Что такое пьезоэлектрические материалы и почему за ними будущее

Пьезоэлектрический эффект — эффект возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект). Существует и обратный пьезоэлектрический эффект — возникновение механических деформаций под действием электрического поля. В свою очередь, поляризация диэлектриков — явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля, иногда под действием других внешних сил или спонтанно.

При прямом пьезоэффекте деформация пьезоэлектрического образца приводит к возникновению электрического напряжения между поверхностями деформируемого твердого тела, при обратном пьезоэффекте приложение напряжения к телу вызывает его деформацию.

Что такое пьезоэлектрические материалы?

Пьезоэлектрические материалы представляют собой материалы, которые обладают способностью генерировать внутренний электрический заряд от приложенного механического напряжения. 

Некоторые вещества, встречающиеся в природе в природе, демонстрируют пьезоэлектрический эффект. К ним относятся:

• кость,
• кристаллы,
• определенная керамика,
• ДНК,
• эмаль,
• шелк,
• дентин и многое другое.

Материалы, которые демонстрируют пьезоэлектрический эффект, также демонстрируют обратный пьезоэлектрический эффект (также называемый обратным или обратным пьезоэлектрическим эффектом). Обратный пьезоэлектрический эффект является внутренняя генерация механического напряжения в ответ на приложенное электрическое поле.

История пьезоэлектрических материалов

Кристаллы были первым материалом, использованным в ранних экспериментах с пьезоэлектричеством. Братья Кюри, Пьер и Жак впервые доказали прямой пьезоэлектрический эффект в 1880 году. Ученые расширили свои практические знания о кристаллических структурах и пироэлектрических материалах (материалах, которые генерируют электрический заряд в ответ на изменение температуры).

Они измерили поверхностные заряды следующих конкретных кристаллов, а именно:

• тростникового сахара,
  
• турмалина,
• кварца,
• топаза,
• соли Рошеля (натрий-калиевая соль винной кислоты),

В итоге именно кварц и соль Рошеля продемонстрировали самые высокие пьезоэлектрические эффекты.

Однако братья Кюри не предсказывали обратный пьезоэлектрический эффект. Он математически выведен Габриэлем Липпманом в 1881 году. Затем Кюри подтвердили эффект и предоставили количественное доказательство обратимости электрических, упругих и механических деформаций в пьезоэлектрических кристаллах.

К 1910 году 20 классов природных кристаллов, в которых наблюдается пьезоэлектрический эффект, были полностью определены и опубликованы в Lehrbuch Der Kristallphysik — «Учебнике физики кристаллов». Но это оставалось малоизвестной и высокотехнологичной нишевой областью физики без каких-либо видимых технологических или коммерческих применений.

Пока не наступила война.

Мировая война

Первое технологическое применение пьезоэлектрического материала было в качестве ультразвукового детектора подводной лодки. Пластика-детектор сделана из преобразователя (устройства, которое переводит один вид энергии в другой) и гидрофон. Преобразователь изготовлен из тонких кристаллов кварца, вклеенных между двумя стальными пластинами.

Огромный успех ультразвукового детектора подводных лодок во время войны стимулировал интенсивное технологическое развитие пьезоэлектрических устройств. После Первой мировой войны пьезокерамика использовалась в картриджах фонографов.

Вторая мировая война

Применение пьезоэлектрических материалов значительно продвинулось во время Второй мировой войны из-за независимых исследований Японии, СССР и США.

В частности достижения в понимании взаимосвязи между кристаллической структурой и электромеханической активностью наряду с другими достижениями в исследованиях полностью изменили подход к пьезоэлектрической технологии. Впервые инженеры смогли манипулировать пьезоэлектрическими материалами для конкретного применения устройства вместо того, чтобы наблюдать свойства материалов и затем искать подходящие применения наблюдаемых свойств.

Эта разработка позволила создать множество связанных с войной применений пьезоэлектрических материалов, таких как сверхчувствительные микрофоны, мощные гидроакустические устройства, гидроакустические буи (небольшие буи с возможностью прослушивания гидрофона и радиопередачей для мониторинга движения океанских судов) и системы пьезозажигания для одноцилиндрового зажигания.

