کاربرد مواد پیزوالکتریک و اثرات پیزوالکتریک

2 طبقه بندی مواد پیزوالکتریک
مواد پیزوالکتریک چندین نقطه عطف را در کریستال های کوارتز، سرامیک های پیزوالکتریک، پلیمرهای پیزوالکتریک و کامپوزیت های پیزوالکتریک تجربه کرده اند. انواع اصلی مواد پیزوالکتریک به اختصار معرفی می شوند.

1) کریستال سرامیک پیزوالکتریک.
کریستال های پیزوالکتریک موادی هستند که در اثر پیزوالکتریک اولیه استفاده می شوند، عمدتاً کریستال کوارتز (SiO2)، کریستال پیزوالکتریک محلول در آب (تارتارات سدیم پتاسیم) و کریستال نیوبات لیتیوم. با توجه به عملکرد پایدار تک کریستال پیزوالکتریک، هزینه آن بالا است. فقط برای ابزارها یا حسگرهای استاندارد با الزامات دقت بالا. توسعه فناوری سرامیک پیزوالکتریک به تدریج جایگزین روند مواد فوق شده است. با این حال، در سال های اخیر، محققان از کشورهای مختلف کارهای زیادی برای توسعه مواد پیزوالکتریک کریستالی جدید انجام داده اند. در حال حاضر، یک تک کریستال پیزوالکتریک دیسک سرامیکی پیزو با حداکثر 2600 pc/N و k33 تا 0.95 ساخته شده است و چگالی ذخیره انرژی آن می تواند به 130J/kg برسد که بیش از 10 برابر چگالی ذخیره سازی سرامیک های پیزوالکتریک است. تحقیقات در مورد فرآیند تولید مواد پیزوالکتریک انجام شده است و موفقیت در تولید انبوه مطمئناً کاربرد بیشتر مواد پیزوالکتریک را گسترش خواهد داد.

2) مواد پیزوالکتریک مبتنی بر PbTiO3.
مواد پیزوالکتریک PbTiO3 (به عنوان PT) به طور گسترده ای در ساخت قطعات سرامیکی پیزوالکتریک با فرکانس بالا و دمای بالا استفاده می شود. در حال حاضر تحقیقاتی بر روی این ماده عمدتاً در تهیه نانوپودر PbTiO3 از جمله تولید مواد اولیه، روش‌های تولید و فرآیندهای ساخت انجام شده است. تنوع مواد خام و به روز رسانی مداوم فرآیندهای تولید باعث شده است که عملکرد PbTiO3 به طور مداوم بهبود یابد. در حال حاضر، این ماده به طور گسترده در آزمایش‌های غیرمخرب مبدل، اولتراسونیک و صنعتی استفاده می‌شود.

3) سرامیک های پیزوالکتریک.
سرامیک های پیزوالکتریک مواد پیزوالکتریک پلی کریستالی مصنوعی هستند. توسعه فن آوری پردازش باعث شده است که اندازه سرامیک های پیزوالکتریک به زیر میکرون کاهش یابد، به طوری که می توان بستر را نازک تر کرد و سرامیک های پیزوالکتریک ریزدانه ظاهر شد. این ماده فرکانس آرایه را افزایش می دهد و از دست دادن آرایه را کاهش می دهد، اما اثرات اثر پیزوالکتریک را نیز کاهش می دهد. توسعه نانوتکنولوژی اثر پیزوالکتریک سرامیک های پیزوالکتریک ریزدانه را بهبود بخشیده است و اثر پیزوالکتریک آن با سرامیک های پیزوالکتریک دانه درشت قابل مقایسه است. در حال حاضر تحقیق و توسعه مواد سرامیکی پیزوالکتریک مورد توجه همه کشورهاست.

