Что такое пьезоэлементы, и где они применяются

Пьезоэлектрики — диэлектрики, в которых происходит пьезоэффект, то есть те диэлектрики, которые могут под действием деформации индуцировать электрический заряд на своей поверхности (прямой пьезоэффект) или под влиянием внешнего электрического поля деформироваться (обратный пьезоэффект). Оба эффекта открыты братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 — 1881 годах.

История создания

Почти 150 лет назад, братья Пьер и Жак Кюри обнаружили феномен пьезоэлектричества, явление, когда определенные диэлектрические кристаллы при механическом воздействии производят электрическую поляризацию. Это открытие было результатом предшествующих исследований Пьера Кюри по взаимосвязи между пироэлектричеством и кристаллической симметрией. Их эксперименты с кристаллами, такими как цинковая обманка, хлорат натрия, борацит, турмалин, кварц, коламин, топаз, винная кислота, тростниковый сахар и сегнетова соль, показали возникновение электричества при сдавливании этих веществ.

Французский физик Габриель Липпман в 1881 году предложил математическое описание пьезоэффекта, опираясь на термодинамические принципы. Русские ученые также внесли значительный вклад в исследование этого явления. Борис Захарович Коленко, Абрам Федорович Иоффе и Борис Борисович Голицын провели важные исследования, включая создание Голицыным пьезоэлектрического сейсмографа.

Открытие пьезоэлектричества оказало значительное влияние на развитие технологий, включая производство телефонов и подводных ультразвуковых локаторов. Сегодня пьезоэффект находит применение во многих областях, включая стабилизацию частот, вибромониторинг, датчики давления, бытовые приборы и автомобильные компоненты. Изучение и использование этого феномена продолжается, с целью разработки новых способов выработки электроэнергии.

Материаловедение Пьезоэлектриков

Пьезоэлектрические материалы представляют собой уникальный класс веществ, способных генерировать электрическое напряжение под воздействием механического давления и наоборот. В их число входят кварц, цирконат-титанат свинца (PZT), и нитрид алюминия. Каждый из этих материалов обладает своими уникальными свойствами, которые определяют их применение в различных областях.

Кварц, один из наиболее известных природных пьезоэлектриков, характеризуется высокой стабильностью и низким коэффициентом температурного расширения. Это делает его идеальным для применения в часовой промышленности и в качестве стабилизатора частоты в радиоэлектронных устройствах.

Цирконат-титанат свинца (PZT), синтетический пьезоэлектрик, обладает значительно более высоким пьезоэлектрическим коэффициентом по сравнению с кварцем. Благодаря этому, PZT находит широкое применение в преобразователях для ультразвуковой техники, датчиках давления и актуаторах. Однако его применение ограничивается из-за содержания свинца, который является вредным для окружающей среды.

Нитрид алюминия выделяется среди пьезоэлектрических материалов благодаря своей совместимости с полупроводниковыми процессами. Это делает его идеальным для интеграции в микроэлектромеханические системы (MEMS). Нитрид алюминия также обладает высокой термической стабильностью и сопротивлением к химическому воздействию, что расширяет область его потенциального применения.

В целом, выбор пьезоэлектрического материала для конкретного применения зависит от требуемых характеристик, таких как пьезоэлектрический коэффициент, температурная стабильность, совместимость с другими материалами и экологическая безопасность.

Пьезоэлектрики широко применяются в современной технике как элементы датчиков (например давления) . Существуют пьезоэлектрические детонаторы, источники звука большой мощности, миниатюрные трансформаторы, кварцевые резонаторы для высокостабильных генераторов частоты, пьезокерамические фильтры, ультразвуковые линии задержки и другое. Наиболее широкое применение в этих целях кроме кристаллического кварца получила поляризованная пьезокерамика, изготовленная из поликристаллических сегнетоэлектриков, изготовленные из цирконата-титаната свинца.

Понять этот процесс проще всего на примере пьезоэлемента в зажигалке, который представляет собой маленький кристалл кварца, обладающий пьезоэлектрическими свойствами. Если приложить к такому кристаллу напряжение, то происходит деформация кристаллической решётки и изменение размеров кристалла. Так происходит прямой пьезоэффект.