Пьезоэлектрические кристаллы — какие они?

Ниже приводится неполный список пьезоэлектрических кристаллов с некоторыми краткими описаниями их использования. Позже мы обсудим некоторые конкретные применения наиболее часто используемых пьезоэлектрических материалов.

Встречающиеся в природе кристаллы:

• кварц — стабильный кристалл, используемый в кристаллах часов и кристаллах эталона частоты для радиопередатчиков,
• сахароза (столовый сахар),
• рошельская соль — выдает большое напряжение со сжатием; использовалась в ранних кристальных микрофонах,
• топаз,
• турмалин,
• берлинит (AlPO₄.) —  редкий фосфатный минерал, структурно идентичный кварцу.

Техногенные кристаллы — ортофосфат галлия (GaPO₄), аналог кварца и лангасит, аналог кварца.

Пьезоэлектрические керамики:

• титанат бария (BaTiO₃ ); обнаружена первая пьезоэлектрическая керамика,
• титанат свинца (PbTiO₃),
• цирконат-титанат свинца (PZT),
• ниобат калия (KNbO₃),
• ниобат лития (LiNbO₃),
• танталат лития (LiTaO₃),
• оольфрамат натрия (Na₂WO₄).

Бессвинцовые пьезокерамики:

Следующие ниже материалы были разработаны в ответ на опасения по поводу вредного воздействия свинца на окружающую среду:

• ниобат натрия-калия (NaKNb) — этот материал имеет свойства, аналогичные PZT,
• феррит висмута (BiFeO₃),
• ниобат натрия (NaNbO₃).

Биологические пьезоэлектрические материалы:

• сухожилие,
• дерево,
• шелк,
• эмаль,
• дентин,
• коллаген.

Применение пьезоэлектрических материалов

Пьезоэлектрические материалы используются во многих отраслях промышленности, в том числе:

• производство,
• медицинское оборудование,
• телекоммуникации,
• автомобильная промышленность,
• информационные технологии (ИТ).

Высоковольтные источники питания:

• Электрические зажигалки. Когда вы нажимаете кнопку на зажигалке, кнопка заставляет небольшой подпружиненный молоток ударять по пьезоэлектрическому кристаллу, создавая ток высокого напряжения, который течет через зазор для нагрева и воспламенения газа.
• Газовые грили или плиты и газовые горелки. Они работают так же, как и зажигалки, но в большем масштабе.
• Пьезоэлектрический преобразователь. Он используется в качестве умножителя переменного напряжения в люминесцентных лампах с холодным катодом.

Пьезоэлектрические датчики

Ультразвуковые преобразователи используются в повседневной медицинской визуализации. Преобразователь представляет собой пьезоэлектрический устройство, которое действует и как датчик, и исполнительный механизм. Ультразвуковые преобразователи содержат пьезоэлектрический элемент, который преобразует электрический сигнал в механическую вибрацию (режим передачи или компоненты привода) и механическую вибрацию в электрический сигнал (режим или компонент датчика приема).

Пьезоэлектрический элемент обычно разрезают на 1/2 желаемой длины волны ультразвукового преобразователя.

К другим типам пьезоэлектрических датчиков относятся:

• Пьезоэлектрические микрофоны.
• Пьезоэлектрические звукосниматели для электроакустических гитар.
• Сонарные волны. Звуковые волны генерируются и воспринимаются пьезоэлектрическим элементом.
• Электронные барабанные пэды. Элементы обнаруживают удар палок барабанщиков о пэды.
• Медицинская акселеромиография. Это используется, когда человек находится под наркозом и ему вводят миорелаксанты. Пьезоэлектрический элемент в акселеромиографе определяет силу, возникающую в мышце после нервной стимуляции.

