วัสดุเพียโซอิเล็กทริกคืออะไร?

หากคุณเคยใช้ที่จุดบุหรี่ มีประสบการณ์การอัลตราซาวนด์ทางการแพทย์ในสำนักงานแพทย์ หรือเปิดเตาแก๊ส แสดงว่าคุณได้ใช้เพียโซอิเล็กทริก

​วัสดุเพียโซอิเล็กทริกเป็นวัสดุที่มีความสามารถในการสร้างประจุไฟฟ้าภายในจากความเค้นเชิงกลที่ใช้คำว่าpiezoเป็นภาษากรีกสำหรับ "ดัน"

สารที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติหลายชนิดในธรรมชาติแสดงให้เห็นถึงผลกระทบของเพียโซอิเล็กทริก ซึ่งรวมถึง:

• กระดูก
• คริสตัล
• เซรามิกบางชนิด Certain
• ดีเอ็นเอ
• เคลือบฟัน
• ผ้าไหม
• เดนตินและอื่น ๆ อีกมากมาย

วัสดุที่แสดงเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกยังแสดงให้เห็นถึงเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกแบบผกผัน (เรียกอีกอย่างว่าเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกแบบย้อนกลับหรือแบบคอนเวิร์ส)เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกผกผันคือการสร้างความเครียดทางกลภายในเพื่อตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าที่ใช้

คริสตัลเป็นวัสดุชนิดแรกที่ใช้ในการทดลองในช่วงต้นด้วย piezoelectricity ปิแอร์และฌาคส์ พี่น้องกูรี ได้พิสูจน์ปรากฏการณ์เพียโซอิเล็กทริกโดยตรงเป็นครั้งแรกในปี พ.ศ. 2423 พี่น้องได้ขยายความรู้เกี่ยวกับการทำงานของโครงสร้างผลึกและวัสดุไพโรอิเล็กทริก (วัสดุที่สร้างประจุไฟฟ้าเพื่อตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ)

พวกเขาวัดประจุที่พื้นผิวของผลึกเฉพาะดังต่อไปนี้:

• น้ำตาลอ้อย
  
• ทัวร์มาลีน
• ควอตซ์
• บุษราคัม
• เกลือ Rochelle (โซเดียมโพแทสเซียม tartrate tetrahydrate)

เกลือควอทซ์และโรเชลล์แสดงให้เห็นถึงเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกสูงสุด

อย่างไรก็ตาม พี่น้องคูรีไม่ได้ทำนายผลเพียโซอิเล็กทริกแบบผกผัน เพียโซอิเล็กทริกแบบผกผันถูกอนุมานทางคณิตศาสตร์โดย Gabriel Lippmann ในปี 1881 จากนั้น Curies ได้ยืนยันผลกระทบและให้หลักฐานเชิงปริมาณของการย้อนกลับของการเปลี่ยนรูปทางไฟฟ้า ความยืดหยุ่น และทางกลในผลึกเพียโซอิเล็กทริก

ภายในปี ค.ศ. 1910 คลาสคริสตัลธรรมชาติ 20 คลาสที่เกิดการเกิด piezoelectricityLehrbuch Der Kristallphysik. แต่มันก็ยังคงเป็นพื้นที่เฉพาะทางฟิสิกส์ที่คลุมเครือและมีเทคนิคสูงโดยไม่มีการใช้งานทางเทคโนโลยีหรือเชิงพาณิชย์ที่มองเห็นได้

​สงครามโลกครั้งที่หนึ่ง:การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีครั้งแรกของวัสดุเพียโซอิเล็กทริกคือเครื่องตรวจจับใต้น้ำอัลตราโซนิกที่สร้างขึ้นในช่วงสงครามโลกครั้งที่หนึ่ง แผ่นตรวจจับทำจากทรานสดิวเซอร์ (อุปกรณ์ที่เปลี่ยนจากพลังงานประเภทหนึ่งเป็นพลังงานอื่น) และเครื่องตรวจจับประเภทหนึ่งที่เรียกว่าไฮโดรโฟน ทรานสดิวเซอร์ทำจากผลึกควอทซ์บาง ๆ ติดกาวระหว่างแผ่นเหล็กสองแผ่น

