Piezoelektrik Malzemeler Nelerdir? Günlük Hayatımızda Kullanım Alanları

Piezoelektrik Malzemeler nelerdir, özellikleri nelerdir? Piezoelektrik Malzeme çeşitleri ve bu malzemelerin kullanım alanları, hayatımızda yeri.

Piezoelektrik Malzemeler

Piezoelektrik malzemeler, uygulanan mekanik gerilimden dahili elektrik yükü üretme yeteneğine sahip malzemelerdir. Doğada doğal olarak bulunan birkaç madde piezoelektrik etki gösterir. Bunlar:

Kemik
kristaller
Bazı seramikler
DNA
Emaye
İpek
Dentin ve daha fazlası.

Piezoelektrik etki sergileyen malzemeler de ters piezoelektrik etki gösterir (ters veya ters piezoelektrik etki de denir). Ters piezoelektrik etki, uygulanan bir elektrik alanına tepki olarak dahili mekanik gerilimin üretilmesidir.

Piezoelektrik Malzemelerin Tarihçesi

Kristaller, piezoelektrik ile erken deneylerde kullanılan ilk malzemeydi. Curie kardeşler, Pierre ve Jacques ilk önce 1880’de doğrudan piezoelektrik etkiyi kanıtladılar. Kardeşler, kristal yapıları ve piroelektrik malzemeleri (sıcaklık değişikliğine tepki olarak elektrik yükü üreten malzemeler) çalışma bilgilerine genişledi.

Aşağıdaki spesifik kristallerin yüzey yüklerini ölçtüler:

Şeker kamışı
Turmalin
Kuvars
Topaz
Rochelle tuzu (sodyum potasyum tartrat tetrahidrat)
Kuvars ve Rochelle tuzu en yüksek piezoelektrik etkileri göstermiştir.

Ancak, Curie kardeşler ters piezoelektrik etkiyi tahmin etmediler. Ters piezoelektrik etki 1881 yılında Gabriel Lippmann tarafından matematiksel olarak çıkarılmıştır. Curieler daha sonra etkiyi doğruladı ve piezoelektrik kristallerde elektrik, elastik ve mekanik deformasyonların tersinirliğinin kantitatif kanıtı oldu.

1910’a gelindiğinde, piezoelektrikliğin meydana geldiği 20 doğal kristal sınıfı tamamen tanımlandı ve Woldemar Voigt’in Lehrbuch Der Kristallphysik’te yayınlandı. Ancak, görünür bir teknolojik veya ticari uygulama olmaksızın, fiziğin belirsiz ve son derece teknik bir niş alanı olarak kaldı.

I. Dünya Savaşı:

Piezoelektrik malzemenin ilk teknolojik uygulaması, I. Dünya Savaşı sırasında oluşturulan ultrasonik denizaltı dedektörüdür. Dedektör plakası bir transdüktörden (bir enerji türünden diğerine dönüşen bir cihaz) ve hidrofon adı verilen bir detektörden yapılmıştır. Dönüştürücü, iki çelik plaka arasına yapıştırılmış ince kuvars kristallerinden yapılmıştır.

Savaş sırasında ultrasonik denizaltı detektörünün büyük başarısı, piezoelektrik cihazların yoğun teknolojik gelişimini teşvik etti. I. Dünya Savaşı’ndan sonra fonografların kartuşlarında piezoelektrik seramikler kullanıldı.

II. Dünya Savaşı:

Japonya, SSCB ve Amerika Birleşik Devletleri’nin bağımsız araştırmaları nedeniyle II.Dünya Savaşı sırasında piezoelektrik malzemelerin uygulamaları önemli ölçüde ilerledi.

Özellikle, kristal yapı ile elektromekanik aktivite arasındaki ilişkinin anlaşılmasındaki gelişmeler ve araştırmadaki diğer gelişmeler piezoelektrik teknolojisine olan yaklaşımı tamamen değiştirmiştir. İlk kez mühendisler, malzemelerin özelliklerini gözlemlemek ve daha sonra gözlemlenen özelliklerin uygun uygulamalarını aramak yerine, belirli bir cihaz uygulaması için piezoelektrik malzemeleri manipüle edebildi.

