Piezoelectricitate - Piezoelectricity

Bilanț piezoelectric prezentat de Pierre Curie lui Lord Kelvin , Muzeul Hunterian, Glasgow

Piezoelectricitate ( / ˌ p I z oʊ -, ˌ p I t s oʊ -, p aɪ ˌ I z oʊ - / , US : / p i ˌ eɪ z oʊ -, p i ˌ eɪ t s oʊ - / ) este sarcină electrică care se acumulează în anumite materiale solide - cum ar fi cristale , anumite ceramice și materii biologice precum osul,ADN și diverse proteine - ca răspuns la stresul mecanic aplicat . Cuvântul piezoelectricitate înseamnă electricitate rezultată din presiune și căldură latentă. Este derivat din cuvântul grecesc πιέζειν ; piezein , care înseamnă a stoarce sau apăsa și ἤλεκτρον ēlektron , care înseamnă chihlimbar , o sursă veche de încărcare electrică.

Efectul piezoelectric rezultă din interacțiunea electromecanică liniară dintre stările mecanice și electrice din materialele cristaline fără simetrie de inversare . Efectul piezoelectric este un proces reversibil : materialele care prezintă efectul piezoelectric prezintă și efectul piezoelectric invers: generarea internă a unei solicitări mecanice rezultate dintr-un câmp electric aplicat. De exemplu, cristalele de titanat de zirconat de plumb vor genera piezoelectricitate măsurabilă atunci când structura lor statică este deformată cu aproximativ 0,1% din dimensiunea inițială. În schimb, aceleași cristale se vor schimba cu aproximativ 0,1% din dimensiunea lor statică atunci când se aplică un câmp electric extern. Efectul piezoelectric invers este utilizat în producerea undelor cu ultrasunete .

Fizicienii francezi Jacques și Pierre Curie au descoperit piezoelectricitatea în 1880. Efectul piezoelectric a fost exploatat în numeroase aplicații utile, inclusiv producerea și detectarea sunetului, imprimarea cu jet de cerneală piezoelectrică , generarea de electricitate de înaltă tensiune, ca generator de ceas în dispozitivele electronice, în microbalanțe. , pentru a conduce o duză cu ultrasunete și în focalizarea ultrafină a ansamblurilor optice. Acesta constituie baza pentru microscopii de sondă de scanare care rezolvă imagini la scara atomilor . Este utilizat în pickup - urile unor chitare amplificate electronic și ca declanșatoare în majoritatea tobelor electronice moderne . Efectul piezoelectric găsește, de asemenea, utilizări cotidiene, cum ar fi generarea de scântei pentru a aprinde dispozitivele de gătit și încălzire cu gaz, torțe și brichete .

Istorie

Descoperire și cercetări timpurii

Efectul piroelectric , prin care un material generează un potențial electric ca răspuns la o schimbare de temperatură, a fost studiat de Carl Linnaeus și Franz Aepinus la mijlocul secolului al XVIII-lea. Pe baza acestor cunoștințe, atât René Just Haüy , cât și Antoine César Becquerel au afirmat o relație între stresul mecanic și sarcina electrică; cu toate acestea, experimentele ambelor s-au dovedit neconcludente.

Vedere a cristalului piezo în vârful unui compensator Curie din Muzeul Scoției.

Prima demonstrație a efectului piezoelectric direct a fost în 1880 de către frații Pierre Curie și Jacques Curie . Ei și-au combinat cunoștințele despre piroelectricitate cu înțelegerea structurilor cristaline subiacente care au dat naștere piroelectricității pentru a prezice comportamentul cristalului și au demonstrat efectul folosind cristale de turmalină , cuarț , topaz , zahăr din trestie și sare Rochelle (tartrat de sodiu potasiu tetrahidrat). Cuarțul și sarea Rochelle au prezentat cea mai mare piezoelectricitate.

Un disc piezoelectric generează o tensiune atunci când este deformat (schimbarea formei este mult exagerată).

Cu toate acestea, Curiile nu au prezis efectul piezoelectric invers. Efectul invers a fost dedus matematic din principiile termodinamice fundamentale de Gabriel Lippmann în 1881. Curies a confirmat imediat existența efectului invers și a continuat să obțină dovezi cantitative ale reversibilității complete a deformărilor electro-elasto-mecanice din cristalele piezoelectrice.

În următoarele câteva decenii, piezoelectricitatea a rămas o curiozitate de laborator, deși a fost un instrument vital în descoperirea poloniului și radiului de către Pierre și Marie Curie în 1898. S-au făcut mai multe lucrări pentru explorarea și definirea structurilor cristaline care prezentau piezoelectricitate. Aceasta a culminat în 1910 cu publicarea lui Lehrbuch der Kristallphysik a lui Woldemar Voigt ( Manual despre fizica cristalelor ), care a descris cele 20 de clase de cristale naturale capabile de piezoelectricitate și a definit riguros constantele piezoelectrice utilizând analiza tensorială .

Primul Război Mondial și anii interbelici

Prima aplicație practică pentru dispozitivele piezoelectrice a fost sonarul , dezvoltat pentru prima dată în timpul primului război mondial . În Franța, în 1917, Paul Langevin și colegii săi au dezvoltat un detector cu ultrasunete submarin . Detectorul consta dintr-un traductor , realizat din cristale subțiri de cuarț lipite cu grijă între două plăci de oțel și un hidrofon pentru a detecta ecoul returnat . Emițând un impuls de înaltă frecvență de la traductor și măsurând cantitatea de timp necesară pentru a auzi un ecou din undele sonore care ricoșează de pe un obiect, se poate calcula distanța până la acel obiect.

Utilizarea piezoelectricității în sonar și succesul acestui proiect au creat un interes intens de dezvoltare în dispozitivele piezoelectrice. În următoarele câteva decenii, au fost explorate și dezvoltate noi materiale piezoelectrice și noi aplicații pentru aceste materiale.

Dispozitivele piezoelectrice au găsit case în multe domenii. Cartușele fonografice din ceramică au simplificat designul playerului, au fost ieftine și exacte și au făcut ca playerele de discuri să fie mai ieftine de întreținut și mai ușor de construit. Dezvoltarea traductorului cu ultrasunete a permis măsurarea ușoară a vâscozității și elasticității în fluide și solide, rezultând progrese uriașe în cercetarea materialelor. Reflectometrele cu ultrasunete în domeniul timpului (care trimit un impuls ultrasonic printr-un material și măsoară reflexiile din discontinuități) ar putea găsi defecte în interiorul obiectelor turnate din metal și piatră, îmbunătățind siguranța structurală.

Al Doilea Război Mondial și post-război

În timpul celui de-al doilea război mondial , grupuri independente de cercetare din Statele Unite , Rusia și Japonia au descoperit o nouă clasă de materiale sintetice, numite feroelectrice , care prezentau constante piezoelectrice de multe ori mai mari decât materialele naturale. Acest lucru a condus la cercetări intense pentru a dezvolta titanat de bariu și mai târziu a conduce materiale de titanat de zirconat cu proprietăți specifice pentru aplicații particulare.

