Що таке п'єзоелектричні матеріали?

Якщо ви коли-небудь користувались прикурювачем, проходили медичне ультразвукове дослідження в кабінеті лікаря або вмикали газовий пальник, ви використовували п’єзоелектрику.

​П'єзоелектричні матеріали - це матеріали, здатні генерувати внутрішній електричний заряд від прикладеного механічного напруження.Термінп’єзопо-грецьки означає "штовхнути".

Кілька природних речовин у природі демонструють п’єзоелектричний ефект. До них належать:

• Кістка
• Кристали
• Певна кераміка
• ДНК
• Емаль
• Шовкові
• Дентин та багато іншого.

Матеріали, що демонструють п'єзоелектричний ефект, також демонструють зворотний п'єзоелектричний ефект (також званий зворотним або зворотним п'єзоелектричним ефектом).зворотний п'єзоелектричний ефект- це внутрішня генерація механічної деформації у відповідь на прикладене електричне поле.

Кристали були першим матеріалом, який використовувався в ранніх експериментах з п'єзоелектричністю. Брати Кюрі, П'єр і Жак, вперше довели прямий п'єзоелектричний ефект в 1880 році. Брати розширили свої робочі знання про кристалічні структури та піроелектричні матеріали (матеріали, що генерують електричний заряд у відповідь на зміну температури).

Вони вимірювали поверхневі заряди таких специфічних кристалів:

• Тростинний цукор
  
• Турмалін
• Кварц
• Топаз
• Сіль рошелі (тетрагідрат тартрату калію натрію)

Кварцова та рошельська сіль продемонстрували найвищі п’єзоелектричні ефекти.

Однак брати Кюрі не прогнозували зворотного п'єзоелектричного ефекту. Зворотний п'єзоелектричний ефект був математично виведений Габріелем Ліппманом у 1881 році. Потім Кері підтвердив ефект та надав кількісний доказ оборотності електричних, пружних та механічних деформацій у п'єзоелектричних кристалах.

До 1910 р. 20 класів природних кристалів, в яких відбувається п'єзоелектричність, були повністю визначені та опубліковані в роботі Вольдемара ФойгтаLehrbuch Der Kristallphysik. Але вона залишалася незрозумілою та високотехнічною нішею фізики без видимих ​​технологічних чи комерційних застосувань.

​Перша світова війна:Першим технологічним застосуванням п'єзоелектричного матеріалу був ультразвуковий підводний детектор, створений під час Першої світової війни. Пластина детектора була виготовлена ​​з перетворювача (пристрій, який перетворює з одного типу енергії в інший) і типу детектора, який називається гідрофоном. Перетворювач був виготовлений з тонких кристалів кварцу, склеєних між двома сталевими пластинами.

Огромний успіх ультразвукового підводного детектора під час війни стимулював інтенсивний технологічний розвиток п'єзоелектричних приладів. Після Першої світової війни в картриджах фонографів використовували п’єзоелектричну кераміку.

​Друга Світова війна:Застосування п'єзоелектричних матеріалів значно покращилося під час Другої світової війни завдяки незалежним дослідженням Японії, СРСР та США.

Зокрема, досягнення у розумінні взаємозв'язку між кристалічною структурою та Електромеханічна діяльність поряд з іншими розробками досліджень змістила підхід до п'єзоелектрика технології повністю. Вперше інженери змогли маніпулювати п'єзоелектричними матеріалами для конкретного застосування пристрою, замість того, щоб спостерігати за властивостями матеріалів, а потім шукати відповідне застосування спостережуваного властивості.

Ця розробка створила багато застосованих до війни п'єзоелектричних матеріалів, таких як надчутливі мікрофони, потужні гідроакустичні пристрої, електромагнітні круги (невеликі буї з можливостями прослуховування та радіопередачі гідрофону для моніторингу руху океанічних суден) та системи п'єзозаймання для одноциліндрових займання.

Як зазначалося вище, п'єзоелектричність - це властивість речовини виробляти електроенергію, якщо на неї діють такі стреси, як стискання, згинання або скручування.

Під дією напруги п’єзоелектричний кристал виробляє поляризацію,P, пропорційна напрузі, яка його спричинила.

Основним рівнянням п'єзоелектричності є​

деd- п’єзоелектричний коефіцієнт, коефіцієнт, унікальний для кожного типу п’єзоелектричного матеріалу. П'єзоелектричний коефіцієнт для кварцу становить 3 × 10^-12. П'єзоелектричний коефіцієнт для титанату цирконату свинцю (PZT) становить 3 × 10^-10.

Невеликі переміщення іонів у кристалічній решітці створюють поляризацію, яка спостерігається в п'єзоелектриці. Це відбувається лише у кристалах, які не мають центру симетрії.

Далі подається невичерпний перелік п’єзоелектричних кристалів з деякими короткими описами їх використання. Пізніше ми обговоримо деякі конкретні програми найбільш часто використовуваних п’єзоелектричних матеріалів.

