Vad är piezoelektriska material?

Om du någonsin har använt en cigarettändare, upplevt medicinsk ultraljud på läkarmottagning eller tänt en gasbrännare, har du använt piezoelektricitet.

​Piezoelektriska material är material som har förmågan att generera intern elektrisk laddning från applicerad mekanisk spänning.Termenpiezoär grekiska för "push".

Flera naturligt förekommande ämnen i naturen visar den piezoelektriska effekten. Dessa inkluderar:

• Ben
• Kristaller
• Viss keramik
• DNA
• Emalj
• Silke
• Dentin och många fler.

Material som uppvisar den piezoelektriska effekten visar också den inversa piezoelektriska effekten (även kallad den omvända eller omvända piezoelektriska effekten). Deinvers piezoelektrisk effektär den inre genereringen av mekanisk belastning som svar på ett applicerat elektriskt fält.

Kristaller var det första materialet som användes tidigt i experiment med piezoelektricitet. Bröderna Curie, Pierre och Jacques, bevisade först den direkta piezoelektriska effekten 1880. Bröderna utökade sin kunskap om kristallina strukturer och pyroelektriska material (material som genererar en elektrisk laddning som svar på en temperaturförändring).

De mätte ytladdningarna för följande specifika kristaller:

• Rörsocker
  
• Turmalin
• Kvarts
• Topas
• Rochelle salt (natriumkaliumtartrat tetrahydrat)

Kvarts- och Rochelle-salt visade de högsta piezoelektriska effekterna.

Men Curie-bröderna förutspådde inte den inversa piezoelektriska effekten. Den inversa piezoelektriska effekten drogs matematiskt av Gabriel Lippmann 1881. Curies bekräftade sedan effekten och gav kvantitativa bevis på reversibiliteten hos elektriska, elastiska och mekaniska deformationer i piezoelektriska kristaller.

År 1910 definierades de 20 naturliga kristallklasserna där piezoelektricitet förekommer fullständigt och publicerades i Woldemar Voigt'sLehrbuch Der Kristallphysik. Men det förblev ett oklart och högtekniskt nischområde inom fysik utan synliga tekniska eller kommersiella tillämpningar.

​Första världskriget:Den första tekniska tillämpningen av ett piezoelektriskt material var ultraljuds ubåtdetektor skapad under första världskriget. Detektorplattan tillverkades av en givare (en anordning som omvandlas från en typ av energi till en annan) och en typ av detektor som kallas en hydrofon. Omvandlaren var gjord av tunna kvartskristaller limmade mellan två stålplattor.

Den rungande framgången för ultraljud ubåtsdetektorn under kriget stimulerade intensiv teknisk utveckling av piezoelektriska enheter. Efter första världskriget användes piezoelektrisk keramik i tonerkassetterna.

​Andra världskriget:Tillämpningar av piezoelektriska material avancerade avsevärt under andra världskriget på grund av oberoende forskning från Japan, Sovjetunionen och USA.

I synnerhet framsteg i förståelsen av förhållandet mellan kristallstruktur och elektromekanisk aktivitet tillsammans med annan utveckling inom forskningen skiftade tillvägagångssättet mot piezoelektrisk teknik helt. För första gången kunde ingenjörer manipulera piezoelektriska material för en specifik enhetsapplikation, snarare än att observera egenskaperna hos materialen och sedan söka efter lämpliga tillämpningar av det observerade egenskaper.

Denna utveckling skapade många krigsrelaterade applikationer av piezoelektriska material som superkänsliga mikrofoner, kraftfulla ekolodsenheter, sonoboys (små bojar med hydrofonlyssnings- och radiosändningsmöjligheter för övervakning av havsfartygs rörelse) och piezotändningssystem för encylindrig tändningar.

Som nämnts ovan är piezoelektricitet egenskapen hos ett ämne för att generera elektricitet om en stress som klämning, böjning eller vridning appliceras på den.

När den placeras under stress producerar den piezoelektriska kristallen en polarisering,P, proportionell mot den stress som producerade den.

Dehuvudekvationen för piezoelektricitet är​

vardär den piezoelektriska koefficienten, en faktor som är unik för varje typ av piezoelektriskt material. Den piezoelektriska koefficienten för kvarts är 3 × 10^-12. Den piezoelektriska koefficienten för blyzirkonattitanat (PZT) är 3 × 10^-10.

Små förskjutningar av joner i kristallgitteret skapar polarisationen som observeras i piezoelektricitet. Detta sker bara i kristaller som inte har ett symmetricentrum.

Följande är en icke-omfattande lista över piezoelektriska kristaller med några korta beskrivningar av deras användning. Vi diskuterar några specifika tillämpningar av de mest använda piezoelektriska materialen senare.