ความสำเร็จดังก้องของเครื่องตรวจจับใต้น้ำอัลตราโซนิกในช่วงสงครามกระตุ้นการพัฒนาเทคโนโลยีที่รุนแรงของอุปกรณ์เพียโซอิเล็กทริก หลังสงครามโลกครั้งที่ 1 มีการใช้เซรามิกเพียโซอิเล็กทริกในตลับแผ่นเสียง

​สงครามโลกครั้งที่สอง:การประยุกต์ใช้วัสดุเพียโซอิเล็กทริกมีความก้าวหน้าอย่างมากในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 อันเนื่องมาจากการวิจัยอิสระโดยญี่ปุ่น สหภาพโซเวียต และสหรัฐอเมริกา

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ความก้าวหน้าในการทำความเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างผลึกและ กิจกรรมทางไฟฟ้าเครื่องกลร่วมกับการพัฒนาอื่น ๆ ในการวิจัยได้เปลี่ยนแนวทางไปสู่ ​​piezoelectric เทคโนโลยีทั้งหมด เป็นครั้งแรกที่วิศวกรสามารถจัดการวัสดุเพียโซอิเล็กทริกสำหรับแอปพลิเคชันอุปกรณ์เฉพาะ แทนที่จะสังเกตคุณสมบัติของวัสดุแล้วค้นหาการใช้งานที่เหมาะสมของการสังเกต คุณสมบัติ.

การพัฒนานี้ได้สร้างการประยุกต์ใช้วัสดุเพียโซอิเล็กทริกที่เกี่ยวข้องกับสงครามมากมาย เช่น ไมโครโฟนที่มีความไวสูง อุปกรณ์โซนาร์ทรงพลัง โซโนทอย (ขนาดเล็ก ทุ่นที่มีฟังเสียงไฮโดรโฟนและความสามารถในการส่งสัญญาณวิทยุสำหรับตรวจสอบการเคลื่อนไหวของเรือเดินทะเล) และระบบจุดระเบิดแบบเพียโซสำหรับกระบอกเดียว จุดระเบิด

ดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น piezoelectricity เป็นคุณสมบัติของสารในการผลิตไฟฟ้าหากมีการใช้ความเค้นเช่นการบีบการดัดหรือการบิดตัว

เมื่ออยู่ภายใต้ความเครียด ผลึกเพียโซอิเล็กทริกจะสร้างโพลาไรซ์พีเป็นสัดส่วนกับความเครียดที่เกิดขึ้น

สมการหลักของ piezoelectricity คือ​

ที่ไหนdคือค่าสัมประสิทธิ์เพียโซอิเล็กทริก ซึ่งเป็นปัจจัยเฉพาะของวัสดุเพียโซอิเล็กทริกแต่ละประเภท ค่าสัมประสิทธิ์เพียโซอิเล็กทริกสำหรับควอตซ์คือ 3 × 10^-12. ค่าสัมประสิทธิ์เพียโซอิเล็กทริกสำหรับตะกั่วเซอร์โคเนตไททาเนต (PZT) คือ 3 × 10^-10.

การกระจัดของไอออนขนาดเล็กในโครงผลึกคริสตัลทำให้เกิดโพลาไรซ์ที่สังเกตได้ในเพียโซอิเล็กทริก สิ่งนี้เกิดขึ้นในผลึกที่ไม่มีจุดศูนย์กลางสมมาตรเท่านั้น

ต่อไปนี้คือรายการคริสตัลเพียโซอิเล็กทริกที่ไม่ครอบคลุมพร้อมคำอธิบายสั้นๆ เกี่ยวกับการใช้งาน เราจะพูดถึงการใช้งานเฉพาะของวัสดุเพียโซอิเล็กทริกที่ใช้บ่อยที่สุดในภายหลัง