Пьезоэлектрические приводы

Одно из преимуществ пьезоэлектрических приводов состоит в том, что высокое напряжение электрического поля соответствует крошечным микрометровым изменениям ширины пьезоэлектрического кристалла. Эти микромассы делают пьезоэлектрические кристаллы полезными в качестве исполнительных механизмов, когда требуется точное позиционирование крошечных объектов, например, в следующих устройствах:

• музыкальные колонки,
• пьезоэлектрические двигатели,
• лазерная электроника,
• струйные принтеры (кристаллы управляют выбросом чернил из печатающей головки на бумагу),
• дизельные двигатели,
• рентгеновские ставни.

Умные материалы

Умные материалы — это широкий класс материалов, свойства которых могут быть изменены контролируемым методом под воздействием внешнего воздействия, такого как pH, температура, химические вещества, приложенное магнитное или электрическое поле или напряжение.

Пьезоэлектрические материалы соответствуют этому определению, потому что приложенное напряжение создает напряжение в пьезоэлектрическом материале, и, наоборот, приложение внешнего напряжения также производит электричество в материале.

Дополнительные интеллектуальные материалы включают сплавы с памятью формы, галохромные материалы, магнитокалорические материалы, термочувствительные полимеры, фотоэлектрические материалы и многие другие.

Что ждет пьезоэлектрические материалы будущем?

Так что же ждет пьезоэлектрические материалы в будущем? Возникает захватывающая идея, что пьезоматериалы из нановолокна могут быть коммерчески использованы в качестве источника энергии. Они полагаются на механическое усилие для выработки электричества. Поэтому, если расположить их, например, на сенсорном экране, то они могут выступить в качестве подзарядки устройства. Конечно, часть созданной мощности идет на выполнение действия на сенсорном экране. Но есть вариант создания дополнительных ресурсов.

Два самых популярных материала, используемых для наногенераторов, — это полимер поливинилиденфторид (ПВДФ) и керамический цирконат-титанат свинца (PZT). ПВДФ демонстрирует более высокие пьезоэлектрические свойства, чем другие полимеры. Это связано с его полярной кристаллической структурой. В свою очередь PZT также имеет кристаллическую структуру и способен генерировать гораздо более высокие напряжения, чем другие пьезоэлектрические материалы для сбора энергии. Он также механически более прочен, особенно в форме нанопроволоки.

Промышленный дизайнер Чон-Хун Кимхас придумал блестящую идею использования пьезоэлектричества для питания автомобиля. Такие устройства, которые заряжают аккумуляторы, получают энергию от вибраций, возникающих при движении машины. Эта технология не производит выбросов и не зависит от ископаемого топлива, что делает ее экологически чистой.

Другой промышленный дизайнер, Пол Фригу, разработал мобильный телефон, который может заряжаться сам! Модель Zeri использует термоэлектрические и пьезоэлектрические системы. Первый использует изменения температуры для генерации заряда; второй — колебания воздуха. Эти две функции делают смартфон на 100% экологически чистым.

Мексиканец Альберто Вильярреал создал пару обуви, которая освещает путь ее владельцу. Используя кинетическую энергию ходьбы или бега, электролюминесцентные полимеры могут производить свет. Эти эффекты буду полезны для бегунов.

Следующая инновационная технология — в секторе планшетов. Использование регенеративного ввода на сенсорном экране вполне может стать предпочтительным способом зарядки этих популярных гаджетов. В среднем (статистически) средний человек нажимает на сенсорный экран 1 000 раз в день. Этого более чем достаточно для питания планшета.

Напоследок, пожалуй, самый интересный пьезоэлектрический гаджет — душ. Разработанный финскими, мексиканскими и немецкими инженерами, он содержит множество крошечных нанопроволок. Эти нанопровода используют энергию проходящей воды для производства электричества, которое используется для нагрева воды. Устройство также имеет сенсорные панели, которые контролируют количество использованной воды и подсчитывают время, проведенное пользователем в душе. Также имеется регулятор, который контролирует давление воды.

Читать далее

Физики создали аналог черной дыры и подтвердили теорию Хокинга. К чему это приведет?

Ученые обнаружили мифическую частицу Оддерона

Самое таинственное природное явление. Откуда берется шаровая молния и чем она опасна?