Bu gelişme, süper hassas mikrofonlar, güçlü sonar cihazları, sonobuoys (okyanus gemilerinin hareketini izlemek için hidrolik dinleme ve radyo iletim yeteneklerine sahip küçük şamandıralar) ve tek silindirli ateşleme için piezo ateşleme sistemleri gibi savaşla ilgili birçok piezoelektrik malzemenin uygulamasını yarattı.

Piezoelektrik Mekanizması

Yukarıda belirtildiği gibi, piezoelektrik, sıkma veya bükme gibi bir basınç (gerilim) uygulandığında elektrik üreten maddenin özelliğidir.

Gerilim altına yerleştirildiğinde, piezoelektrik kristal, onu üreten gerilimle orantılı bir polarizasyon, P üretir.

Piezoelektrikliğin ana denklemi P = d × gerilimdir, burada d piezoelektrik katsayısıdır, her bir piezoelektrik malzeme tipine özgü bir faktördür. Kuvars için piezoelektrik katsayısı $\displaystyle 3x{{10}^{-12}}$ ‘dir. Kurşun zirkonat titanat (PZT) için piezoelektrik katsayısı $\displaystyle 3x{{10}^{-10}}$ ‘dur.

Kristal kafes içindeki küçük iyon yer değiştirmeleri piezoelektriklikte gözlenen polarizasyonu yaratır. Bu sadece bir simetri merkezi olmayan kristallerde görülür.

Piezoelektrik Kristaller

Aşağıda, kullanımlarının bazı kısa açıklamalarıyla birlikte piezoelektrik kristallerinin bir listesi bulunmaktadır. En sık kullanılan piezoelektrik malzemelerin bazı spesifik uygulamalarını daha sonra tartışacağız.

Doğal olarak oluşan kristaller:

Kuvars. Radyo vericileri için saat kristallerinde ve frekans referans kristallerinde kullanılan kararlı bir kristal.
Sükroz (sofra şekeri)
Rochelle tuzu. Sıkıştırma ile büyük bir voltaj üretir; kristal mikrofonlarda kullanılır.
Topaz
Turmalin
Berlinit $\displaystyle \left( AlP{{O}_{4}} \right)$ . Kuvars ile yapısal olarak aynı olan nadir bir fosfat minerali.

İnsan yapımı kristaller:

Bir kuvars analogu olan galyum ortofosfat $\displaystyle \left( GaP{{O}_{4}} \right)$ .
Bir kuvars analogu olan Langasite $\displaystyle \left( L{{a}_{3}}G{{a}_{5}}Si{{O}_{14}} \right)$ .

Piezoelektrik seramikler:

Baryum titanat $\displaystyle \left( BaTi{{O}_{3}} \right)$ . İlk piezoelektrik seramik keşfedildi.
Kurşun titanat $\displaystyle \left( PbTi{{O}_{3}} \right)$
Kurşun zirkonat titanat (PZT). Şu anda en yaygın kullanılan piezoelektrik seramik.
Potasyum niobat $\displaystyle \left( KNb{{O}_{3}} \right)$
Lityum niobat $\displaystyle \left( LiNb{{O}_{3}} \right)$
Lityum tantalat $\displaystyle \left( LiTa{{O}_{3}} \right)$
Sodyum tungstat $\displaystyle \left( N{{a}_{2}}W{{O}_{4}} \right)$

Kurşunsuz piezoseramikler:

Çevreye zararlı olması ile ilgili endişelere yanıt olarak aşağıdaki malzemeler geliştirilmiştir.

Sodyum potasyum niobat (NaKNb). Bu malzeme PZT’ye benzer özelliklere sahiptir.
Bizmut ferrit $\displaystyle \left( BiFe{{O}_{3}} \right)$
Sodyum niobat $\displaystyle \left( NaNb{{O}_{3}} \right)$

Biyolojik piezoelektrik malzemeler:

Tendon
Odun
İpek
Emaye
Diş kemiği
kollajen
Piezoelektrik polimerler: Piezopolimerler hafif ve küçüktür, bu nedenle teknolojik uygulama için popülaritesi artmaktadır.
Poliviniliden florür (PVDF), kuvarsdan birkaç kat daha büyük piezoelektriklik gösterir. Tıbbi dikiş ve tıbbi tekstiller gibi tıp alanında sıklıkla kullanılır.

