اصل اثر پیزوالکتریک و کاربرد آن در سرامیک های پیزو

هنگامی که برخی از دی الکتریک ها توسط یک نیروی خارجی در جهت خاصی تغییر شکل می دهند، قطبش در داخل آنها رخ می دهد و بارهای مخالف مثبت و منفی در دو سطح مخالف آنها ظاهر می شود. هنگامی که نیروی خارجی حذف شود، به حالت بدون بار باز می گردد. این پدیده را اثر پیزوالکتریک مثبت می نامند. هنگامی که جهت نیرو تغییر می کند، قطبیت بار تغییر می کند. برعکس، هنگامی که یک میدان الکتریکی در جهت قطبش دی الکتریک اعمال می شود، این دی الکتریک ها نیز تغییر شکل می دهند و تغییر شکل دی الکتریک پس از حذف میدان الکتریکی از بین می رود. این پدیده اثر پیزوالکتریک معکوس یا الکترواستریکشن نامیده می شود. سرامیک های پیزوالکتریک در واقع یک سرامیک فروالکتریک پلاریزه با اثر پیزوالکتریک هستند. این یک ماده جدید برای اطلاعات است. سرامیک های پیزوالکتریک یکی از انواع سرامیک های کاربردی هستند.

اول، اصل اثر پیزوالکتریک:
   اصل اثر پیزوالکتریک pzt پیزو سرامیک به این صورت است که اگر فشاری به ماده پیزوالکتریک وارد شود، اختلاف پتانسیل ایجاد می کند (که به آن اثر پیزوالکتریک مثبت گفته می شود) و برعکس، یک تنش مکانیکی (به نام اثر پیزوالکتریک معکوس) ایجاد می شود. اگر فشار یک ارتعاش با فرکانس بالا باشد، جریان فرکانس بالا تولید می شود. هنگامی که یک سیگنال الکتریکی با فرکانس بالا به یک سرامیک پیزوالکتریک اعمال می شود، یک سیگنال صوتی با فرکانس بالا (ارتعاش مکانیکی) تولید می شود که ما معمولاً آن را سیگنال اولتراسونیک می نامیم. به عبارت دیگر، سرامیک های پیزوالکتریک دارای عملکرد تبدیل و تبدیل معکوس بین انرژی مکانیکی و انرژی الکتریکی هستند و این رابطه متقابل واقعاً جالب است. مواد پیزوالکتریک می توانند میدان های الکتریکی به دلیل تغییر شکل مکانیکی یا تغییر شکل مکانیکی در اثر میدان الکتریکی ایجاد کنند. این اثر جفت مکانیکی- الکتریکی ذاتی باعث می شود که مواد پیزوالکتریک به طور گسترده در مهندسی مورد استفاده قرار گیرند. برای مثال از مواد پیزوالکتریک برای ساخت سازه های هوشمند استفاده شده است. این گونه سازه ها علاوه بر قابلیت های خود حمایتی، دارای عملکردهایی مانند خود تشخیصی، خودسازگاری و خود درمانی هستند و نقش مهمی در طراحی هواپیماهای آینده دارند.

2. مواد پیزوالکتریک
اثر پیزوالکتریک مواد پیزوالکتریک سنسور دیسک پیزو به دلیل آرایش ویژه اتم ها در شبکه کریستالی است که باعث می شود ماده اثر جفت شدن میدان تنش و میدان الکتریکی را داشته باشد. بسته به نوع ماده، مواد پیزوالکتریک را می توان به تک کریستال های پیزوالکتریک، پلی کریستال های پیزوالکتریک (سرامیک های پیزوالکتریک)، پلیمرهای پیزوالکتریک و مواد مرکب پیزوالکتریک طبقه بندی کرد. با توجه به فرم مواد خاص، می توان آن را به دو نوع تقسیم کرد: مواد پیزوالکتریک و فیلم پیزوالکتریک.

