материјали?

Ако сте икада користили упаљач за цигарете, искусили медицински ултразвук у лекарској ординацији или укључили горионик на гас, користили сте пиезоелектричност.

​Пиезоелектрични материјали су материјали који имају способност да генеришу унутрашњи електрични набој од примењеног механичког напрезања.Терминпиезоје грчки за „гурање“.

Неколико природних супстанци у природи показују пиезоелектрични ефекат. Ови укључују:

• Боне
• Кристали
• Одређена керамика
• ДНК
• Цаклина
• Свила
• Дентин, и многи други.

Материјали који показују пиезоелектрични ефекат такође показују инверзни пиезоелектрични ефекат (који се назива и обрнути или обратни пиезоелектрични ефекат). Тхеинверзни пиезоелектрични ефекатје унутрашња генерација механичког напрезања као одговор на примењено електрично поље.

Кристали су први материјал који се користио у раним експериментима са пиезоелектричношћу. Браћа Цурие, Пиерре и Јацкуес, први пут су доказали директни пиезоелектрични ефекат 1880. године. Браћа су проширила своје радно знање о кристалним структурама и пироелектричним материјалима (материјали који генеришу електрични набој као одговор на промену температуре).

Измерили су површинске наелектрисања следећих специфичних кристала:

• Шећер од шећерне трске
  
• Турмалин
• Кварц
• Топаз
• Рошел сол (натријум калијум тартрат тетрахидрат)

Кварцна и Рошел сол показале су највише пиезоелектричне ефекте.

Међутим, браћа Цурие нису предвидела инверзни пиезоелектрични ефекат. Обрнути пиезоелектрични ефекат математички је извео Габриел Липпманн 1881. године. Кури је тада потврдио ефекат и пружио квантитативни доказ о реверзибилности електричних, еластичних и механичких деформација у пиезоелектричним кристалима.

До 1910. године 20 класа природних кристала у којима се јавља пиезоелектричност потпуно је дефинисано и објављено у Волдемар Воигт’сЛехрбуцх Дер Кристаллпхисик. Али остало је опскурно и високотехничко нишно подручје физике без видљивих технолошких или комерцијалних примена.

​Први светски рат:Прва технолошка примена пиезоелектричног материјала био је ултразвучни подморски детектор створен током Првог светског рата. Детекторска плоча је направљена од претварача (уређаја који трансформише из једне врсте енергије у другу) и типа детектора који се назива хидрофон. Претварач је направљен од танких кристала кварца залепљених између две челичне плоче.

Звучни успех ултразвучног подморског детектора током рата подстакао је интензиван технолошки развој пиезоелектричних уређаја. После Првог светског рата, у патронама фонографа коришћена је пиезоелектрична керамика.

​Други светски рат:Примене пиезоелектричних материјала значајно су напредовале током Другог светског рата захваљујући независним истраживањима Јапана, СССР-а и Сједињених Држава.

Конкретно, напредак у разумевању односа између кристалне структуре и електромеханичка активност, заједно са осталим развојним достигнућима, преусмерила је приступ ка пиезоелектричној технологија у потпуности. По први пут инжењери су могли да манипулишу пиезоелектричним материјалима за одређену примену уређаја, него посматрање својстава материјала и затим тражење погодних примена посматраног својства.

Овај развој створио је многе апликације повезане с ратом пиезоелектричних материјала као што су супер осетљиви микрофони, моћни сонарни уређаји, сонобуви (мали плутаче са могућностима слушања хидрофона и могућностима радио преноса за надгледање кретања океанских пловила) и пиезо системи паљења за једноцилиндричне паљења.

Као што је горе поменуто, пиезоелектричност је својство супстанце да производи електричну енергију ако се на њу примени стрес као што је стезање, савијање или увртање.

Када је изложен стресу, пиезоелектрични кристал производи поларизацију,П., сразмерно стресу који га је створио.

Тхеглавна једначина пиезоелектричности је​

гдедје пиезоелектрични коефицијент, фактор јединствен за сваку врсту пиезоелектричног материјала. Пиезоелектрични коефицијент за кварц је 3 × 10^-12. Пиезоелектрични коефицијент за оловни цирконат титанат (ПЗТ) је 3 × 10^-10.

Мала померања јона у кристалној решетци стварају поларизацију уочену у пиезоелектричности. То се дешава само код кристала који немају центар симетрије.

Следи неисцрпна листа пиезоелектричних кристала са неким кратким описима њихове употребе. О неким конкретним применама најчешће коришћених пиезоелектричних материјала разговараћемо касније.