Un exemplu semnificativ de utilizare a cristalelor piezoelectrice a fost dezvoltat de Bell Telephone Laboratories. După Primul Război Mondial, Frederick R. Lack, care lucra în radiotelefonie în departamentul de inginerie, a dezvoltat cristalul „AT cut”, un cristal care funcționa printr-o gamă largă de temperaturi. Cristalul Lack nu avea nevoie de accesoriile grele utilizate anterior de cristal, facilitând utilizarea acestuia pe aeronave. Această dezvoltare a permis forțelor aeriene aliate să se angajeze în atacuri coordonate în masă prin utilizarea radioului de aviație.

Dezvoltarea dispozitivelor și materialelor piezoelectrice în Statele Unite a fost păstrată în cadrul companiilor care au realizat dezvoltarea, în principal din cauza începuturilor de război din domeniu și în interesul asigurării unor brevete profitabile. Materialele noi au fost primele dezvoltate - cristalele de cuarț au fost primul material piezoelectric exploatat comercial, dar oamenii de știință au căutat materiale cu performanțe superioare. În ciuda progreselor în materie de materiale și a maturizării proceselor de fabricație, piața Statelor Unite nu a crescut la fel de repede ca și Japonia. Fără multe aplicații noi, creșterea industriei piezoelectrice a Statelor Unite a suferit.

În schimb, producătorii japonezi și-au împărtășit informațiile, depășind rapid provocările tehnice și de fabricație și creând noi piețe. În Japonia, Issac Koga a dezvoltat o tăietură cristalină stabilă la temperatură . Eforturile japoneze în cercetarea materialelor au creat materiale piezoceramice competitive pentru materialele din Statele Unite, dar fără restricții costisitoare de brevet. Principalele dezvoltări piezoelectrice japoneze au inclus noi modele de filtre piezoceramice pentru aparate de radio și televizoare, sonerii piezo și traductoare audio care se pot conecta direct la circuite electronice și aprindătorul piezoelectric , care generează scântei pentru sistemele de aprindere a motorului mic și brichete cu gaz, prin comprimarea unui disc ceramic. Traductoarele cu ultrasunete care transmit undele sonore prin aer existau de ceva timp, dar au văzut mai întâi o utilizare comercială majoră la primele telecomenzi ale televizorului. Aceste traductoare sunt acum montate pe mai multe modele de mașini ca un dispozitiv de ecolocalizare , ajutând șoferul să determine distanța de la mașină la orice obiecte care ar putea fi în calea sa.

Mecanism

Placă piezoelectrică utilizată pentru a converti semnalul audio în unde sonore

Natura efectului piezoelectric este strâns legată de apariția momentelor dipolului electric în solide. Acestea din urmă pot fi induse fie pentru ioni pe site-uri de rețea cristalină cu împrejurimi de sarcină asimetrică (ca în BaTiO ₃ și PZT ), fie pot fi transportate direct de grupări moleculare (ca în zahărul din trestie de zahăr ). Densitatea sau polarizarea dipolului (dimensionalitatea [C · m / m ³ ]) poate fi ușor calculată pentru cristale prin însumarea momentelor dipolului pe volum al celulei cristalografice . Deoarece fiecare dipol este un vector, densitatea dipolului P este un câmp vector . Dipolii unul lângă celălalt tind să fie aliniați în regiuni numite domenii Weiss. Domeniile sunt de obicei orientate aleatoriu, dar pot fi aliniate utilizând procesul de poling (nu același lucru cu polingul magnetic ), un proces prin care se aplică un câmp electric puternic peste material, de obicei la temperaturi ridicate. Nu toate materialele piezoelectrice pot fi polizate.

O importanță decisivă pentru efectul piezoelectric este schimbarea polarizării P atunci când se aplică o solicitare mecanică . Acest lucru poate fi cauzat de o reconfigurare a mediului care induce dipol sau de reorientarea momentelor dipol moleculare sub influența stresului extern. Piezoelectricitatea se poate manifesta apoi printr-o variație a forței de polarizare, a direcției acesteia sau a ambelor, cu detalii în funcție de: 1. orientarea P în interiorul cristalului; 2. simetria cristalului ; și 3. solicitarea mecanică aplicată. Schimbarea în P apare ca o variație a densității de încărcare a suprafeței pe fețele cristaline, adică ca o variație a câmpului electric care se extinde între fețe cauzată de o schimbare a densității dipolului în vrac. De exemplu, un 1 cm ³ cub de cuarț cu 2 kN (500 livre) de forță aplicată corect poate produce o tensiune de 12500 V .

Materialele piezoelectrice prezintă, de asemenea, efectul opus, numit efect piezoelectric invers , în care aplicarea unui câmp electric creează o deformare mecanică în cristal.

Descrierea matematică

Piezoelectricitatea liniară este efectul combinat al

• Comportamentul electric liniar al materialului:

${\ displaystyle \ mathbf {D} = {\ boldsymbol {\ varepsilon}} \, \ mathbf {E} \ quad \ implica \ quad D_ {i} = \ sum _ {j} \ varepsilon _ {ij} \, E_ {j} \;}$

unde D este densitatea fluxului electric ( deplasare electrică ), ε este permitivitatea (constanta dielectrică a corpului liber), E este intensitatea câmpului electric și .${\ displaystyle \ nabla \ cdot \ mathbf {D} = 0 \, \ ,, \, \ nabla \ times \ mathbf {E} = \ mathbf {0}}$

• Legea lui Hooke pentru materialele elastice liniare:

${\ displaystyle {\ boldsymbol {S}} = {\ mathsf {s}} \, {\ boldsymbol {T}} \ quad \ implica \ quad S_ {ij} = \ sum _ {k, l} {s_ {ijkl }} \, T_ {kl} \;}$

unde S este tulpina liniarizată , s este conformitatea în condiții de scurtcircuit, T este tensiunea și

${\ displaystyle \ nabla \ cdot {\ boldsymbol {T}} = \ mathbf {0} \, \ ,, \, {\ boldsymbol {S}} = {\ frac {\ nabla \ mathbf {u} + \ mathbf { u} \ nabla} {2}}}$,

unde u este vectorul de deplasare .