​คริสตัลที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ:​

• ควอตซ์ คริสตัลที่มีความเสถียรซึ่งใช้ในคริสตัลนาฬิกาและคริสตัลอ้างอิงความถี่สำหรับเครื่องส่งวิทยุ
• ซูโครส (น้ำตาลตาราง)
• เกลือโรเชลล์. สร้างแรงดันไฟฟ้าขนาดใหญ่พร้อมการบีบอัด ใช้ในไมโครโฟนคริสตัลยุคแรก
• บุษราคัม
• ทัวร์มาลีน
• เบอร์ลินไลท์ (AlPO₄). แร่ฟอสเฟตหายากที่มีโครงสร้างเหมือนกับควอตซ์

​คริสตัลที่มนุษย์สร้างขึ้น:​

• แกลเลียมออร์โธฟอสเฟต (GaPO₄) อะนาล็อกควอตซ์
• Langasite (ลา₃กา₅SiO₁₄) อะนาล็อกควอตซ์

​เซรามิกส์เพียโซอิเล็กทริก:​

• แบเรียมไททาเนต (BaTiO₃). เซรามิกเพียโซอิเล็กทริกชนิดแรกที่ค้นพบ
• ตะกั่วไททาเนต (PbTiO₃)
• ตะกั่วเซอร์โคเนตไททาเนต (PZT) ปัจจุบันเซรามิกเพียโซอิเล็กทริกที่ใช้กันมากที่สุดในปัจจุบัน
• โพแทสเซียมไนโอเบต (KNbO₃)
• ลิเธียมไนโอเบต (LiNbO₃)
• ลิเธียมแทนทาเลต (LiTaO₃)
• โซเดียมทังสเตท (Na₂WO₄)

​piezoceramics ปราศจากสารตะกั่ว:​

วัสดุต่อไปนี้ได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อตอบสนองต่อความกังวลเกี่ยวกับการสัมผัสกับสารตะกั่วในสิ่งแวดล้อมที่เป็นอันตราย

• โซเดียมโพแทสเซียมไนโอเบต (NaKNb) วัสดุนี้มีคุณสมบัติคล้ายกับ PZT
• บิสมัทเฟอร์ไรท์ (BiFeO₃)
• โซเดียมไนโอเบต (NaNbO₃)

​วัสดุเพียโซอิเล็กทริกชีวภาพ:​

• เส้นเอ็น
• ไม้
• ผ้าไหม
• เคลือบฟัน
• เดนติน
• คอลลาเจน

​โพลีเมอร์เพียโซอิเล็กทริก:Piezopolymers มีน้ำหนักเบาและมีขนาดเล็ก จึงได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นในการประยุกต์ใช้เทคโนโลยี

โพลีไวนิลลิดีนฟลูออไรด์ (PVDF) แสดงให้เห็นถึง piezoelectricity ที่ใหญ่กว่าควอตซ์หลายเท่า มักใช้ในด้านการแพทย์ เช่น การเย็บแผลทางการแพทย์ และสิ่งทอทางการแพทย์

วัสดุเพียโซอิเล็กทริกใช้ในอุตสาหกรรมหลายประเภท ได้แก่ :

• การผลิต
• อุปกรณ์ทางการแพทย์
• โทรคมนาคม
• ยานยนต์
• เทคโนโลยีสารสนเทศ (ไอที)

​แหล่งไฟฟ้าแรงสูง:​

• ที่จุดบุหรี่ไฟฟ้า. เมื่อคุณกดปุ่มบนไฟแช็ก ปุ่มจะทำให้ค้อนขนาดเล็กที่อัดด้วยสปริงตี a คริสตัลเพียโซอิเล็กทริก ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าแรงสูงที่ไหลผ่านช่องว่างเพื่อให้ความร้อนและจุดไฟ แก๊ส.
• เตาแก๊สหรือเตาและหัวเตาแก๊ส สิ่งเหล่านี้ทำงานคล้ายกับไฟแช็ก แต่ในขนาดที่ใหญ่กว่า
• หม้อแปลงไฟฟ้าแบบเพียโซอิเล็กทริก ใช้เป็นตัวคูณแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับในหลอดฟลูออเรสเซนต์แคโทดเย็น