3. تک کریستال پیزوالکتریک
تک بلورهای پیزوالکتریک بیشتر ترانزیستورهای آهنی هستند. همچنین شامل کوارتز، سولفید کادمیوم، اکسید روی، نیترید آلومینیوم و سایر کریستال ها می شود. این بلورهای فروالکتریک شامل یک ترانزیستور اکسیژن دارای هشت وجهی اکسیژن مانند کریستال تیتانات باریم، نیوبات لیتیوم دارای ساختار لیتیوم نیوبات، بلور روتنات بیسموت و کریستال روتنات استرانسیوم دارای ساختار برنز تنگستن است. یک ترانزیستور فروالکتریک حاوی پیوند هیدروژنی است، مانند کریستال های دی هیدروژن فسفات پتاسیم، دی هیدروژن فسفات آمونیوم و هیدروژن فسفات سرب (و فسفات استرانسیم سرب). یک کریستال تیتانات باریم یا مانند آن که ساختار لایه ای دارد. در حال حاضر، پرکاربردترین ترانزیستور کوارتز غیر فروالکتریک، ترانزیستور فشار معمولی آهن لیتیوم نیوبات و بیسموت روتنات است.

4. پلیمر پیزوالکتریک
در اوایل سال 1940، اتحاد جماهیر شوروی کشف کرد که چوب سرامیک پیزوالکتریک است. پیزوالکتریک در بافت هایی مانند رامی، بامبو ابریشم، استخوان حیوانات، پوست و رگ های خونی یافت می شود. در سال 1960، پیزوالکتریک پلیمرهای مصنوعی کشف شد. در سال 1969 مشخص شد که پلی وینیلیدین فلوراید پس از رسوب الکتریکی دارای پیزوالکتریک قوی است. مواد دارای خواص پیزوالکتریک قوی عبارتند از PVDF و کوپلیمرهای آن، پلی وینیل فلوراید، پلی وینیل کلراید، پلی-γ-متیل-L-گلوتامات و نایلون-11.

5. مواد مرکب پیزوالکتریک
کامپوزیت های پیزوالکتریک مواد پیزوالکتریکی هستند که از دو یا چند ماده ترکیب شده اند. کامپوزیت های پیزوالکتریک رایج، کامپوزیت های دو فازی از سرامیک های پیزوالکتریک و پلیمرهایی مانند اپوکسی واکنش پذیر پلی وینیلیدین فلوراید هستند. این ماده کامپوزیتی ترکیبی از استحکام سرامیک‌های پیزوالکتریک و پلیمرها است، دارای انعطاف‌پذیری و خواص پردازش عالی است و چگالی پایینی دارد و به راحتی امپدانس صوتی را با هوا، آب و بافت‌های بیولوژیکی تطبیق می‌دهد. علاوه بر این، کامپوزیت های پیزوالکتریک نیز ثابت پیزوالکتریک بالایی دارند. کامپوزیت های پیزوالکتریک کاربردهای گسترده ای در زمینه های پزشکی، سنجش و اندازه گیری دارند.

کاربرد اثر پیزوالکتریک پیزو سرامیک

1. ویژگی های ساخت
سرامیک های پیزوالکتریک با عملیات پلاریزاسیون سرامیک های فروالکتریک تحت یک میدان الکتریکی جریان مستقیم برای داشتن اثر پیزوالکتریک مشخص می شوند. به طور کلی، میدان الکتریکی قطبش 3 تا 5 کیلوولت بر میلی متر، دما 100 تا 150 درجه سانتی گراد و زمان 5 تا 20 دقیقه است. این سه عامل اصلی موثر بر اثر قطبی شدن هستند. سرامیک های پیزوالکتریک با عملکرد بهتر، مانند سرامیک های تیتانات سرب زیرکونات، دارای ضریب جفت الکترومکانیکی به اندازه 0.313 تا 0.694 هستند.

سرامیک‌های پیزوالکتریک عمدتاً در ساخت مبدل‌های اولتراسونیک، مبدل‌های هیدروآکوستیک، مبدل‌های الکتروآکوستیک، فیلترهای سرامیکی، ترانسفورماتورهای سرامیکی، تشخیص‌دهنده‌های سرامیکی، ژنراتورهای ولتاژ بالا، آشکارسازهای مادون قرمز، دستگاه‌های سطح آکوستیک، دستگاه‌های الکترواپتیکال، جرقه‌زننده و پیزوالکتریک استفاده می‌شوند.