Acestea pot fi combinate în așa-numitele ecuații cuplate , dintre care forma de sarcină-deformare este:

${\ displaystyle {\ begin {align} {\ boldsymbol {S}} & = {\ mathsf {s}} \, {\ boldsymbol {T}} + {\ mathfrak {d}} ^ {t} \, \ mathbf {E} \ \ quad \ implica \ quad S_ {ij} = \ sum _ {k, l} {s_ {ijkl}} \, T_ {kl} + \ sum _ {k} {d_ {ijk} ^ {t }} \, E_ {k} \\\ mathbf {D} & = {\ mathfrak {d}} \, {\ boldsymbol {T}} + {\ boldsymbol {\ varepsilon}} \, \ mathbf {E} \ quad \ implies \ quad D_ {i} = \ sum _ {j, k} {d_ {ijk}} \, T_ {jk} + \ sum _ {j} \ varepsilon _ {ij} \, E_ {j} \ ,, \ end {align}}}$

unde este tensorul piezoelectric și indicatorul t reprezintă transpunerea sa. Datorită simetriei , . ${\ displaystyle {\ mathfrak {d}}}$${\ displaystyle {\ mathfrak {d}}}$${\ displaystyle d_ {ijk} ^ {t} = d_ {kji} = d_ {kij}}$

În formă matricială,

${\ displaystyle {\ begin {align} \ {S \} & = \ left [s ^ {E} \ right] \ {T \} + [d ^ {\ mathrm {t}}] \ {E \} \ \\ {D \} & = [d] \ {T \} + \ left [\ varepsilon ^ {T} \ right] \ {E \} \ ,, \ end {align}}}$

unde [ d ] este matricea pentru efectul piezoelectric direct și [ d ^t ] este matricea pentru efectul piezoelectric invers. Indicatorul E indică un câmp electric zero sau constant; indicatorul T indică un câmp de stres zero sau constant; iar supercriptul t reprezintă transpunerea unei matrice .

Observați că tensorul de ordinul trei mapează vectorii în matrici simetrice. Nu există tensori non-triviali de rotație-invarianți care să aibă această proprietate, motiv pentru care nu există materiale izotrope piezoelectrice. ${\ displaystyle {\ mathfrak {d}}}$

Sarcina de deformare pentru un material din clasa de cristal de 4 mm (C _4v ) (cum ar fi o ceramică piezoelectrică polizată, cum ar fi PZT tetragonal sau BaTiO ₃ ), precum și clasa de cristal de 6 mm , poate fi, de asemenea, scrisă ca (ANSI IEEE 176):

${\ displaystyle {\ begin {bmatrix} S_ {1} \\ S_ {2} \\ S_ {3} \\ S_ {4} \\ S_ {5} \\ S_ {6} \ end {bmatrix}} = {\ begin {bmatrix} s_ {11} ^ {E} & s_ {12} ^ {E} & s_ {13} ^ {E} & 0 & 0 & 0 \\ s_ {21} ^ {E} & s_ {22} ^ {E} & s_ {23} ^ {E} & 0 & 0 & 0 \\ s_ {31} ^ {E} & s_ {32} ^ {E} & s_ {33} ^ {E} & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & s_ {44} ^ {E} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & s_ { 55} ^ {E} & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & s_ {66} ^ {E} = 2 \ left (s_ {11} ^ {E} -s_ {12} ^ {E} \ right) \ end {bmatrix}} {\ începe {bmatrix} T_ {1} \\ T_ {2} \\ T_ {3} \\ T_ {4} \\ T_ {5} \\ T_ {6} \ end {bmatrix}} + {\ begin {bmatrix } 0 & 0 & d_ {31} \\ 0 & 0 & d_ {32} \\ 0 & 0 & d_ {33} \\ 0 & d_ {24} & 0 \\ d_ {15} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \ end {bmatrix}} {\ begin {bmatrix} E_ {1} \\ E_ {2} \\ E_ {3} \ end {bmatrix}}}$

${\ displaystyle {\ begin {bmatrix} D_ {1} \\ D_ {2} \\ D_ {3} \ end {bmatrix}} = {\ begin {bmatrix} 0 & 0 & 0 & 0 & d_ {15} & 0 \\ 0 & 0 & 0 & d_ {24} & 0 & 0 \\ d_ {31} & d_ {32} & d_ {33} & 0 & 0 & 0 \ end {bmatrix}} {\ begin {bmatrix} T_ {1} \\ T_ {2} \\ T_ {3} \\ T_ {4} \ \ T_ {5} \\ T_ {6} \ end {bmatrix}} + {\ begin {bmatrix} {\ varepsilon} _ {11} & 0 & 0 \\ 0 & {\ varepsilon} _ {22} & 0 \\ 0 & 0 & {\ varepsilon} _ {33} \ end {bmatrix}} {\ begin {bmatrix} E_ {1} \\ E_ {2} \\ E_ {3} \ end {bmatrix}}}$

unde prima ecuație reprezintă relația pentru efectul piezoelectric invers și cea din urmă pentru efectul piezoelectric direct.

Deși ecuațiile de mai sus sunt cea mai utilizată formă în literatură, sunt necesare câteva comentarii despre notație. În general, D și E sunt vectori , adică tensori cartezieni de rangul 1; iar permitivitatea ε este un tensor cartesian de rangul 2. Tensiunea și tensiunea sunt, în principiu, și tensori de rangul 2 . Dar, în mod convențional, deoarece tensiunea și tensiunea sunt toate tensori simetrici, indicele tensiunii și tensiunii poate fi reetichetat în modul următor: 11 → 1; 22 → 2; 33 → 3; 23 → 4; 13 → 5; 12 → 6. (Diferite convenții pot fi utilizate de diferiți autori în literatură. De exemplu, unii folosesc în schimb 12 → 4; 23 → 5; 31 → 6.) De aceea S și T par să aibă „forma vectorială” a șase componente. În consecință, s pare a fi o matrice de 6 la 6 în loc de un tensor de rang 3. O astfel de notație reetichetată se numește adesea notație Voigt . Dacă componentele tensiunii de forfecare S ₄ , S ₅ , S ₆ sunt componente de tensiune sau deformații tehnice este o altă întrebare. În ecuația de mai sus, acestea trebuie să fie tulpini tehnice pentru coeficientul 6,6 al matricei de conformitate care să fie scris așa cum se arată, adică 2 ( s^E
₁₁ -  s^E
₁₂). Tensiunile de forfecare tehnice sunt duble față de forfecarea tensorială corespunzătoare, cum ar fi S ₆  = 2 S ₁₂ și așa mai departe. Aceasta înseamnă, de asemenea, că s ₆₆  = 1/G ₁₂, unde G ₁₂ este modulul de forfecare.

În total, există patru coeficienți piezoelectrici, d _ij , e _ij , g _ij și h _ij definiți după cum urmează:

${\ displaystyle {\ begin {align} d_ {ij} & = \ left ({\ frac {\ partial D_ {i}} {\ partial T_ {j}}} \ right) ^ {E} && = \ left ( {\ frac {\ partial S_ {j}} {\ partial E_ {i}}} \ right) ^ {T} \\ e_ {ij} & = \ left ({\ frac {\ partial D_ {i}} { \ partial S_ {j}}} \ right) ^ {E} && = - \ left ({\ frac {\ partial T_ {j}} {\ partial E_ {i}}} \ right) ^ {S} \\ g_ {ij} & = - \ left ({\ frac {\ partial E_ {i}} {\ partial T_ {j}}} \ right) ^ {D} && = \ left ({\ frac {\ partial S_ { j}} {\ partial D_ {i}}} \ right) ^ {T} \\ h_ {ij} & = - \ left ({\ frac {\ partial E_ {i}} {\ partial S_ {j}} } \ right) ^ {D} && = - \ left ({\ frac {\ partial T_ {j}} {\ partial D_ {i}}} \ right) ^ {S} \\\ end {align}}}$

unde primul set de patru termeni corespunde efectului piezoelectric direct și al doilea set de patru termeni corespunde efectului piezoelectric invers. Egalitatea dintre tensorul piezoelectric direct și transpunerea tensorului piezoelectric invers provine din relațiile Maxwell ale termodinamicii. Pentru acele cristale piezoelectrice pentru care polarizarea este de tipul indus de câmpul de cristal, a fost elaborat un formalism care permite calcularea coeficienților piezoelectrici d _ij din constantele de rețea electrostatice sau constantele Madelung de ordin superior .