Piezoelektrik Malzemelerin Uygulamaları

Piezoelektrik malzemeler aşağıdakiler dahil olmak üzere birçok endüstride kullanılır:

İmalat
Tıbbi cihazlar
Telekomünikasyon
Otomotiv
Bilgi Teknolojisi (BT)

Yüksek voltajlı güç kaynakları:

Elektrikli çakmaklar. Çakmak üzerindeki düğmeye bastığınızda, düğme yaylı küçük bir çekiçin piezoelektrik bir kristale çarpmasına neden olur ve gazı ısıtmak ve ateşlemek için bir boşluk boyunca akan yüksek voltajlı bir akım üretir.
Gaz ızgaraları veya sobalar ve gaz brülörleri. Bunlar çakmağa benzer, ancak daha büyük ölçekte çalışır.
Piezoelektrik transformatör. Bu, soğuk katot floresan lambalarda bir AC voltaj çarpanı olarak kullanılır.

Piezoelektrik Sensörler

Ultrason transdüserleri rutin tıbbi görüntülemede kullanılır. Dönüştürücü, hem sensör hem de aktüatör olarak işlev gören bir piezoelektrik cihazdır. Ultrason dönüştürücüler, bir elektrik sinyalini mekanik titreşime (iletim modu veya aktüatör bileşeni) ve mekanik titreşimi elektrik sinyaline (alma modu veya sensör bileşeni) dönüştüren bir piezoelektrik eleman içerir.

Piezoelektrik eleman genellikle ultrason dönüştürücüsünün istenen dalga boyunun 1 / 2’sine kesilir.

Diğer Piezoelektrik sensör türleri şunları içerir:

Piezoelektrik mikrofonlar.
Akustik-elektrik gitarlar için piezoelektrik manyetikler.
Sonar dalgaları. Ses dalgaları piezoelektrik eleman tarafından üretilir ve algılanır.
Elektronik davul pedleri. Elementler, davulcuların sopalarının pedler üzerindeki etkisini tespit eder.
Tıbbi ivmeölçer. Bu, bir kişi anestezi altında olduğunda ve kas gevşeticiler uygulandığında kullanılır. Akseleromyograftaki piezoelektrik eleman, sinir stimülasyonundan sonra kasta üretilen kuvveti tespit eder.

Piezoelektrik Aktüatörler

Piezoelektrik aktüatörlerin en büyük faydalarından biri, yüksek elektrik alan voltajlarının piezoelektrik kristalin genişliğindeki küçük mikrometre değişikliklerine karşılık gelmesidir. Bu mikro mesafeler, aşağıdaki cihazlarda olduğu gibi nesnelerin küçük, doğru konumlandırılması gerektiğinde, piezoelektrik kristalleri aktüatör olarak yararlı hale getirir:

Hoparlörler
Piezoelektrik motorlar
Lazer elektroniği
Mürekkep püskürtmeli yazıcılar (kristaller mürekkebin baskı kafasından kağıda fırlatılmasını sağlar)
Dizel motorlar
X-ışını kepenkleri

Akıllı Malzemeler

Akıllı malzemeler, pH, sıcaklık, kimyasallar, uygulanan bir manyetik veya elektrik alanı veya stres gibi harici bir uyaran tarafından özellikleri kontrollü bir yöntemle değiştirilebilen geniş bir malzeme sınıfıdır. Akıllı malzemelere akıllı işlevsel malzemeler de denir.

Piezoelektrik malzemeler bu tanıma uygundur, çünkü uygulanan bir voltaj bir piezoelektrik malzemede bir stres üretir ve tersine, harici bir stresin uygulanması da malzemede elektrik üretir.

Ek akıllı malzemeler arasında şekil hafızalı alaşımlar, halokromik malzemeler, manyetokalorik malzemeler, sıcaklığa duyarlı polimerler, fotovoltaik malzemeler ve çok daha fazlası bulunur.