Piezoelektrik - Piezoelectricity

Piezoelektrik denge tarafından sunulan Pierre Curie ile Lord Kelvin , Hunterian Müzesi, Glasgow

Piezoelektrik ( / ˌ s Ben bir Z -, ˌ s Ben bir t s -, s ˌ Ben bir Z - / , ABD : / s i ˌ z -, s ı ˌ t s - / ) 'dir Uygulanan mekanik strese yanıt olarak kristaller , belirli seramikler ve kemik, DNA ve çeşitli proteinler gibi biyolojik maddeler gibi belirli katı malzemelerde biriken elektrik yükü . Piezoelektrik kelimesi , basınç ve gizli ısıdan kaynaklanan elektrik anlamına gelir. Bu türetilmiştir Yunan kelime πιέζειν ; piezein araçları sıkmak ya da basın için, ve ἤλεκτρον Elektron demektir, kehribar , elektrik yükünün bir antik kaynağı.

Piezoelektrik etki, kristal malzemelerdeki mekanik ve elektriksel durumlar arasındaki lineer elektromekanik etkileşimden, ters çevirme simetrisi olmadan kaynaklanır . Piezoelektrik etki tersine çevrilebilir bir işlemdir : Piezoelektrik etki sergileyen malzemeler aynı zamanda ters piezoelektrik etki de sergiler: uygulanan bir elektrik alanından kaynaklanan mekanik bir gerilimin dahili üretimi. Örneğin, kurşun zirkonat titanat kristalleri, statik yapıları orijinal boyutunun yaklaşık %0,1'i kadar deforme olduğunda ölçülebilir piezoelektrik üretecektir. Tersine, aynı kristaller, harici bir elektrik alanı uygulandığında statik boyutlarının yaklaşık %0,1'ini değiştirecektir. Ultrason dalgalarının üretiminde ters piezoelektrik etki kullanılır .

Fransız fizikçiler Jacques ve Pierre Curie , 1880'de piezoelektriği keşfettiler. Piezoelektrik etki, ses üretimi ve tespiti, piezoelektrik mürekkep püskürtmeli baskı , yüksek voltajlı elektrik üretimi, elektronik cihazlarda saat üreteci olarak, mikro terazilerde dahil olmak üzere birçok faydalı uygulamada kullanıldı. , ultrasonik bir nozulu sürmek ve optik düzeneklerin ultra ince odaklanmasında. Atom ölçeğinde görüntüleri çözen taramalı sonda mikroskoplarının temelini oluşturur . Bu kullanılan kamyonet bazı elektronik olarak güçlendirilmiş gitar gibi tetikleyiciler en modern içinde elektronik davul . Piezoelektrik etki, gazlı pişirme ve ısıtma cihazlarını, meşaleleri ve çakmakları tutuşturmak için kıvılcım üretmek gibi günlük kullanımları da bulur .

Tarih

Keşif ve erken araştırma

Piro elektronik etkisi bir madde, bir üretir göre, elektrik potansiyeli , bir sıcaklık değişimine tepki olarak, tarafından incelenmiştir Carl Linnaeus ve Franz Aepinus orta 18. yüzyılda. Bu bilgiden yararlanan René Just Haüy ve Antoine César Becquerel , mekanik stres ile elektrik yükü arasında bir ilişki olduğunu öne sürdüler; ancak, her ikisinin de deneyleri sonuçsuz kaldı.

İskoçya Müzesi'ndeki bir Curie kompansatörünün tepesindeki piezo kristalinin görünümü.

Doğrudan piezoelektrik etkinin ilk gösterimi 1880'de Pierre Curie ve Jacques Curie kardeşler tarafından yapıldı . Kristal davranışını tahmin etmek için piroelektriklik bilgisini, piroelektrikliğe yol açan altta yatan kristal yapıları anlamalarıyla birleştirdiler ve turmalin , kuvars , topaz , şeker kamışı ve Rochelle tuzu (sodyum potasyum tartrat tetrahidrat) kristallerini kullanarak etkiyi gösterdiler . Kuvars ve Rochelle tuzu en fazla piezoelektriklik sergilemiştir.