Если сжать или растянуть кристалл кварца, то на его поверхности образуется напряжение. Это так называемый обратный пьезоэффект. Пьезоэлементы, которые под действием деформации индуцируют электрический заряд, уже давно используют для того, чтобы преобразовать механическую энергию в электричество. Например, на танцполах, и на автомобильных парковках.

Однако уверяем, что потенциал данных материалов этим не ограничивается. Например, европейские ученые представили свою разработку на конференции International Electron Devices Meeting. Они продемонстрировали прототип устройства с габаритами микромашины.

Для этого они применили в качестве пьезоэлемента нитрид алюминия вместо традиционного цирконат-титаната свинца. Этот прототип выполняет функцию беспроводного датчика температуры, который впитывает энергию от всевозможных вибраций и передает данные на базовую станцию каждые 15 секунд.

Сегодня установка на реактивные самолеты пьезопреобразователей позволяет экономить до 30 процентов топлива за счет колебаний фюзеляжа и крыльев самолета. Фирма «Филипс» создала светофор, батарея которого заряжается от шума. Нетрудно предположить, что подобные разработки будут появляться все чаще. Сфера их применения в перспективе значительно расширится.

Эксперты смело говорят о том, что в ближайшее время вообще исчезнет нехватка мощностей. Ведь, если есть пьезоэлемент, то можно извлекать электроэнергию из движущихся автомобилей и идущих людей. Даже по скромным подсчетам получается, что с десяти километров двухполосной пьезодороги можно будет получить примерно пять мегаватт в час! Чтобы иметь представление, насколько это много, достаточно вспомнить, что именно столько вырабатывает первая атомная станция в Обнинске.

Новые экологически безопасные пьезоэлектрические материалы

Были созданы керамические образцы с перовскитной структурой в системах NBT-BT (KCl) и NBT-BT (LiF). Наблюдалось увеличение размера псевдокубической ячейки с повышением уровня добавленных компонентов. Зафиксированы фазовые переходы около температур ~ 350 и 600 K.

Керамики NBT-BT (KCl) и NBT-BT (LiF) выделяются своими высокими значениями диэлектрической проницаемости при комнатной температуре, превышающими показатели базового состава BNT-BT.

При повышенных температурах обнаружены эффекты диэлектрической релаксации, которые связаны с присутствием вакансий в кислородной подрешетке.

Учитывая установленные корреляции между диэлектрической проницаемостью при комнатной температуре и значениями пьезокоэффициентов, данные результаты указывают на большие перспективы использования составов системы BNT-BT в разработке новых пьезокерамических материалов.

Перспективы Использования Пьезокерамики

Пьезокерамика, хотя и была открыта в 19-м веке, продолжает оставаться одним из наиболее перспективных материалов 21-го века. Это объясняется её уникальными свойствами, которые до сих пор не полностью реализованы в научных, технических и технологических сферах. С 60-70-х годов XX века пьезокерамика нашла широкое применение в различных областях, включая медицину, транспорт, энергетику и нефтегазовую отрасль.

В последнее время активно исследуются новые способы использования пьезокерамики, в том числе в качестве генераторов, актуаторов и в комбинированных системах. Это связано с современными требованиями к энергосбережению, миниатюризации и адаптации к компьютерным системам управления. Результатом таких исследований является разработка новых типов пьезокерамики и совершенствование существующих элементов, особое внимание уделяется пьезокерамическим трансформаторам и актуаторам.

Пьезотрансформаторы обладают огромным потенциалом для будущего использования, в частности, в качестве резонансных DC-AC конвертеров в бытовой и производственной осветительной технике. Исследования подтверждают, что многослойные пьезокерамические трансформаторы могут стать важной частью нового поколения осветительных устройств, способных экономить до 80% электроэнергии.

Актуаторы также представляют большой интерес, особенно мощные пакетные актуаторы и маломощные гибкие актуаторы, такие как биморфы и ленточные актуаторы. Пакетные актуаторы уже используются в космической, лазерной технике и оптических инструментах, а также находят применение в точной настройке станков и подавлении вибраций. Гибкие актуаторы широко используются в пьезоэлектрических датчиках и в качестве электронных переключателей, а также находят новые применения в текстильной промышленности и медицинских устройствах.

Таким образом, современные исследования и разработки в области пьезокерамики открывают новые возможности для её использования в различных сферах, от осветительной техники до высокоточных промышленных систем, что подтверждает её статус одного из наиболее перспективных материалов современности.