Piezoelektrik Malzemeler Nelerdir?

Daha önce çakmak kullandıysanız, doktor muayenehanesinde tıbbi ultrason çektiyseniz veya gaz brülörü açtıysanız, piezoelektrik kullandınız.

​Piezoelektrik malzemeler, uygulanan mekanik stresten dahili elektrik yükü üretme yeteneğine sahip malzemelerdir.DönempiezoYunanca "itme" anlamına gelir.

Doğada doğal olarak bulunan birkaç madde piezoelektrik etki gösterir. Bunlar şunları içerir:

• Kemik
• kristaller
• Bazı seramikler
• DNA
• Emaye
• İpek
• Dentin ve daha fazlası.

Piezoelektrik etki sergileyen malzemeler aynı zamanda ters piezoelektrik etkiyi de gösterir (ters veya ters piezoelektrik etki olarak da adlandırılır).ters piezoelektrik etkiuygulanan bir elektrik alanına yanıt olarak mekanik gerilmenin dahili üretimidir.

Piezoelektrik ile yapılan erken deneylerde kristaller kullanılan ilk malzemeydi. Curie kardeşler, Pierre ve Jacques, ilk olarak 1880'de doğrudan piezoelektrik etkiyi kanıtladılar. Kardeşler, kristal yapılar ve piroelektrik malzemeler (sıcaklık değişimine tepki olarak elektrik yükü oluşturan malzemeler) hakkındaki çalışma bilgilerini genişletti.

Aşağıdaki spesifik kristallerin yüzey yüklerini ölçtüler:

• Şeker kamışı
  
• turmalin
• Kuvars
• Topaz
• Rochelle tuzu (sodyum potasyum tartrat tetrahidrat)

Kuvars ve Rochelle tuzu en yüksek piezoelektrik etkileri göstermiştir.

Ancak Curie kardeşler ters piezoelektrik etkiyi öngörmediler. Ters piezoelektrik etki, 1881'de Gabriel Lippmann tarafından matematiksel olarak çıkarıldı. Curies daha sonra etkiyi doğruladı ve piezoelektrik kristallerdeki elektrik, elastik ve mekanik deformasyonların tersine çevrilebilirliğinin kantitatif kanıtını sağladı.

1910'a gelindiğinde, piezoelektrikliğin meydana geldiği 20 doğal kristal sınıfı tamamen tanımlandı ve Woldemar Voigt's dergisinde yayınlandı.Lehrbuch Der Kristallphysik. Ancak, görünür herhangi bir teknolojik veya ticari uygulama olmaksızın belirsiz ve oldukça teknik bir niş fizik alanı olarak kaldı.

​Birinci Dünya Savaşı:Piezoelektrik malzemenin ilk teknolojik uygulaması, I. Dünya Savaşı sırasında oluşturulan ultrasonik denizaltı dedektörüdür. Dedektör plakası, bir dönüştürücüden (bir tür enerjiyi diğerine dönüştüren bir cihaz) ve hidrofon adı verilen bir dedektör türünden yapılmıştır. Dönüştürücü, iki çelik levha arasına yapıştırılmış ince kuvars kristallerinden yapılmıştır.

Savaş sırasında ultrasonik denizaltı dedektörünün yankılanan başarısı, piezoelektrik cihazların yoğun teknolojik gelişimini teşvik etti. Birinci Dünya Savaşı'ndan sonra, fonografların kartuşlarında piezoelektrik seramikler kullanıldı.

​Dünya Savaşı II:Piezoelektrik malzemelerin uygulamaları, Japonya, SSCB ve Amerika Birleşik Devletleri tarafından yapılan bağımsız araştırmalar nedeniyle II.