Bir piezoelektrik disk deforme olduğunda bir voltaj üretir (şekil değişikliği büyük ölçüde abartılmıştır).

Ancak Curies, ters piezoelektrik etkiyi öngörmedi. Ters etki, 1881'de Gabriel Lippmann tarafından temel termodinamik ilkelerden matematiksel olarak çıkarıldı . Curies, ters etkinin varlığını hemen doğruladı ve piezoelektrik kristallerdeki elektro-elasto-mekanik deformasyonların tam tersine çevrilebilirliğinin nicel kanıtını elde etmeye devam etti.

Piezoelektrik , 1898'de Pierre ve Marie Curie tarafından polonyum ve radyumun keşfinde hayati bir araç olmasına rağmen, sonraki birkaç on yıl boyunca bir laboratuvar merakı olarak kaldı . Piezoelektriklik sergileyen kristal yapıları keşfetmek ve tanımlamak için daha fazla çalışma yapıldı. Bu yayın ile 1910 sonuçlanan Woldemar Voigt sitesindeki Kristallphysik der Lehrbuch ( Kristal Fiziği Kitabı piezoelektrik yeteneğine sahip ve sıkı kullanılarak piezoelektrik sabitlerine 20 doğal kristal sınıfları tarif) tensör analizi .

Dünya Savaşı ve savaş arası yıllar

Piezoelektrik cihazlar için ilk pratik uygulama , ilk olarak I. Dünya Savaşı sırasında geliştirilen sonardı . In Fransa'da 1917 yılında, Paul Langevin ve meslektaşları bir geliştirilen ultrasonik denizaltı dedektörü. Dedektör , iki çelik plaka arasına dikkatlice yapıştırılmış ince kuvars kristallerinden yapılmış bir dönüştürücüden ve geri dönen yankıyı algılamak için bir hidrofondan oluşuyordu . Dönüştürücüden yüksek frekanslı bir darbe yayarak ve bir nesneden yansıyan ses dalgalarından bir yankı duymak için geçen süreyi ölçerek, o nesneye olan mesafe hesaplanabilir.

Sonarda piezoelektrik kullanımı ve bu projenin başarısı, piezoelektrik cihazlara yoğun ilgi yarattı. Önümüzdeki birkaç on yılda, yeni piezoelektrik malzemeler ve bu malzemeler için yeni uygulamalar keşfedildi ve geliştirildi.

Piezoelektrik cihazlar birçok alanda yuva buldu. Seramik fonograf kartuşları, oynatıcı tasarımını basitleştirdi, ucuz ve doğruydu ve plak çalarların bakımını daha ucuz ve yapımını daha kolay hale getirdi. Ultrasonik dönüştürücünün geliştirilmesi, sıvılarda ve katılarda viskozite ve elastikiyetin kolay ölçülmesini sağlayarak malzeme araştırmalarında büyük ilerlemeler sağladı. Ultrasonik zaman alanlı reflektometreler (bir malzeme aracılığıyla ultrasonik bir darbe gönderen ve süreksizliklerden gelen yansımaları ölçen), dökme metal ve taş nesnelerin içindeki kusurları bularak yapısal güvenliği iyileştirebilir.

İkinci Dünya Savaşı ve savaş sonrası

İkinci Dünya Savaşı sırasında , Amerika Birleşik Devletleri , Rusya ve Japonya'daki bağımsız araştırma grupları, doğal malzemelerden birçok kez daha yüksek piezoelektrik sabitleri sergileyen, ferroelektrik adı verilen yeni bir sentetik malzeme sınıfı keşfetti . Bu , belirli uygulamalar için belirli özelliklere sahip baryum titanat ve daha sonra kurşun zirkonat titanat malzemeleri geliştirmek için yoğun araştırmalara yol açtı .