Cursuri de cristal

Orice încărcare separată spațial va avea ca rezultat un câmp electric și, prin urmare, un potențial electric . Aici este prezentat un dielectric standard într-un condensator . Într-un dispozitiv piezoelectric, tensiunea mecanică, în loc de o tensiune aplicată extern, determină separarea sarcinii în atomii individuali ai materialului.

Din cele 32 de clase de cristale , 21 sunt non- centrosimetrice (neavând un centru de simetrie), iar dintre acestea, 20 prezintă piezoelectricitate directă (a 21-a este clasa cubică 432). Zece dintre acestea reprezintă clasele de cristale polare, care prezintă o polarizare spontană fără solicitări mecanice datorită unui moment dipolar electric care nu dispare asociat cu celula lor unitară și care prezintă piroelectricitate . Dacă momentul dipolar poate fi inversat prin aplicarea unui câmp electric extern, se spune că materialul este feroelectric .

• Cele 10 clase de cristale polare (piroelectrice): 1, 2, m, mm2, 4, 4mm, 3, 3m, 6, 6mm.
• Celelalte 10 clase de cristale piezoelectrice: 222, 4 , 422, 4 2m, 32, 6 , 622, 6 2m, 23, 4 3m.

Pentru cristalele polare, pentru care P  ≠ 0 se menține fără a aplica o sarcină mecanică, efectul piezoelectric se manifestă prin schimbarea magnitudinii sau a direcției lui P sau a ambelor.

Pe de altă parte, pentru cristalele nepolare, dar piezoelectrice, o polarizare P diferită de zero este generată doar prin aplicarea unei sarcini mecanice. Pentru ei, stresul poate fi imaginat pentru a transforma materialul dintr-o clasă de cristale nepolare ( P  = 0) într-una polară, având P  ≠ 0.

Materiale

Multe materiale prezintă piezoelectricitate.

Materiale cristaline

• Langasite (La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄ ) - un cristal analog cu cuarț
• Ortofosfat de galiu (GaPO ₄ ) - un cristal analog cu cuarț
• Niobat de litiu (LiNbO ₃ )
• Tantalat de litiu (LiTaO ₃ )
• Cuarţ
• Berlinit (AlPO ₄ ) - un mineral fosfat rar , care este structural identic cu cuarțului
• Sare Rochelle
• Topaz - Piezoelectricitatea din Topaz poate fi atribuită probabil ordinării (F, OH) în rețeaua sa, care altfel este centrosimmetrică: ortorombică bipiramidală (mmm). Topazul are proprietăți optice anormale care sunt atribuite unei astfel de ordonări.
• Minerale din grupul turmalină
• Titanat de plumb (PbTiO ₃ ) - Deși apare în natură ca macedonit mineral, este sintetizat pentru cercetare și aplicații.

Ceramică

Unitate celulară tetragonală de titanat de plumb

Ceramica cu boabe orientate aleatoriu trebuie să fie feroelectrică pentru a prezenta piezoelectricitate. Apariția creșterii anormale a granulelor (AGG) în ceramica piezoelectrică policristalină sinterizată are efecte dăunătoare asupra performanței piezoelectrice în astfel de sisteme și ar trebui evitată, deoarece microstructura din piezoceramice care prezintă AGG tinde să constea în puține boabe alungite anormal de mari într-o matrice de aleatorii boabe mai fine orientate. Piezoelectricitatea macroscopică este posibilă în materialele piezoelectrice policristaline neferoelectrice texturate, cum ar fi AlN și ZnO. Familiile de ceramică cu perovskit , tungsten - bronz și structuri conexe prezintă piezoelectricitate:

• Titanat de zirconat de plumb ( Pb [ Zr _x Ti _{1− x} ] O ₃ cu 0 ≤  x  ≤ 1) - mai cunoscut sub numele de PZT, cea mai comună ceramică piezoelectrică utilizată astăzi.
• Niobat de potasiu (KNbO ₃ )
• Tungstat de sodiu (Na ₂ WO ₃ )
• Ba ₂ NaNb ₅ O ₅
• Pb ₂ KNb ₅ O ₁₅
• Oxid de zinc (ZnO) - Structură Wurtzite . În timp ce monocristalele de ZnO sunt piezoelectrice și piroelectrice, policristalinul (ceramica) ZnO cu boabe orientate aleatoriu nu prezintă nici efect piezoelectric, nici piroelectric. Nefiind feroelectric, ZnO policristalin nu poate fi polizat ca titanatul de bariu sau PZT. Ceramica și filmele subțiri policristaline de ZnO pot prezenta piezoelectricitate și piroelectricitate macroscopice numai dacă sunt texturate (boabele sunt orientate preferențial), astfel încât răspunsurile piezoelectrice și piroelectrice ale tuturor boabelor individuale nu se anulează. Acest lucru este ușor realizat în pelicule subțiri policristaline.

Piezoceramice fără plumb

• Niobat de sodiu și potasiu ((K, Na) NbO ₃ ). Acest material este, de asemenea, cunoscut sub numele de NKN sau KNN. În 2004, un grup de cercetători japonezi condus de Yasuyoshi Saito a descoperit o compoziție de niobat de sodiu și potasiu cu proprietăți apropiate de cele ale PZT, inclusiv un T _C ridicat . Anumite compoziții din acest material s-au dovedit a păstra un factor de calitate mecanic ridicat ( Q _m  ≈ 900) cu creșterea nivelurilor de vibrații, în timp ce factorul de calitate mecanică a PZT dur se degradează în astfel de condiții. Acest fapt face din NKN un înlocuitor promițător pentru aplicațiile cu rezonanță mare, cum ar fi transformatoarele piezoelectrice.
• Ferita Bismut (BiFeO ₃ ) - un candidat promițător pentru înlocuirea ceramicii pe bază de plumb.
• Niobat de sodiu (NaNbO ₃ )
• Titanat de bariu (BaTiO ₃ ) - Titanatul de bariu a fost prima ceramică piezoelectrică descoperită.
• Titanat de bismut (Bi ₄ Ti ₃ O ₁₂ )
• Titanat de bismut de sodiu (NaBi (TiO ₃ ) ₂ )