​Кристали, що зустрічаються в природі:​

• Кварц. Стійкий кристал, що використовується в годинникових кристалах та еталонних частотах для радіопередавачів.
• Сахароза (столовий цукор)
• Сіль Рошель. Виробляє велику напругу при стисненні; використовується в ранньокристалічних мікрофонах.
• Топаз
• Турмалін
• Берлініт (AlPO₄). Рідкісний фосфатний мінерал за своєю структурою ідентичний кварцу.

​Рукотворні кристали:​

• Ортофосфат галію (GaPO₄), кварцовий аналог.
• Лангазит (La₃Га₅SiO₁₄), кварцовий аналог.

​П'єзоелектрична кераміка:​

• Титанат барію (BaTiO₃). Відкрита перша п’єзоелектрична кераміка.
• Титанат свинцю (PbTiO₃)
• Титанат цирконату свинцю (PZT). В даний час найбільш часто використовується п'єзоелектрична кераміка.
• Ніобат калію (KNbO₃)
• Ніобат літію (LiNbO₃)
• Танталат літію (LiTaO₃)
• Вольфрамат натрію (Na₂ВО₄)

​Безсвинцева п'єзокераміка:​

Наступні матеріали були розроблені у відповідь на побоювання щодо шкідливого впливу свинцю в навколишньому середовищі.

• Ніобат калію натрію (NaKNb). Цей матеріал має властивості, подібні до PZT.
• Ферит вісмуту (BiFeO₃)
• Ніобат натрію (NaNbO₃)

​Біологічні п'єзоелектричні матеріали:​

• Сухожилля
• Деревина
• Шовкові
• Емаль
• Дентин
• Колаген

​П'єзоелектричні полімери:П’єзополімери легкі та невеликі за розміром, завдяки чому зростає популярність у технологічному застосуванні.

Полівініліденфторид (PVDF) демонструє п'єзоелектричність, яка в кілька разів перевищує кварц. Він часто використовується в медичній галузі, наприклад, у галузі медичного накладання швів та медичного текстилю.

П'єзоелектричні матеріали використовуються в багатьох галузях промисловості, включаючи:

• Виробництво
• Медичні вироби
• Телекомунікації
• Автомобільна
• Інформаційні технології (ІТ)

​Високовольтні джерела живлення:​

• Електричні запальнички. Коли ви натискаєте кнопку на запальничці, кнопка викликає удару невеликого підпружиненого молотка п'єзоелектричний кристал, виробляючи струм високої напруги, який протікає через зазор для нагрівання та запалення газ.
• Газові грилі або печі та газові пальники. Вони працюють подібно до запальнички, але в більших масштабах.
• П'єзоелектричний трансформатор. Це використовується як множник змінної напруги в люмінесцентних лампах з холодним катодом.

Ультразвукові перетворювачі використовуються в звичайній медичній візуалізації. Aперетворювачє п’єзоелектричним приладом, який виконує функцію і датчика, і приводу.Ультразвукові перетворювачімістять п'єзоелектричний елемент, який перетворює електричний сигнал в механічну вібрацію (передає режим або компонент виконавчого механізму) та механічні вібрації в електричний сигнал (режим прийому або датчик компонент).

П'єзоелектричний елемент зазвичай обрізають на 1/2 бажаної довжини хвилі ультразвукового перетворювача.

Інші типи п'єзоелектричних датчиків включають:

• П'єзоелектричні мікрофони.
• П'єзоелектричні пікапи для акустично-електричних гітар.
• Сонарні хвилі. Звукові хвилі генеруються і сприймаються п’єзоелементом.
• Електронні барабанні колодки. Елементи виявляють вплив палиць барабанщиків на колодки.
• Медична акселероміографія. Це застосовується, коли людина перебуває під наркозом і їй вводили міорелаксанти. П'єзоелектричний елемент в акселероміографі виявляє силу, що виробляється в м'язі після стимуляції нерва.

Однією з найбільших корисних функцій п'єзоелектричних приводів є те, що високі напруги електричного поля відповідають крихітним мікрометричним змінам ширини п'єзоелектричного кристала. Ці мікровідстані роблять п'єзоелектричні кристали корисними як виконавчі механізми, коли потрібне крихітне, точне позиціонування об'єктів, наприклад у таких пристроях:

• Гучномовці
• П'єзоелектричні двигуни
• Лазерна електроніка
• Струменеві принтери (кристали забезпечують викид чорнила з друкуючої головки на папір)
• Дизельні двигуни
• Рентгенівські жалюзі

Розумні матеріали - це широкий клас матеріалів, властивості яких можна змінити контрольованим способом зовнішній подразник, такий як рН, температура, хімічні речовини, магнітне чи електричне поле, що застосовується, або стрес.Розумні матеріали також називають інтелектуальними функціональними матеріалами.​

П'єзоелектричні матеріали відповідають цьому визначенню, оскільки прикладена напруга створює напруження в п'єзоелектричний матеріал, і навпаки, прикладання зовнішнього напруження також виробляє електрику в матеріал.

Додаткові розумні матеріали включають сплави з пам'яттю форми, галохромні матеріали, магнітокалорійні матеріали, полімери, що реагують на температуру, фотоелектричні матеріали та багато, багато іншого.