Piezoelektrik kristallerin kullanımının önemli bir örneği Bell Telephone Laboratories tarafından geliştirilmiştir. Birinci Dünya Savaşı'ndan sonra, mühendislik bölümünde telsiz telefonda çalışan Frederick R. Lack, çok çeşitli sıcaklıklarda çalışan bir kristal olan "AT kesim" kristalini geliştirdi. Lack'in kristali, daha önce kullanılan kristalin ağır aksesuarlarına ihtiyaç duymadı ve bu da uçakta kullanımını kolaylaştırdı. Bu gelişme, Müttefik hava kuvvetlerinin havacılık radyosu kullanarak koordineli toplu saldırılara girmesine izin verdi.

Amerika Birleşik Devletleri'nde piezoelektrik cihazların ve malzemelerin geliştirilmesi, çoğunlukla alanın savaş zamanlarında başlaması nedeniyle ve kârlı patentlerin güvence altına alınması amacıyla, geliştirmeyi yapan şirketler içinde tutuldu. İlk geliştirilen malzemeler yeni malzemelerdi - kuvars kristalleri ticari olarak kullanılan ilk piezoelektrik malzemeydi, ancak bilim adamları daha yüksek performanslı malzemeler aradılar. Malzemelerdeki ilerlemelere ve üretim süreçlerinin olgunlaşmasına rağmen, Amerika Birleşik Devletleri pazarı Japonya'nınki kadar hızlı büyümedi. Pek çok yeni uygulama olmadan, Amerika Birleşik Devletleri'nin piezoelektrik endüstrisinin büyümesi zarar gördü.

Buna karşılık, Japon üreticiler bilgilerini paylaştılar, teknik ve üretim zorluklarının hızla üstesinden geldiler ve yeni pazarlar yarattılar. Japonya'da, Issac Koga tarafından sıcaklığa dayanıklı bir kristal kesim geliştirildi . Malzeme araştırmalarındaki Japon çabaları, Amerika Birleşik Devletleri malzemeleriyle rekabet edebilecek, ancak pahalı patent kısıtlamaları içermeyen piezoseramik malzemeler yarattı. Başlıca Japon piezoelektrik gelişmeleri, radyolar ve televizyonlar için yeni piezoseramik filtre tasarımları, piezo buzzerler ve doğrudan elektronik devrelere bağlanabilen ses dönüştürücüleri ve küçük motor ateşleme sistemleri ve gazlı ızgara çakmakları için kıvılcım üreten piezoelektrik ateşleyiciyi içeriyordu. seramik disk. Ses dalgalarını hava yoluyla ileten ultrasonik dönüştürücüler oldukça uzun bir süredir mevcuttu, ancak ilk olarak ilk televizyon uzaktan kumandalarında büyük ticari kullanım gördü. Bu dönüştürücüler artık birçok araba modeline ekolokasyon cihazı olarak monte edilmekte ve sürücünün, yolunda olabilecek herhangi bir nesneye olan mesafeyi belirlemesine yardımcı olmaktadır.

mekanizma

Ses sinyalini ses dalgalarına dönüştürmek için kullanılan piezoelektrik plaka

Piezoelektrik etkinin doğası, katılarda elektrik dipol momentlerinin oluşumu ile yakından ilişkilidir . Bu malzemeler, ya için indüklenebilir iyonları ile kristal kafes (olduğu gibi asimetrik yük çevresi ile siteleri BaTiO 3 ve PZTs ) ya da doğrudan (olduğu gibi moleküler grupları ile gerçekleştirilebilir şeker kamışı ). Dipol yoğunluğu veya polarizasyon (boyutsallık [C·m/m 3 ] ) kristalografik birim hücrenin hacmi başına dipol momentleri toplanarak kristaller için kolayca hesaplanabilir . Her dipol bir vektör olduğundan, dipol yoğunluğu P bir vektör alanıdır . Birbirine yakın dipoller, Weiss alanları adı verilen bölgelerde hizalanma eğilimindedir. Alanlar genellikle rastgele yönlendirilir, ancak kutuplama işlemi ( manyetik kutuplama ile aynı değildir) kullanılarak hizalanabilir; bu süreç , malzeme boyunca, genellikle yüksek sıcaklıklarda, güçlü bir elektrik alanının uygulandığı bir süreçtir. Tüm piezoelektrik malzemeler kutuplanamaz.