​Кристали који се јављају у природи:​

• Кварц. Стабилни кристал који се користи у кристалима сатова и референтним кристалима фреквенције за радио предајнике.
• Сахароза (стони шећер)
• Роцхелле сол. Производи велики напон са компресијом; користи се у раним кристалним микрофонима.
• Топаз
• Турмалин
• Берлините (АлПО₄). Ретки минерал фосфата структурно идентичан кварцу.

​Вештачки кристали:​

• Галијум ортофосфат (ГаПО₄), аналог кварца.
• Лангасит (Ла₃Га₅СиО₁₄), аналог кварца.

​Пиезоелектрична керамика:​

• Баријев титанат (БаТиО₃). Прва откривена пиезоелектрична керамика.
• Оловни титанат (ПбТиО₃)
• Оловни цирконат титанат (ПЗТ). Тренутно најчешће коришћена пиезоелектрична керамика.
• Калијум ниобат (КНбО₃)
• Литијум-ниобат (ЛиНбО₃)
• Литијум танталат (ЛиТаО₃)
• Натријум волфрам (На₂ВО₄)

​Пиезокерамика без олова:​

Следећи материјали су развијени као одговор на забринутост због штетне изложености олова у животној средини.

• Натријум калијум ниобат (НаКНб). Овај материјал има својства слична ПЗТ-у.
• Бизмут-ферит (БиФеО₃)
• Натријум ниобат (НаНбО₃)

​Биолошки пиезоелектрични материјали:​

• Тетива
• Дрво
• Свила
• Цаклина
• Дентин
• Колаген

​Пиезоелектрични полимери:Пиезополимери су лагани и малих димензија, што повећава популарност за технолошку примену.

Поливинилиден флуорид (ПВДФ) показује пиезоелектричност која је неколико пута већа од кварца. Често се користи у медицинској области као што је медицинско шивање и медицински текстил.

Пиезоелектрични материјали се користе у више индустрија, укључујући:

• Производња
• Медицински апарати
• Телекомуникације
• Аутомотиве
• Информациона технологија (ИТ)

​Високонапонски извори напајања:​

• Електрични упаљачи. Када притиснете дугме на упаљачу, дугме узрокује ударац малог чекића са опругом пиезоелектрични кристал, производећи високонапонску струју која протиче кроз зазор да би се загревала и запалила гасни.
• Плински роштиљи или шпорети и горионици на гас. Они раде слично упаљачу, али у већем обиму.
• Пиезоелектрични трансформатор. Ово се користи као мултипликатор наизменичног напона у флуоресцентним лампама са хладном катодом.

Ултразвучни претварачи се користе у рутинским медицинским снимањима. А.претварачје пиезоелектрични уређај који делује и као сензор и као покретач.Ултразвучни претварачисадрже пиезоелектрични елемент који претвара електрични сигнал у механичке вибрације (преноси начин рада или компонента актуатора) и механичке вибрације у електрични сигнал (начин пријема или сензор саставни део).

Пиезоелектрични елемент се обично пресече на 1/2 жељене таласне дужине ултразвучног претварача.

Остале врсте пиезоелектричних сензора укључују:

• Пиезоелектрични микрофони.
• Пиезоелектрични пицкупи за акустично-електричне гитаре.
• Сонарни таласи. Пиезоелектрични елемент генерише и осећа звучне таласе.
• Електронски бубњеви. Елементи детектују удар палице бубњара о јастучиће.
• Медицинска акцелеромиографија. Ово се користи када је особа под анестезијом и када су јој давани релаксанти мишића. Пиезоелектрични елемент у акцелеромиографу открива силу која се ствара у мишићу након стимулације нерва.

Једна од великих корисности пиезоелектричних актуатора је та што високи напони електричног поља одговарају малим, микрометарским променама у ширини пиезоелектричног кристала. Ова микро-растојања чине пиезоелектричне кристале корисним као покретаче када је потребно ситно и тачно позиционирање предмета, као на пример у следећим уређајима:

• Звучници
• Пиезоелектрични мотори
• Ласерска електроника
• Инкјет штампачи (кристали избацују мастило из главе штампача на папир)
• Дизел мотори
• Рендгенске ролете

Паметни материјали су широка класа материјала чија се својства могу контролисаном методом променити спољни стимулус као што су пХ, температура, хемикалије, примењено магнетно или електрично поље, или стрес.Паметни материјали називају се и интелигентни функционални материјали.​

Пиезоелектрични материјали се уклапају у ову дефиницију јер примењени напон ствара напрезање у а пиезоелектричног материјала, и обрнуто, примена спољног напона такође производи електричну енергију у материјал.

Додатни паметни материјали укључују легуре за памћење облика, халохромне материјале, магнетокалоричне материјале, полимере који реагују на температуру, фотонапонске материјале и многе, многе друге.