Fabricarea piezoceramicii fără plumb reprezintă provocări multiple, din punct de vedere al mediului și capacitatea lor de a replica proprietățile omologilor lor pe bază de plumb. Prin eliminarea componentei de plumb a piezoceramicului, riscul de toxicitate pentru oameni scade, dar extracția și extracția materialelor poate fi dăunătoare mediului. Analiza profilului de mediu al PZT față de niobatul de sodiu și potasiu (NKN sau KNN) arată că, în cadrul celor patru indicatori luați în considerare (consumul de energie primară, amprenta toxicologică, eco-indicatorul 99 și emisiile de intrare-ieșire din amonte de gaze cu efect de seră), KNN este de fapt mai mult dăunătoare mediului. Majoritatea preocupărilor legate de KNN, în special componenta sa Nb ₂ O ₅ , se află în faza incipientă a ciclului său de viață înainte de a ajunge la producători. Deoarece impactul nociv se concentrează asupra acestor faze timpurii, pot fi întreprinse unele acțiuni pentru a minimiza efectele. Restituirea terenului cât mai aproape de forma inițială după extragerea Nb ₂ O ₅ prin deconstruirea barajului sau înlocuirea unui depozit de sol utilizabil sunt ajutoare cunoscute pentru orice eveniment de extracție. Pentru a minimiza efectele asupra calității aerului, modelarea și simularea încă trebuie să aibă loc pentru a înțelege pe deplin ce metode de atenuare sunt necesare. Extracția componentelor piezoceramice fără plumb nu a crescut la o scară semnificativă în acest moment, dar din analize timpurii, experții încurajează prudența în ceea ce privește efectele asupra mediului.

Fabricarea piezoceramicii fără plumb se confruntă cu provocarea de a menține performanța și stabilitatea omologilor lor pe bază de plumb. În general, provocarea principală de fabricație este crearea „limitelor fazei morfotrope (MPB)” care oferă materialelor proprietățile lor piezoelectrice stabile fără a introduce „limitele fazei polimorfe (PPB)” care scad stabilitatea la temperatură a materialului. Noile limite de fază sunt create de concentrațiile aditive variate, astfel încât temperaturile de tranziție de fază să convergă la temperatura camerei. Introducerea MPB îmbunătățește proprietățile piezoelectrice, dar dacă se introduce un PPB, materialul devine afectat negativ de temperatură. Cercetările sunt în desfășurare pentru a controla tipul de limite de fază care sunt introduse prin inginerie de fază, tranziții de fază difuze, inginerie de domeniu și modificare chimică.

Semiconductorii III – V și II – VI

Un potențial piezoelectric poate fi creat în orice cristal semiconductor în vrac sau nanostructurat având simetrie necentrală, cum ar fi materialele din Grupul III-V și II-VI, datorită polarizării ionilor sub solicitare și tensiune aplicată. Această proprietate este comună atât zincblende și wurtzite structurile de cristal. La prima ordine, există un singur coeficient piezoelectric independent în zincblendă , numit e ₁₄ , cuplat la componentele de forfecare ale tulpinii. În wurtzite , există în schimb trei coeficienți piezoelectrici independenți: e ₃₁ , e ₃₃ și e ₁₅ . Semiconductorii în care se observă cea mai puternică piezoelectricitate sunt cele întâlnite în mod obișnuit în structura wurtzitei , adică GaN, InN, AlN și ZnO (vezi piezotronică ).

Din 2006, au existat, de asemenea, o serie de rapoarte de efecte piezoelectrice puternice neliniare în semiconductorii polari . Astfel de efecte sunt, în general, recunoscute a fi cel puțin importante dacă nu de același ordin de mărime ca aproximarea de primul ordin.

Polimeri

Răspunsul piezo- polimeric nu este la fel de mare ca răspunsul pentru ceramică; cu toate acestea, polimerii dețin proprietăți pe care ceramica nu le are. În ultimele decenii, polimerii piezoelectrici non-toxici au fost studiați și aplicați datorită flexibilității lor și a impedanței acustice mai mici . Alte proprietăți care fac aceste materiale semnificative includ biocompatibilitatea , biodegradabilitatea , costul redus și consumul redus de energie în comparație cu alte piezo-materiale (ceramică etc.). Polimerii piezoelectrici și compozitele polimerice netoxice pot fi utilizate având în vedere proprietățile lor fizice diferite.

Polimerii piezoelectrici pot fi clasificați după polimeri în vrac, polimeri încărcați anulați ("piezoelectriți") și compozite polimerice. Un răspuns piezo observat de polimerii în vrac se datorează în principal structurii sale moleculare. Există două tipuri de polimeri în vrac: amorf și semicristalin . Exemple de polimeri semi-cristalini sunt fluorura de poliviniliden (PVDF) și copolimerii săi , poliamide și parilen-C . Polimerii necristalini, cum ar fi polimida și clorura de poliviniliden (PVDC), se încadrează în polimeri în vrac amorfi. Polimerii încărcați anulați prezintă efectul piezoelectric datorită încărcării induse de polizarea unui film polimeric poros. Sub un câmp electric, sarcinile se formează pe suprafața golurilor formând dipoli. Răspunsurile electrice pot fi cauzate de orice deformare a acestor goluri. Efectul piezoelectric poate fi observat și în compozite polimerice prin integrarea particulelor ceramice piezoelectrice într-un film de polimer. Un polimer nu trebuie să fie piezoactiv pentru a fi un material eficient pentru un compozit polimeric. În acest caz, un material ar putea fi alcătuit dintr-o matrice inertă cu o componentă piezoactivă separată.

PVDF prezintă piezoelectricitate de câteva ori mai mare decât cuarțul. Răspunsul piezo observat din PVDF este de aproximativ 20-30 pC / N. Aceasta este o comandă de 5-50 de ori mai mică decât cea a titanatului de zirconat de plumb ceramic piezoelectric (PZT). Stabilitatea termică a efectului piezoelectric al polimerilor din familia PVDF (adică fluorură de viniliden co-poli trifluoretilenă) crește până la 125 ° C. Unele aplicații ale PVDF sunt senzorii de presiune, hidrofoane și senzorii de undă de șoc.

Datorită flexibilității lor, compozitele piezoelectrice au fost propuse ca recoltatoare de energie și nanogeneratoare. În 2018, a fost raportat de Zhu și colab. că un răspuns piezoelectric de aproximativ 17 pC / N ar putea fi obținut din nanocompozit PDMS / PZT la 60% porozitate. Un alt nanocompozit PDMS a fost raportat în 2017, în care BaTiO _{3 a} fost integrat în PDMS pentru a face un nanogenerator transparent, extensibil, pentru monitorizare fiziologică auto-alimentată. În 2016, moleculele polare au fost introduse într-o spumă poliuretanică în care au fost raportate răspunsuri ridicate de până la 244 pC / N.

Alte materiale

Majoritatea materialelor prezintă răspunsuri piezoelectrice cel puțin slabe. Exemple banale includ zaharoză (zahăr de masă), ADN , proteine ​​virale, inclusiv cele de la bacteriofag . A fost raportat un actuator pe bază de fibre de lemn, numite fibre de celuloză . Răspunsurile D33 pentru polipropilenă celulară sunt în jur de 200 pC / N. Unele aplicații ale polipropilenei celulare sunt tastele muzicale, microfoanele și sistemele de ecolocație bazate pe ultrasunete. Recent, un singur aminoacid, cum ar fi β-glicina, a prezentat, de asemenea, piezoelectric ridicat (178 pmV ^-1 ) comparativ cu alte materiale biologice.