2. خواص سرامیک
سرامیک های پیزوالکتریک دارای ویژگی های حساس هستند و می توانند ارتعاش مکانیکی بسیار ضعیف را به سیگنال های الکتریکی تبدیل کنند که می تواند در سیستم های سونار، تشخیص آب و هوا، حفاظت از محیط زیست تله متری، لوازم خانگی و غیره استفاده شود. قبلاً پیش بینی آن دشوار بود و انسان ها در موقعیتی شرم آور گرفتار شدند. حساسیت سرامیک پیزوالکتریک به نیروی خارجی، این امکان را فراهم می کند که آشفتگی هوا توسط حشرات پرنده که بیش از ده متر بال می زنند، احساس شود. می توان از آن برای ساخت لرزه نگار پیزوالکتریک استفاده کرد که می تواند شدت زلزله را به دقت اندازه گیری کند و جهت و فاصله زمین لرزه را نشان دهد. این نمی تواند یک دستاورد بزرگ برای سرامیک های پیزوالکتریک باشد. سرامیک های پیزوالکتریک در اثر میدان الکتریکی مقدار کمی تغییر شکل، تا کسری از یک میلیونیم اندازه خود ایجاد می کنند. این تغییر کوچک را دست کم نگیرید، مکانیسم کنترل دقیق بر اساس این اصل - محرک پیزوالکتریک، برای ابزار دقیق و کنترل مکانیکی، میکروالکترونیک، مهندسی زیستی و سایر زمینه ها یک موهبت بزرگ است. دستگاه های کنترل فرکانس مانند رزوناتورها و فیلترها دستگاه های کلیدی هستند که عملکرد دستگاه های ارتباطی را تعیین می کنند. سرامیک های پیزوالکتریک از این نظر مزایای آشکاری دارند. دارای ثبات فرکانس خوب، دقت بالا و محدوده فرکانس وسیع است و از نظر اندازه کوچک، غیر رطوبت گیر و عمر طولانی دارد. به خصوص در تجهیزات ارتباطی چند کاناله، می تواند توانایی ضد تداخل را بهبود بخشد، به طوری که تجهیزات الکترومغناطیسی قبلی را نمی توان به عقب نگاه کرد.

3. کاربرد
سرامیک های پیزوالکتریک مواد الکترونیکی کاربردی جدید با هوش بالا هستند. با تحقیق و بهبود مستمر مواد و فرآیندها، کاربرد سرامیک های پیزوالکتریک روز به روز گسترده تر می شود. به عنوان یک ماشین، الکتریسیته، صدا، نور و مواد حساس به حرارت، مواد پیزوالکتریک مبدل دیسکی سرامیکی پیزو به طور گسترده ای در سنسورها، مبدل ها، تست های غیر مخرب و فناوری های ارتباطی استفاده شده است. پلی کریستال ها از واکنش فاز جامد در کشورهای مختلف جهان تشکیل می شوند. و نام کلی سرامیک های فروالکتریک با اثر پیزوالکتریک توسط درمان پلاریزاسیون ولتاژ بالا DC نوعی تحقیق و توسعه است که می تواند به انرژی مکانیکی برای مواد سرامیکی پیزوالکتریک اهمیت زیادی بدهد. با توسعه فن آوری بالا، کاربرد سرامیک های پیزوالکتریک روز به روز گسترده تر می شود. علاوه بر استفاده در زمینه های با تکنولوژی بالا، بیشتر در مورد خدمت به مردم در زندگی روزمره و ایجاد زندگی بهتر برای مردم است.

پنج کاربرد رایج سرامیک های پیزوالکتریک در زندگی روزمره ما:
1: کاربرد اثر پیزوالکتریک مثبت و منفی
2: پیزوالکتریک سرامیک زنگ | بلندگو
3: پیکاپ سرامیکی پیزوالکتریک
4: ترانسفورماتور پیزوالکتریک
5: جرقه زن سرامیکی پیزوالکتریک
می توان گفت که اگرچه سرامیک پیزوالکتریک یک ماده جدید است، اما کاملا غیر نظامی است. در فناوری های پیشرفته استفاده می شود، اما در زندگی بیشتر برای ایجاد زندگی بهتر برای مردم است.