Piezoelektrik etki için belirleyici önem, mekanik bir stres uygulandığında polarizasyon P'nin değişmesidir . Bu, ya dipolü indükleyen çevrenin yeniden konfigürasyonundan ya da dış stresin etkisi altında moleküler dipol momentlerinin yeniden oryantasyonundan kaynaklanabilir. Piezoelektrik, daha sonra, aşağıdakilere bağlı olarak, polarizasyon kuvvetinin, yönünün veya her ikisinin bir varyasyonunda ortaya çıkabilir: 1. P'nin kristal içindeki oryantasyonu ; 2. kristal simetri ; ve 3. uygulanan mekanik stres. Değişikliği P yüzeyinin bir varyasyon olarak görünür yük yoğunluğunun bir varyasyonu olarak, yani kristal yüzlerinin üzerine, elektrik alanının dökme dipol yoğunluğunda bir değişiklikten kaynaklanan yüzleri arasında uzanır. Örneğin, bir 1 sm 3 doğru tatbik edilen kuvvet 2 kN (500 Ibf) ile kuvars küp 12500 arasında bir voltaj üretmek V .

Piezoelektrik malzemeler ayrıca , bir elektrik alanının uygulanmasının kristalde mekanik deformasyon yarattığı ters piezoelektrik etki adı verilen zıt etkiyi gösterir .

matematiksel açıklama

Doğrusal piezoelektriklik, aşağıdakilerin birleşik etkisidir.

  • Malzemenin doğrusal elektriksel davranışı:
burada D elektrik akı yoğunluğu (bir elektrik yer değiştirme ), ε olan dielektrik (serbest cisim dielektrik sabiti), E bir elektrik alan gücü ve .
burada G , lineer bir suşu , s olan uyumu , kısa devre koşulları altında, T olan gerilme ve
,
nerede u olan deplasman vektörü .

Bunlar , gerinim yükü formunun aşağıdaki gibi olduğu birleştirilmiş denklemler olarak birleştirilebilir :

piezoelektrik tensör nerede ve üst simge t, devrik anlamına gelir. simetrisinden dolayı , .

Matris formunda,

burada [ d ] doğrudan piezoelektrik etkinin matrisidir ve [ d t ], ters piezoelektrik etkinin matrisidir. Üst simge E , sıfır veya sabit bir elektrik alanını belirtir; üst simge T , sıfır veya sabit bir stres alanını belirtir; ve üst simge t , bir matrisin transpozisyonunu temsil eder .

Üçüncü dereceden tensörün vektörleri simetrik matrislere eşlediğine dikkat edin . Bu özelliğe sahip önemsiz olmayan rotasyonla değişmez tensörler yoktur, bu nedenle izotropik piezoelektrik malzemeler yoktur.

4 mm (C 4v ) kristal sınıfı (tetragonal PZT veya BaTiO 3 gibi kutuplu bir piezoelektrik seramik gibi ) ve 6 mm kristal sınıfına ait bir malzeme için gerinim yükü de (ANSI IEEE 176) olarak yazılabilir:

burada ilk denklem, ters piezoelektrik etki için ilişkiyi ve ikincisi doğrudan piezoelektrik etki için ilişkiyi temsil eder.