Cerere

În prezent, industria și producția sunt cea mai mare piață de aplicații pentru dispozitive piezoelectrice, urmată de industria auto. Cererea puternică vine, de asemenea, de instrumente medicale, precum și de informații și telecomunicații. Cererea globală de dispozitive piezoelectrice a fost evaluată la aproximativ 21,6 miliarde de dolari SUA în 2015. Cel mai mare grup de materiale pentru dispozitive piezoelectrice este piezoceramica, iar piezopolimerul se confruntă cu cea mai rapidă creștere datorită greutății sale mici și a dimensiunilor mici.

Cristalele piezoelectrice sunt acum utilizate în numeroase moduri:

Surse de înaltă tensiune și energie

Piezoelectricitatea directă a unor substanțe, cum ar fi cuarțul, poate genera diferențe potențiale de mii de volți.

• Cea mai cunoscută aplicație este bricheta electrică : apăsarea butonului face ca un ciocan cu arc să lovească un cristal piezoelectric, producând un curent electric de înaltă tensiune suficient de mare care curge printr-o mică scânteie , încălzind și aprindând astfel gazul. Scânteile portabile utilizate pentru aprinderea sobelor cu gaz funcționează la fel, iar multe tipuri de arzătoare pe gaz au acum sisteme de aprindere pe bază de piezo încorporate.
• O idee similară este cercetată de DARPA în Statele Unite într-un proiect numit recoltare de energie , care include o încercare de alimentare a echipamentelor de pe câmpul de luptă de către generatoare piezoelectrice încorporate în cizmele soldaților . Cu toate acestea, aceste surse de recoltare a energiei prin asociere afectează corpul. Efortul DARPA de a valorifica 1-2 wați din impactul continuu al pantofilor în timpul mersului a fost abandonat din cauza impracticabilității și a disconfortului din energia suplimentară cheltuită de o persoană care poartă pantofii. Alte idei de recoltare a energiei includ recoltarea energiei din mișcările umane în gări sau alte locuri publice și transformarea unui ring de dans pentru a genera electricitate. Vibrațiile de la mașinile industriale pot fi, de asemenea, recoltate de materiale piezoelectrice pentru a încărca bateriile pentru sursele de rezervă sau pentru a alimenta microprocesoarele de mică putere și radiourile wireless.
• Un transformator piezoelectric este un tip de multiplicator de tensiune alternativă. Spre deosebire de un transformator convențional, care utilizează cuplare magnetică între intrare și ieșire, transformatorul piezoelectric folosește cuplare acustică . O tensiune de intrare este aplicată pe o lungime scurtă a unei bare de material piezoceramic, cum ar fi PZT , creând o tensiune alternativă în bară prin efectul piezoelectric invers și provocând vibrația întregii bare. Frecvența de vibrație este aleasă ca fiind frecvența de rezonanță a blocului, de obicei în intervalul de 100  kilohertz la 1 megahertz. O tensiune de ieșire mai mare este apoi generată pe o altă secțiune a barei de efectul piezoelectric. Au fost demonstrate rapoarte de intensificare mai mari de 1.000: 1. O caracteristică suplimentară a acestui transformator este că, acționând deasupra frecvenței sale rezonante, poate fi făcut să pară ca o sarcină inductivă , care este utilă în circuitele care necesită un pornire soft controlată. Aceste dispozitive pot fi utilizate în invertoare DC-AC pentru a acționa lămpi fluorescente cu catod rece . Transformatoarele piezo sunt unele dintre cele mai compacte surse de înaltă tensiune.

Senzori

Discul piezoelectric folosit ca pickup pentru chitară

Multe grenade cu rachetă au folosit o siguranță piezoelectrică . În imagine, un RPG-7 rusesc

Principiul de funcționare al unui senzor piezoelectric este acela că o dimensiune fizică, transformată în forță, acționează pe două fețe opuse ale elementului senzorial. În funcție de designul unui senzor, pot fi utilizate diferite „moduri” de încărcare a elementului piezoelectric: longitudinal, transversal și forfecare.

Detectarea variațiilor de presiune sub formă de sunet este cea mai obișnuită aplicație a senzorului, de ex. Microfoane piezoelectrice (undele sonore îndoaie materialul piezoelectric, creând o tensiune schimbătoare) și pickup-uri piezoelectrice pentru chitare acustico-electrice . Un senzor piezo atașat la corpul unui instrument este cunoscut sub numele de microfon de contact .

Senzorii piezoelectrici sunt utilizați în special cu sunetul de înaltă frecvență în traductoare cu ultrasunete pentru imagistica medicală și, de asemenea, testarea industrială nedistructivă (NDT).

Pentru multe tehnici de detectare, senzorul poate acționa atât ca senzor, cât și ca actuator - adesea termenul traductor este preferat atunci când dispozitivul acționează în această capacitate dublă, dar majoritatea dispozitivelor piezo au această proprietate de reversibilitate, indiferent dacă este utilizat sau nu. Traductoarele cu ultrasunete, de exemplu, pot injecta unde cu ultrasunete în corp, pot primi unda returnată și o pot transforma într-un semnal electric (o tensiune). Majoritatea traductoarelor cu ultrasunete medicale sunt piezoelectrice.

În plus față de cele menționate mai sus, diverse aplicații pentru senzori și traductoare includ:

• Elementele piezoelectrice sunt, de asemenea, utilizate în detectarea și generarea undelor sonare.
• Materialele piezoelectrice sunt utilizate în detectarea înclinării cu o singură axă și cu două axe.
• Monitorizarea puterii în aplicații de mare putere (de exemplu, tratament medical, sonochimie și prelucrare industrială).
• Microbalanțele piezoelectrice sunt utilizate ca senzori chimici și biologici foarte sensibili.
• Piezos sunt uneori folosiți în aparatele de măsurare a tulpinilor .
• S-a folosit un traductor piezoelectric în instrumentul penetrometrului de pe sonda Huygens .
• Traductoarele piezoelectrice sunt utilizate în tampoane electronice pentru a detecta impactul bețelor bateristului și pentru a detecta mișcările musculare în acceleromiografia medicală .
• Sistemele de gestionare a motoarelor auto utilizează traductoare piezoelectrice pentru a detecta lovirea motorului (Knock Sensor, KS), cunoscut și sub numele de detonare, la anumite frecvențe hertz. Un traductor piezoelectric este, de asemenea, utilizat în sistemele de injecție a combustibilului pentru a măsura presiunea absolută a colectorului (senzorul MAP) pentru a determina sarcina motorului și, în cele din urmă, injectoarele de combustibil în milisecunde de timp.
• Senzorii piezo cu ultrasunete sunt utilizați pentru detectarea emisiilor acustice în testarea emisiilor acustice .
• Traductoarele piezoelectrice pot fi utilizate în debitmetre cu ultrasunete în timp de tranzit .