3 کاربرد اثر پیزوالکتریک
فناوری اثر پیزوالکتریک به طور گسترده در ساخت مبدل‌ها، محرک‌ها و حسگرهای مختلف استفاده شده است. یک مثال معمولی از کاربرد اثرات پیزوالکتریک در مبدل ها، استفاده از تاخیرهای زمانی سیگنال الکتریکی است. در گذشته، خط تأخیر ساخته شده توسط خط انتقال حجم زیادی داشت و تلفات سیگنال در حین انتقال زیاد بود. مبدل پیزوالکتریک به مبدل فرستنده و مبدل گیرنده روی یک محیط جامد متصل است و سیگنال الکتریکی از طریق اثر پیزوالکتریک معکوس منتقل می شود. سیگنال به سیگنال صوتی تبدیل می شود و در یک محیط جامد منتشر می شود. پس از مدتی، سیگنال صوتی توسط مبدل گیرنده از طریق اثر پیزوالکتریک مثبت به سیگنال الکتریکی تبدیل می شود و وظیفه تاخیر سیگنال تکمیل می شود. از آنجایی که سرعت امواج صوتی در یک محیط جامد پنج مرتبه آهسته تر از یک موج الکترومغناطیسی است، تاخیر سیگنال تنها با یک محیط جامد کوچک قابل دستیابی است. خط تاخیر ساخته شده توسط مبدل پیزوالکتریک دارای ویژگی های حجم کم، وزن سبک، عملکرد پایدار و موارد مشابه است و ساخت نسبتا آسانی دارد. با استفاده از اثر پیزوالکتریک معکوس می توان محرک های مختلفی ساخت. محرک های پیزوالکتریک را می توان با توجه به روش های مختلف رانندگی به محرک های جابجایی صلب و محرک های جابجایی تشدید تقسیم کرد. محرک های پیزوالکتریک به مکانیزم انتقال نیاز ندارند و به دقت کنترل جابجایی بالایی دست می یابند. در عین حال، سرعت پاسخ سریع است، شکاف آناستوموز مکانیکی وجود ندارد، کنترل جابجایی پیگیری ولتاژ قابل تحقق است، و توان خروجی زیاد است در حالی که مصرف برق کم است. چین در این زمینه به نتایج برجسته ای مانند موتورهای اولتراسونیک پیزوالکتریک، میکرو ربات ها و گیره های کوچک دست یافته است. حسگرهای مختلفی را می توان با استفاده از اثر پیزوالکتریک ساخت، مانند سنسورهای فشار پیزوالکتریک، سنسورهای اولتراسونیک و سنسورهای شتاب پیزوالکتریک. 

شتاب سنج های پیزوالکتریک با ساختار ساده، اندازه کوچک، وزن سبک و عمر طولانی مشخص می شوند. در اندازه‌گیری ارتعاش و شوک هواپیما، خودرو، کشتی، پل و ساختمان به‌ویژه هوانوردی کاربرد فراوانی دارد و جایگاه ویژه‌ای در حوزه هوافضا دارد. سنسورهای پیزوالکتریک همچنین می توانند برای اندازه گیری فشار احتراق داخلی و خلاء استفاده شوند و در صنایع نظامی و اندازه گیری های زیست پزشکی استفاده می شوند. علاوه بر این، از فناوری اندازه گیری پیزوالکتریک می توان برای ساخت ابزارهای اندازه گیری مختلف مانند ژیروسکوپ پیزوالکتریک و فلومتر پیزوالکتریک و همچنین تشخیص دهنده ها، نوسان سازهای پیزوالکتریک، ترانسفورماتورها، فیلترها و غیره استفاده کرد که در تولید، حیات، تحقیقات علمی و دفاع ملی تولید می شوند.

با مزایای منحصر به فرد خود، اثر پیزوالکتریک فناوری مبدل سرامیکی HIFU به طور گسترده در تقاضای رو به رشد انرژی امروزی استفاده شده است. در این مقاله مواد پیزوالکتریک از چهار جنبه کریستال پیزوالکتریک، مواد پیزوالکتریک PbTiO3، پیزوالکتریک سرامیک و کامپوزیت پلیمری بالا معرفی می‌شوند. کاربرد این فناوری در مبدل ها، محرک ها و حسگرها آورده شده است. من معتقدم که توسعه فناوری پیزوالکتریک فردای بهتری را برای ما به ارمغان خواهد آورد. برای اطمینان از کیفیت ساخت و ساز و کاهش وقوع حوادث ایمنی در طول فرآیند ساخت و ساز. معرفی فن آوری های جدید در فرآیند ساخت و ساز نه تنها می تواند کیفیت ساخت و ساز را بهبود بخشد، بلکه ایمنی فرآیند ساخت و ساز را نیز بهبود می بخشد، مانند استفاده از فناوری تجهیزات تست آنلاین زنده.

4) تقویت تعمیر و نگهداری تجهیزات ساختمانی.
در استفاده طولانی مدت از تجهیزات ساخت و ساز برق، تحت تاثیر آلودگی صنعتی و آلودگی محیطی قرار می گیرد. برای کاهش این اثرات، لازم است قبل از ساخت، آمادگی لازم را داشته باشید. به عنوان مثال، عملیات پیش از خوردگی سیم های عایق قبل از ساخت، یا انتخاب عایق هایی با قابلیت ضد آلودگی قوی و نگهداری و تعمیر و نگهداری منظم تجهیزات.