Yukarıdaki denklemler literatürde en çok kullanılan form olmasına rağmen, notasyon hakkında bazı yorumlar gereklidir. Genel olarak, D ve E olarak vektörler olup, Kartezyen tansörler rank 1; ve geçirgenlik ε , sıra 2'nin Kartezyen tensörüdür. Gerinim ve gerilim, prensipte, aynı zamanda sıra-2 tensörleridir . Ancak geleneksel olarak, gerinim ve gerilimin tümü simetrik tensörler olduğundan, gerinim ve gerilimin alt simgesi şu şekilde yeniden etiketlenebilir: 11 → 1; 22 → 2; 33 → 3; 23 → 4; 13 → 5; 12 → 6. (Literatürde farklı yazarlar tarafından farklı uzlaşımlar kullanılabilir. Örneğin, bazıları bunun yerine 12 → 4; 23 → 5; 31 → 6 kullanır.) Bu nedenle S ve T'nin "vektör biçimine" sahip olduğu görülmektedir. altı bileşen. Sonuç olarak, s , bir rank-3 tensörü yerine 6'ya 6'lık bir matris gibi görünüyor. Böyle bir yeniden etiketlenmiş gösterime genellikle Voigt gösterimi denir . S 4 , S 5 , S 6 kayma gerinimi bileşenlerinin tensör bileşenleri mi yoksa mühendislik gerinimleri mi olduğu başka bir sorudur. Yukarıdaki denklemde uyum matrisinin 6,6 katsayısının gösterildiği gibi yazılabilmesi için mühendislik gerinimleri olmalıdır, yani 2( sE
11
 -  sE
12
). Mühendislik kayma şekil değiştirmeleri, S 6  = 2 S 12 ve benzeri gibi karşılık gelen tensör kaymasının değerinin iki katıdır . Bu aynı zamanda s 66  = 1/G 12, burada G 12 kesme modülüdür.

Toplamda, d ij , e ij , g ij ve h ij olmak üzere dört piezoelektrik katsayı aşağıdaki gibi tanımlanır:

burada dört terimden oluşan ilk grup doğrudan piezoelektrik etkiye karşılık gelir ve ikinci dört terim grubu ters piezoelektrik etkiye karşılık gelir. Doğrudan piezoelektrik tensör ile ters piezoelektrik tensörün devrik arasındaki eşitlik , termodinamiğin Maxwell bağıntılarından kaynaklanır . Polarizasyon kristal alan neden olduğu tipte olduğu, bu piezoelektrik kristalleri, bir formalizm piezoelektriksel katsayıları hesaplanması için izin veren çalıştı edilmiş d ij elektrostatik kafes sabitleri veya daha yüksek dereceden gelen Madelung sabitler .

Kristal sınıfları

Uzaysal olarak ayrılmış herhangi bir yük, bir elektrik alanı ve dolayısıyla bir elektrik potansiyeli ile sonuçlanacaktır . Burada gösterilen bir kapasitördeki standart bir dielektriktir . Piezoelektrik bir cihazda, harici olarak uygulanan bir voltaj yerine mekanik stres, malzemenin tek tek atomlarında yük ayrımına neden olur.

32 kristal sınıfından 21'i sentrosimetrik değildir (simetri merkezine sahip değildir) ve bunlardan 20'si doğrudan piezoelektriklik sergiler ( 21'incisi kübik sınıf 432'dir). Bunlardan on tanesi, birim hücreleriyle ilişkili kaybolmayan bir elektrik dipol momenti nedeniyle mekanik stres olmadan kendiliğinden bir polarizasyon gösteren ve piroelektriklik sergileyen polar kristal sınıflarını temsil eder . Dipol momenti, harici bir elektrik alanı uygulanarak tersine çevrilebilirse, malzemenin ferroelektrik olduğu söylenir .

  • 10 polar (piroelektrik) kristal sınıfı: 1, 2, m, mm2, 4, 4mm, 3, 3m, 6, 6mm.
  • Diğer 10 piezoelektrik kristal sınıfı: 222, 4 , 422, 4 2m, 32, 6 , 622, 6 2m, 23, 4 3m.

P  ≠ 0'ın mekanik bir yük uygulamadan tuttuğu polar kristaller için , piezoelektrik etki, P'nin büyüklüğünü veya yönünü veya her ikisini değiştirerek kendini gösterir .

Polar olmayan fakat piezoelektrik kristaller için ise , sıfırdan farklı bir P polarizasyonu yalnızca mekanik bir yük uygulanarak ortaya çıkar. Onlar için stresin, malzemeyi polar olmayan bir kristal sınıfından ( P  = 0), P  ≠ 0 olan bir polar olana dönüştürdüğü hayal edilebilir .