Actuatoare

Disc metalic cu disc piezoelectric atașat, utilizat într-un buzzer

Deoarece câmpurile electrice foarte ridicate corespund doar modificărilor minuscule ale lățimii cristalului, această lățime poate fi schimbată cu o precizie mai bună decât µm , făcând cristalele piezoelementale cel mai important instrument pentru poziționarea obiectelor cu o precizie extremă - astfel utilizarea lor în actuatoare . Ceramică multistrat, folosind straturi mai subțiri decât 100 pm , permite atingerea câmpuri electrice de înaltă tensiune cu mai mică decât 150 V . Aceste ceramice sunt utilizate în două tipuri de dispozitive de acționare: dispozitive de acționare piezoelectrice directe și dispozitive de acționare piezoelectrice amplificate . În timp ce cursa directă a actuatorului este în general mai mică de 100 µm , actuatoarele piezoamplificate pot atinge cursele milimetrice.

• Difuzoare : Tensiunea este transformată în mișcare mecanică a unei diafragme metalice.
• Curățarea cu ultrasunete folosește de obicei elemente piezoelectrice pentru a produce unde sonore intense în lichid.
• Motoare piezoelectrice : elementele piezoelectrice aplică o forță direcțională unei osii , determinând rotirea acesteia. Datorită distanțelor extrem de mici implicate, motorul piezo este privit ca un înlocuitor de înaltă precizie pentru motorul pas cu pas .
• Elementele piezoelectrice pot fi utilizate în alinierea oglinzii cu laser , unde capacitatea lor de a muta o masă mare (montarea oglinzii) pe distanțe microscopice este exploatată pentru a alinia electronic unele oglinzi laser. Prin controlul precis al distanței dintre oglinzi, electronica laser poate menține cu precizie condițiile optice în interiorul cavității laser pentru a optimiza ieșirea fasciculului.
• O aplicație conexă este modulatorul acusto-optic , un dispozitiv care împrăștie lumina de pe undele sonore dintr-un cristal, generate de elemente piezoelectrice. Acest lucru este util pentru reglarea fină a frecvenței laserului.
• Microscoapele cu forță atomică și microscopii de scanare cu tunel folosesc piezoelectricitate inversă pentru a menține acul de detectare aproape de specimen.
• Imprimante cu jet de cerneală : pe multe imprimante cu jet de cerneală, cristalele piezoelectrice sunt utilizate pentru a conduce ejectarea cernelii din capul de imprimare cu jet de cerneală spre hârtie.
• Motoare diesel : motoarele diesel common rail de înaltă performanță utilizează injectoare piezoelectrice de combustibil , dezvoltate pentru prima dată de Robert Bosch GmbH , în locul celor mai comune dispozitive cu electrovalve .
• Control activ al vibrațiilor folosind actuatoare amplificate.
• Jaluzele cu raze X.
• Etape XY pentru micro scanare utilizate în camerele cu infraroșu.
• Mutarea pacientului tocmai în interiorul scanerelor CT și RMN active unde radiația puternică sau magnetismul exclude motoarele electrice.
• Căștile din cristal sunt uneori folosite în aparatele de radio vechi sau cu putere redusă.
• Ultrasunetele focalizate de înaltă intensitate pentru încălzirea localizată sau crearea unei cavitații localizate pot fi realizate, de exemplu, în corpul pacientului sau într-un proces chimic industrial.
• Afișaj braille reîmprospătabil . Un mic cristal este extins prin aplicarea unui curent care mișcă o pârghie pentru a ridica celulele braille individuale.
• Actuator piezoelectric. Un singur cristal sau un număr de cristale sunt extinse prin aplicarea unei tensiuni pentru deplasarea și controlul unui mecanism sau sistem.
• Actuatoarele piezoelectrice sunt utilizate pentru poziționarea servo fină pe unitățile de disc.

Standard de frecvență

Proprietățile piezoelectrice ale cuarțului sunt utile ca standard de frecvență .

• Ceasurile de cuarț folosesc un oscilator de cristal realizat dintr-un cristal de cuarț care utilizează o combinație atât de piezoelectricitate directă, cât și inversă pentru a genera o serie temporizată de impulsuri electrice care este utilizată pentru a marca timpul. Cristalul de cuarț (ca orice material elastic ) are o frecvență naturală precis definită (cauzată de forma și dimensiunea sa) la care preferă să oscileze și aceasta este utilizată pentru a stabiliza frecvența unei tensiuni periodice aplicate cristalului.
• Același principiu este utilizat în unele emițătoare și receptoare radio și în computere unde creează un impuls de ceas . Ambele folosesc de obicei un multiplicator de frecvență pentru a atinge intervalele de gigahertz.

Motoare piezoelectrice

Un servomotor antiderapant

Tipurile de motoare piezoelectrice includ:

• Motorul cu ultrasunete utilizat pentru focalizarea automată în camerele reflex
• Motoare cu vierme pentru mișcare liniară
• Motoare dreptunghiulare cu patru cadrane cu densitate mare de putere (2,5  W / cm ³ ) și viteză cuprinsă între 10 nm / s și 800 mm / s.
• Motor piezo cu trepte, cu efect de alunecare .

În afară de motorul cu glisare, toate aceste motoare funcționează pe același principiu. Condus de două moduri de vibrație ortogonală cu o diferență de fază de 90 °, punctul de contact dintre două suprafețe vibrează într-o cale eliptică , producând o forță de frecare între suprafețe. De obicei, o suprafață este fixă, determinând mutarea celeilalte. În majoritatea motoarelor piezoelectrice, cristalul piezoelectric este excitat de un semnal de undă sinusoidală la frecvența de rezonanță a motorului. Folosind efectul de rezonanță, o tensiune mult mai mică poate fi utilizată pentru a produce o amplitudine de vibrație ridicată.

Un motor antiderapant funcționează folosind inerția unei mase și fricțiunea unei cleme. Astfel de motoare pot fi foarte mici. Unele sunt utilizate pentru deplasarea senzorului camerei, permițând astfel o funcție anti-shake.

Reducerea vibrațiilor și a zgomotului

Diferite echipe de cercetători au cercetat modalități de reducere a vibrațiilor din materiale prin atașarea elementelor piezo la material. Când materialul este îndoit de o vibrație într-o direcție, sistemul de reducere a vibrațiilor răspunde la îndoire și trimite energie electrică către elementul piezo pentru a se îndoaie în cealaltă direcție. Aplicațiile viitoare ale acestei tehnologii sunt așteptate în mașini și case pentru a reduce zgomotul. Alte aplicații pe structuri flexibile, cum ar fi cochilii și plăci, au fost, de asemenea, studiate timp de aproape trei decenii.

Într-o demonstrație la Târgul de viziune materială de la Frankfurt, în noiembrie 2005, o echipă din TU Darmstadt din Germania a arătat mai multe panouri care au fost lovite cu un ciocan de cauciuc, iar panoul cu elementul piezo a încetat imediat să se balanseze.