Özellikle kristal yapı ile yapı arasındaki ilişkinin anlaşılmasındaki gelişmeler, Araştırmadaki diğer gelişmelerle birlikte elektromekanik aktivite, yaklaşımı piezoelektrik yönüne kaydırdı. tamamen teknoloji. Mühendisler ilk kez belirli bir cihaz uygulaması için piezoelektrik malzemeleri manipüle edebildiler. malzemelerin özelliklerini gözlemlemek ve ardından gözlemlenenlerin uygun uygulamalarını aramak yerine özellikleri.

Bu gelişme, süper hassas mikrofonlar, güçlü sonar cihazları, sonobuoys (küçük şamandıralar) gibi piezoelektrik malzemelerin savaşla ilgili birçok uygulamasını yarattı. okyanus gemilerinin hareketini izlemek için hidrofon dinleme ve radyo iletme özelliklerine sahip şamandıralar) ve tek silindir için piezo ateşleme sistemleri ateşlemeler.

Yukarıda bahsedildiği gibi, piezoelektrik, bir maddenin üzerine sıkma, bükme veya bükme gibi bir stres uygulandığında elektrik üretme özelliğidir.

Stres altına yerleştirildiğinde, piezoelektrik kristal bir polarizasyon üretir,P, onu üreten stresle orantılı.

Piezoelektrikliğin ana denklemi​

nerededpiezoelektrik katsayısı, her bir piezoelektrik malzeme tipine özgü bir faktördür. Kuvars için piezoelektrik katsayısı 3 × 10^-12. Kurşun zirkonat titanat (PZT) için piezoelektrik katsayısı 3 × 10^-10.

Kristal kafes içindeki iyonların küçük yer değiştirmeleri, piezoelektrikte gözlenen polarizasyonu yaratır. Bu sadece simetri merkezi olmayan kristallerde meydana gelir.

Aşağıda, kullanımlarının bazı kısa açıklamalarıyla birlikte kapsamlı olmayan bir piezoelektrik kristal listesi bulunmaktadır. En sık kullanılan piezoelektrik malzemelerin bazı özel uygulamalarını daha sonra tartışacağız.

​Doğal olarak oluşan kristaller:​

• Kuvars. Radyo vericileri için saat kristallerinde ve frekans referans kristallerinde kullanılan kararlı bir kristal.
• Sükroz (sofra şekeri)
• Rochelle tuzu. Sıkıştırma ile büyük bir voltaj üretir; erken kristal mikrofonlarda kullanılır.
• Topaz
• turmalin
• Berlinit (AlPO₄). Yapısal olarak kuvarsa benzeyen nadir bir fosfat minerali.

​İnsan yapımı kristaller:​

• Galyum ortofosfat (GaPO₄), bir kuvars analoğu.
• Langasit (La₃ga₅SiO₁₄), bir kuvars analoğu.

​Piezoelektrik seramikler:​

• Baryum titanat (BaTiO₃). Keşfedilen ilk piezoelektrik seramik.
• Kurşun titanat (PbTiO₃)
• Kurşun zirkonat titanat (PZT). Şu anda en yaygın kullanılan piezoelektrik seramik.
• Potasyum niyobat (KNbO₃)
• Lityum niyobat (LiNbO₃)
• Lityum tantalat (LiTaO₃)
• Sodyum tungstat (Na₂WO₄)

​Kurşunsuz piezoseramikler:​

Aşağıdaki materyaller, kurşuna zararlı çevresel maruziyetle ilgili endişelere yanıt olarak geliştirilmiştir.

• Sodyum potasyum niyobat (NaKNb). Bu malzeme, PZT'ye benzer özelliklere sahiptir.
• Bizmut ferrit (BiFeO₃)
• Sodyum niyobat (NaNbO₃)

​Biyolojik piezoelektrik malzemeler:​

• Tendon
• Odun
• İpek
• Emaye
• Diş kemiği
• kollajen

​Piezoelektrik polimerler:Piezopolimerler hafif ve küçük boyutludur, dolayısıyla teknolojik uygulama için popülaritesi artmaktadır.

Poliviniliden florür (PVDF), kuvarstan birkaç kat daha büyük piezoelektriklik gösterir. Tıbbi dikiş ve tıbbi tekstiller gibi tıbbi alanda sıklıkla kullanılır.