​Naturligt förekommande kristaller:​

• Kvarts. En stabil kristall som används i klockkristaller och frekvensreferenskristaller för radiosändare.
• Sackaros (bordssocker)
• Rochelle salt. Producerar en stor spänning med kompression; används i tidiga kristallmikrofoner.
• Topas
• Turmalin
• Berlinite (AlPO₄). Ett sällsynt fosfatmineral som är strukturellt identiskt med kvarts.

​Konstgjorda kristaller:​

• Galliumortofosfat (GaPO₄), en kvartsanalog.
• Langasite (La₃Ga₅SiO₁₄), en kvartsanalog.

​Piezoelektrisk keramik:​

• Bariumtitanat (BaTiO₃). Den första piezoelektriska keramiken som upptäcktes.
• Blytitanat (PbTiO₃)
• Bly zirkonat titanat (PZT). För närvarande den mest använda piezoelektriska keramiken.
• Kaliumniobat (KNbO₃)
• Litiumniobat (LiNbO₃)
• Litiumtantal (LiTaO₃)
• Natriumvolframat (Na₂WO₄)

​Blyfri piezokeramik:​

Följande material utvecklades som svar på oro över skadlig miljöexponering för bly.

• Natriumkaliumniobat (NaKNb). Detta material har egenskaper som liknar PZT.
• Vismutferrit (BiFeO₃)
• Natriumniobat (NaNbO₃)

​Biologiska piezoelektriska material:​

• Sena
• Trä
• Silke
• Emalj
• Dentin
• Kollagen

​Piezoelektriska polymerer:Piezopolymerer är lätta och små i storlek, vilket ökar i popularitet för teknisk tillämpning.

Polyvinylidenfluorid (PVDF) visar piezoelektricitet som är flera gånger större än kvarts. Det används ofta inom det medicinska området såsom i medicinsk suturering och medicinska textilier.

Piezoelektriska material används i flera industrier, inklusive:

• Tillverkning
• Medicinska apparater
• Telekommunikation
• Bil
• Informationsteknik (IT)

​Högspänningskällor:​

• Elektriska cigarettändare. När du trycker på knappen på en tändare, orsakar knappen att en liten fjäderbelastad hammare träffar a piezoelektrisk kristall, som producerar en högspänningsström som flyter över ett gap för att värma upp och antända gas.
• Gasgrillar eller spisar och gasbrännare. Dessa fungerar på samma sätt som tändaren, men i större skala.
• Piezoelektrisk transformator. Detta används som växelströmsmultiplikator i lysrör med kall katod.

Ultraljudsgivare används vid rutinmässig medicinsk bildbehandling. Agivareär en piezoelektrisk anordning som fungerar som både en sensor och ett ställdon.Ultraljudsgivareinnehåller ett piezoelektriskt element som omvandlar en elektrisk signal till mekanisk vibration (sända läge eller ställdonskomponent) och mekanisk vibration till elektrisk signal (mottagningsläge eller sensor komponent).

Det piezoelektriska elementet skärs vanligtvis till 1/2 av den önskade våglängden för ultraljudsomvandlaren.

Andra typer av piezoelektriska sensorer inkluderar:

• Piezoelektriska mikrofoner.
• Piezoelektriska pickups för akustisk-elektriska gitarrer.
• Ekolodsvågor. Ljudvågorna genereras och känns av det piezoelektriska elementet.
• Elektroniska trumkuddar. Elementen upptäcker inverkan av trummisarna på kuddarna.
• Medicinsk acceleromyografi. Detta används när en person är i narkos och har fått muskelavslappnande medel. Det piezoelektriska elementet i acceleromyografen upptäcker kraft som produceras i en muskel efter nervstimulering.

Ett av de stora användningsområdena för piezoelektriska ställdon är att höga elektriska fältspänningar motsvarar små, mikrometerförändringar i den piezoelektriska kristallens bredd. Dessa mikroavstånd gör piezoelektriska kristaller användbara som manöverdon när det behövs liten, exakt positionering av föremål, såsom i följande enheter:

• Högtalare
• Piezoelektriska motorer
• Laserelektronik
• Bläckstråleskrivare (kristaller driver utmatningen av bläck från skrivhuvudet till papperet)
• Dieselmotorer
• Röntgenluckor

Smarta material är en bred klass av material vars egenskaper kan ändras i en kontrollerad metod med en extern stimulans såsom pH, temperatur, kemikalier, ett applicerat magnetiskt eller elektriskt fält, eller påfrestning.Smarta material kallas också intelligenta funktionella material.​

Piezoelektriska material passar denna definition eftersom en applicerad spänning producerar en spänning i a piezoelektriskt material, och omvänt, appliceringen av en yttre spänning producerar också elektricitet i Materialet.

Ytterligare smarta material inkluderar formminneslegeringar, halokroma material, magnetokaloriska material, temperaturresponsiva polymerer, solcellsmaterial och många, många fler.