Пиезоелектрични материали: принцип, свойства и приложения

Открийте принципите, свойства и приложения на пиезоелектричните материали — как деформацията генерира енергия, повишава чувствителността при налягане и намира приложение в сензори и индустрия.

Пиезоелектричните материали преобразуват механична деформация в електрически заряд и обратно — електрично поле предизвиква механична промяна на формата. Това е т.нар. директен и обратен пиезоелектричен ефект и той е линейна взаимовръзка между механичното напрежение/деформация и електрическото поле/заряд.

Принцип на действие

При пиезоелектричен материал механичната деформация измества центровете на положителния и отрицателния заряд в кристалната решетка, което води до появяване на електрически полюс (заряд) на повърхността. Обратно, приложеното електрично поле предизвиква механична деформация на кристала. Връзката се описва чрез пиезоелектрични коефициенти d_ij (единици pC/N или pm/V), които характеризират колко заряд или колко движение се получава при единично напрежение или поле.

За стойностите на деформация и генерирана енергия

Типичните механични деформации при пиезоелектрични елементи са малки (обикновено в порядъка 10⁻⁶ до 10⁻³), но достатъчни за чувствителни сензори и точни актуатори. Напр. коефициентите d₃₃ за някои керамики (PZT) могат да достигат стотици pC/N, докато за кварц са от порядъка на 2–3 pC/N.

Важно е да се отбележи, че количеството генерирана електрическа енергия зависи от форма, обем, полиране, честота на натоварването и външната верига. Пиезоелектричен елемент може да генерира високо напрежение при рязка ударна деформация (например някои импулсни запалки дават стотици или хиляди волта), но зарядът и енергията са много малки (микрокулон или милиджоулове). Указания като "12 mAh при 230 V" са некоректни, тъй като mAh е мярка за капацитет на акумулатор и не описва енергийния импулс от механична деформация.

Деформация и обем

Промяната на размерите по отделните оси (x, y, z) при деформация е типична — някои деформации могат да запазят обема (напр. чиста деформация без компресия: чист шеър), докато други предизвикват промяна на обема. Затова даден пример с изменения на трите размерни страни, при който обемът остава същият, е възможен, но не е общо свойство на всички деформации. При малки линейни деформации обемната промяна е свързана със сумата от компонентите на тензора на деформацията (следователно не всяка деформация запазва обема).

Обработка и поляризация (поизване)

За да проявят силен пиезоелектричен ефект, много керамични материали се подлагат на процес, наричан поляризация (poled): материалът се нагрява близо до или над своята Кюриова температура и се прилага силно електрическо поле. След охлаждане под полето домените (микроскопичните поляризирани области) остават подредени, което увеличава пиезоелектричните характеристики. Процесът не прави „остра“ форма на кристала в смисъл на геометрия, а подрежда електрическите домени и повишава чувствителността и ефективността на материала.

В същото време материалите са често крехки (особено керамиките), чувствителни на механични повреди и на високи компресивни или опънни напрежения, които могат да доведат до отомполиране (depolarization) или пукнатини и да намалят работоспособността.

Свойства и видове пиезоелектрични материали

• Кварц: естествен минерал, стабилен, с нисък коефициент, използва се широко във времева стабилност и резонатори.
• Керамики (PZT, BaTiO3): високи пиезо коефициенти, използват се за актуатори, трансдюсери и сензори.
• Полимери (PVDF): гъвкави, използвани за повърхностни сензори и биосъвместими приложения, но с по-нисък добив от керамиките.
• Монокристали (PMN-PT и др.): много високи коефициенти за високо-производителни приложения.

Приложения

• Сензори: налягане, удар, ускорение (акселерометри), вибрации.
• Актуатори и позициониращи механизми: микронизиранe, оптични фокусиращи елементи, пикоскопични движения.
• Ултразвукови трансдюсери за медицинска диагностика и индустриална инспекция.
• Енергийно улавяне (energy harvesting): преобразуване на вибрации в електричество за захранване на малки сензори — обикновено с ниска мощност, подходяща за самостоятелни сензорни възли.
• Кварцови осцилатори и резонатори за прецизни честотни източници.
• Запалки и импулсни източници: генериране на високо напрежение за възпламеняване.

Практически съображения

При проектиране с пиезоелектрични елементи трябва да се има предвид: работна честота и резонанс, механична и електрическа връзка (електроди, импедансно съвпадение), температурна стабилност (Кюриова температура), механична якост и защита срещу влага. За енергийно улавяне са необходими вериги за изправяне, регулиране и съхранение (суперкондензатори или акумалатори) за да се получи полезна и устойчива мощност.

Кратко обобщение: Пиезоелектричните материали са мощен инструмент за преобразуване между механична и електрическа енергия. Те работят при малки деформации и могат да дадат високо напрежение, но с ограничен заряд и енергия; за да проявят оптимални свойства, често се поляризират чрез нагряване и прилагане на електрично поле, а изборът на материал и конструкция зависи силно от приложението.

Търсене по буква