Piezoelektrik malzemeler, aşağıdakiler dahil olmak üzere birçok endüstride kullanılmaktadır:

• İmalat
• Tıbbi cihazlar
• Telekomünikasyon
• Otomotiv
• Bilgi Teknolojisi (BT)

​Yüksek voltajlı güç kaynakları:​

• Elektrikli sigara çakmakları. Çakmak üzerindeki düğmeye bastığınızda, düğme yay yüklü küçük bir çekicin bir çakmağa çarpmasına neden olur. piezoelektrik kristal, bir boşluk boyunca akan yüksek voltajlı bir akım üretir ve ısıtır ve tutuşturur. gaz.
• Gazlı ızgaralar veya sobalar ve gaz brülörleri. Bunlar çakmağa benzer şekilde çalışır, ancak daha büyük ölçekte.
• Piezoelektrik transformatör. Bu, soğuk katot floresan lambalarda bir AC voltaj çarpanı olarak kullanılır.

Ultrason dönüştürücüler rutin tıbbi görüntülemede kullanılır. birdönüştürücühem sensör hem de aktüatör görevi gören piezoelektrik bir cihazdır.Ultrason dönüştürücülerelektrik sinyalini mekanik titreşime dönüştüren bir piezoelektrik eleman içerir (iletim modu veya aktüatör bileşeni) ve mekanik titreşimi elektrik sinyaline (alma modu veya sensör) bileşen).

Piezoelektrik eleman genellikle ultrason dönüştürücünün istenen dalga boyunun 1/2'sine kesilir.

Diğer Piezoelektrik sensör türleri şunları içerir:

• Piezoelektrik mikrofonlar.
• Akustik-elektrik gitarlar için piezoelektrik manyetikler.
• Sonar dalgaları. Ses dalgaları, piezoelektrik eleman tarafından hem üretilir hem de algılanır.
• Elektronik davul pedleri. Öğeler, davulcuların sopalarının pedler üzerindeki etkisini algılar.
• Tıbbi akseleromyografi. Bu, bir kişi anestezi altındayken ve kas gevşetici verildiğinde kullanılır. Akseleromyograftaki piezoelektrik eleman, sinir stimülasyonundan sonra bir kasta üretilen kuvveti tespit eder.

Piezoelektrik aktüatörlerin en büyük faydalarından biri, yüksek elektrik alan voltajlarının piezoelektrik kristalin genişliğindeki küçük, mikrometre değişikliklerine karşılık gelmesidir. Bu mikro mesafeler, aşağıdaki cihazlarda olduğu gibi nesnelerin küçük, doğru konumlandırılması gerektiğinde piezoelektrik kristalleri aktüatörler olarak kullanışlı hale getirir:

• Hoparlörler
• Piezoelektrik motorlar
• lazer elektroniği
• Mürekkep püskürtmeli yazıcılar (kristaller, mürekkebin yazıcı kafasından kağıda püskürtülmesini sağlar)
• Dizel motorlar
• röntgen panjurları

Akıllı malzemeler, özellikleri kontrollü bir yöntemle değiştirilebilen geniş bir malzeme sınıfıdır. pH, sıcaklık, kimyasallar, uygulanan bir manyetik veya elektrik alanı gibi harici bir uyaran veya stres.Akıllı malzemelere akıllı fonksiyonel malzemeler de denir.​

Piezoelektrik malzemeler bu tanıma uyar çünkü uygulanan bir voltaj bir ortamda bir stres oluşturur. Piezoelektrik malzeme ve tersine, harici bir stresin uygulanması da elektrik üretir. malzeme.

Ek akıllı malzemeler arasında şekil hafızalı alaşımlar, halokromik malzemeler, manyetokalorik malzemeler, sıcaklığa duyarlı polimerler, fotovoltaik malzemeler ve çok daha fazlası bulunur.