Tehnologia cu fibre ceramice piezoelectrice este utilizată ca sistem electronic de amortizare pe unele rachete de tenis HEAD .

Toți traductoarele piezo au o frecvență rezonantă fundamentală și multe frecvențe armonice. Sistemele cu fluide Drop-On-Demand acționate de piezo sunt sensibile la vibrațiile suplimentare din structura piezo care trebuie reduse sau eliminate. O companie cu jet de cerneală, Howtek, Inc a rezolvat această problemă prin înlocuirea duzelor cu jet de cerneală din sticlă (rigide) cu duze cu jet de cerneală Tefzel (moale). Această idee nouă a popularizat jeturile de cerneală cu duză simplă și sunt acum utilizate în imprimantele cu jet de cerneală 3D care funcționează ani de zile dacă sunt păstrate curate în interior și nu sunt supraîncălzite (Tefzel se strecoară sub presiune la temperaturi foarte ridicate)

Tratamentul infertilității

La persoanele cu eșec anterior de fertilizare totală , activarea piezoelectrică a ovocitelor împreună cu injecția intracitoplasmatică de spermă (ICSI) pare să îmbunătățească rezultatele fertilizării.

Interventie chirurgicala

Piezochirurgia Piezochirurgia este o tehnică minim invazivă care are ca scop tăierea unui țesut țintă cu deteriorări reduse a țesuturilor vecine. De exemplu, Hoigne și colab. folosește frecvențe în intervalul 25-29 kHz, provocând microvibrații de 60-210 μm. Are capacitatea de a tăia țesutul mineralizat fără a tăia țesutul neurovascular și alte țesuturi moi, menținând astfel o zonă de operare fără sânge, o vizibilitate mai bună și o precizie mai mare.

Aplicații potențiale

În 2015, cercetătorii de la Universitatea Cambridge care lucrează împreună cu cercetătorii de la Laboratorul Național de Fizică și compania de antene dielectrice din Antenova Ltd, cu sediul în Cambridge, folosind pelicule subțiri de materiale piezoelectrice, au constatat că, la o anumită frecvență, aceste materiale devin nu numai rezonatori eficienți, ci și radiatoare eficiente de asemenea, ceea ce înseamnă că pot fi utilizate ca antene. Cercetătorii au descoperit că, supunând peliculele subțiri piezoelectrice unei excitații asimetrice, simetria sistemului este în mod similar ruptă, rezultând o rupere a simetriei corespunzătoare a câmpului electric și generarea de radiații electromagnetice.

Au apărut mai multe încercări de aplicare la scară macro a tehnologiei piezoelectrice pentru a recolta energia cinetică de la pietonii care merg.

În acest caz, localizarea zonelor cu trafic ridicat este esențială pentru optimizarea eficienței de recoltare a energiei, precum și orientarea pavajului de țiglă afectează semnificativ cantitatea totală de energie recoltată. Se recomandă o evaluare a debitului densității pentru a evalua calitativ potențialul de recoltare a puterii piezoelectrice a zonei luate în considerare pe baza numărului de treceri de pietoni pe unitate de timp. În studiul lui X. Li, este examinată și discutată posibila aplicare a unei secerătoare comerciale de energie piezoelectrică într-o clădire centrală de la Universitatea Macquarie din Sydney, Australia. Optimizarea desfășurării plăcilor piezoelectrice este prezentată în funcție de frecvența mobilității pietonilor și se dezvoltă un model în care 3,1% din suprafața totală a podelei cu cea mai mare mobilitate pietonală este pavată cu plăci piezoelectrice. Rezultatele modelării indică faptul că potențialul total anual de recoltare a energiei pentru modelul de trotuar optimizat propus este estimat la 1,1 MW h / an, ceea ce ar fi suficient pentru a satisface aproape 0,5% din necesarul anual de energie al clădirii. În Israel, există o companie care a instalat materiale piezoelectrice pe o autostradă aglomerată. Energia generată este adecvată și alimentează luminile stradale, panourile publicitare și indicatoarele.

Compania de anvelope Goodyear intenționează să dezvolte o anvelopă generatoare de energie electrică care să aibă material piezoelectric în interior. Pe măsură ce anvelopa se mișcă, aceasta se deformează și astfel se generează electricitate.

Eficiența unei celule fotovoltaice hibride care conține materiale piezoelectrice poate fi crescută pur și simplu prin plasarea acesteia lângă o sursă de zgomot ambiental sau vibrații. Efectul a fost demonstrat cu celule organice folosind nanotuburi de oxid de zinc . Electricitatea generată de efectul piezoelectric în sine este un procent neglijabil din producția totală. Nivelurile sonore de până la 75 decibeli au îmbunătățit eficiența cu până la 50%. Eficiența a atins un vârf la 10 kHz, frecvența de rezonanță a nanotuburilor. Câmpul electric creat de nanotuburile vibrante interacționează cu electronii care migrează din stratul de polimer organic. Acest proces scade probabilitatea de recombinare, în care electronii sunt energizați, dar se stabilesc înapoi într-o gaură în loc să migreze către stratul ZnO de acceptare a electronilor.

Vezi si

• Amplificator de încărcare
• Electret
• Componenta electronica
• Electrostricție
• Flexoelectricitate
• Magnetostricție
• Efect fotoelectric
• Difuzor piezoelectric
• Piezoluminescență
• Piezomagnetism
• Efect piiezorezistiv
• Piezochirurgical
• Microbalanța cristalelor de cuarț
• Sonometrometrie
• Unda acustică de suprafață
• Triboluminescență

Referințe

Lecturi suplimentare

• EN 50324 (2002) Proprietăți piezoelectrice ale materialelor și componentelor ceramice (3 părți)
• ANSI-IEEE 176 (1987) Standard privind piezoelectricitatea
• IEEE 177 (1976) Definiții standard și metode de măsurare pentru vibratoarele piezoelectrice
• IEC 444 (1973) Metoda de bază pentru măsurarea rezistenței frecvenței de rezonanță și rezistenței seriei echiv a unităților de cristal de cuarț prin tehnica fazei zero într-o rețea pi
• IEC 302 (1969) Definiții standard și metode de măsurare pentru vibratoarele piezoelectrice care funcționează în intervalul Freq până la 30 MHz

linkuri externe

• Gautschi, Gustav H. (2002). Senzori piezoelectrici . Springer. ISBN 978-3-540-42259-4.
• Filme polimerice celulare piezoelectrice: Fabricare, proprietăți și aplicații
• Microdrive pe bază de motor piezo pentru înregistrarea semnalului neuronal
• Cercetări privind noile materiale piezoelectrice
• Ecuații piezo
• Piezo în design medical
• Demonstrație video a piezoelectricității
• Pachetul de predare și învățare DoITPoMS - Materiale piezoelectrice
• PiezoMat.org - Baza de date online pentru materiale piezoelectrice, proprietățile acestora și aplicații
• Tipuri de motoare piezo
• Piezo-Teorie și aplicații