ทรานสดิวเซอร์อัลตราซาวนด์ใช้ในการถ่ายภาพทางการแพทย์ตามปกติ อาตัวแปลงสัญญาณเป็นอุปกรณ์เพียโซอิเล็กทริกที่ทำหน้าที่เป็นทั้งเซ็นเซอร์และแอคทูเอเตอร์ตัวแปลงสัญญาณอัลตราซาวนด์มีองค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกที่แปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นการสั่นสะเทือนทางกล (ส่ง โหมดหรือส่วนประกอบแอคชูเอเตอร์) และการสั่นสะเทือนทางกลเป็นสัญญาณไฟฟ้า (โหมดรับหรือเซ็นเซอร์ องค์ประกอบ)

องค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกมักจะถูกตัดให้เหลือ 1/2 ของความยาวคลื่นที่ต้องการของทรานสดิวเซอร์อัลตราซาวนด์

เซ็นเซอร์ Piezoelectric ประเภทอื่นๆ ได้แก่:

• ไมโครโฟนแบบเพียโซอิเล็กทริก
• ปิ๊กอัพ Piezoelectric สำหรับกีตาร์โปร่ง-ไฟฟ้า
• คลื่นโซนาร์ คลื่นเสียงถูกสร้างขึ้นและรับรู้โดยองค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริก
• แผ่นกลองไฟฟ้า. องค์ประกอบตรวจจับผลกระทบของไม้ตีกลองบนแผ่นรอง
• การแพทย์ acceleromyography ใช้เมื่อบุคคลอยู่ภายใต้การดมยาสลบและได้รับยาคลายกล้ามเนื้อ องค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกในเครื่องวัดความเร่งจะตรวจจับแรงที่เกิดขึ้นในกล้ามเนื้อหลังการกระตุ้นเส้นประสาท

หนึ่งในประโยชน์ใช้สอยที่ยอดเยี่ยมของตัวกระตุ้นแบบเพียโซอิเล็กทริกคือแรงดันไฟฟ้าของสนามไฟฟ้าสูงนั้นสอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงขนาดเล็กไมโครมิเตอร์ในความกว้างของคริสตัลเพียโซอิเล็กทริก ระยะไมโครเหล่านี้ทำให้คริสตัลเพียโซอิเล็กทริกมีประโยชน์ในฐานะแอคทูเอเตอร์เมื่อต้องการการจัดตำแหน่งวัตถุที่มีขนาดเล็กและแม่นยำ เช่น ในอุปกรณ์ต่อไปนี้:

• ลำโพง
• มอเตอร์เพียโซอิเล็กทริก
• เลเซอร์อิเล็คทรอนิคส์
• เครื่องพิมพ์อิงค์เจ็ท (คริสตัลช่วยขับหมึกออกจากหัวพิมพ์ไปยังกระดาษ)
• เครื่องยนต์ดีเซล
• ม่านเอกซเรย์

วัสดุอัจฉริยะเป็นวัสดุประเภทกว้างๆ ซึ่งคุณสมบัติสามารถเปลี่ยนแปลงได้ด้วยวิธีการควบคุมโดย สิ่งเร้าภายนอก เช่น ค่า pH อุณหภูมิ สารเคมี สนามแม่เหล็กหรือสนามไฟฟ้าที่ใช้ หรือ ความเครียดวัสดุอัจฉริยะเรียกอีกอย่างว่าวัสดุการทำงานที่ชาญฉลาด​

วัสดุเพียโซอิเล็กทริกเหมาะสมกับคำจำกัดความนี้เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ทำให้เกิดความเครียดใน a วัสดุเพียโซอิเล็กทริก และในทางกลับกัน การประยุกต์ใช้ความเค้นภายนอกก็ผลิตไฟฟ้าใน วัสดุ.

วัสดุอัจฉริยะเพิ่มเติม ได้แก่ โลหะผสมหน่วยความจำรูปร่าง วัสดุฮาโลโครมิก วัสดุแม่เหล็ก โพลิเมอร์ที่ตอบสนองต่ออุณหภูมิ วัสดุเซลล์แสงอาทิตย์ และอื่นๆ อีกมากมาย