Malzemeler

Birçok malzeme piezoelektriklik sergiler.

kristal malzemeler

seramik

Kurşun titanatın dörtgen birim hücresi

Rastgele yönlendirilmiş tanelere sahip seramikler, piezoelektriklik sergilemek için ferroelektrik olmalıdır. Sinterlenmiş polikristalin piezoelektrik seramiklerde anormal tane büyümesinin (AGG) ortaya çıkması, bu tür sistemlerde piezoelektrik performans üzerinde zararlı etkilere sahiptir ve AGG sergileyen piezoseramiklerdeki mikro yapı, rastgele bir matriste anormal derecede büyük birkaç uzun taneden oluşma eğiliminde olduğundan kaçınılmalıdır. yönlendirilmiş daha ince taneler. AlN ve ZnO gibi dokulu polikristal ferroelektrik olmayan piezoelektrik malzemelerde makroskopik piezoelektrik mümkündür. Perovskit , tungsten - bronz ve ilgili yapılara sahip seramik aileleri piezoelektriklik sergiler:

  • Kurşun zirkonat titanat ( Pb [ Zr x Ti 1− x ] O 3 ile 0 ≤  x  ≤ 1) – daha yaygın olarak günümüzde kullanılan en yaygın piezoelektrik seramik olan PZT olarak bilinir.
  • Potasyum niyobat (KNbO 3 )
  • Sodyum tungstat (Na 2 WO 3 )
  • Ba 2 NaNb 5 O 5
  • Pb 2 KNb 5 O 15
  • Çinko oksit (ZnO) – Wurtzite yapısı . ZnO'nun tek kristalleri piezoelektrik ve piroelektrik iken, rastgele yönlendirilmiş tanelere sahip polikristalin (seramik) ZnO ne piezoelektrik ne de piroelektrik etki gösterir. Ferroelektrik olmadığı için polikristal ZnO, baryum titanat veya PZT gibi kutuplanamaz. ZnO'nun seramik ve polikristal ince filmleri, yalnızca tekstüre edilmişlerse (taneler tercihen yönlendirilmişse) makroskopik piezoelektriklik ve piroelektriklik sergileyebilir , öyle ki tüm bireysel tanelerin piezoelektrik ve piroelektrik tepkileri iptal olmaz. Bu, polikristalin ince filmlerde kolaylıkla gerçekleştirilir.

Kurşunsuz piezoseramikler

  • Sodyum potasyum niyobat ((K,Na)NbO 3 ). Bu malzeme aynı zamanda NKN veya KNN olarak da bilinir. 2004 yılında, Yasuyoshi Saito tarafından yönetilen Japon araştırmacılar bir grup özellikleri yüksek içeren PZT kişilerce yakın olan, bir sodyum, potasyum niyobat bileşimini keşfettik T C . Bu malzemenin belirli bileşimlerinin,  artan titreşim seviyeleriyle birlikte yüksek bir mekanik kalite faktörünü ( Q m ≈ 900) koruduğu , buna karşın sert PZT'nin mekanik kalite faktörünün bu koşullarda bozulduğu gösterilmiştir. Bu gerçek, NKN'yi piezoelektrik transformatörler gibi yüksek güçlü rezonans uygulamaları için umut verici bir alternatif haline getiriyor.
  • Bizmut ferrit (BiFeO 3 ) – kurşun bazlı seramiklerin değiştirilmesi için umut verici bir aday.
  • Sodyum niyobat (NaNbO 3 )
  • Baryum titanat (BaTiO 3 ) – Baryum titanat, keşfedilen ilk piezoelektrik seramiktir.
  • Bizmut titanat (Bi 4 Ti 3 O 12 )
  • Sodyum bizmut titanat (NaBi(TiO 3 ) 2 )

Kurşunsuz piezoseramiklerin üretimi, çevresel bir bakış açısı ve kurşun bazlı muadillerinin özelliklerini kopyalama yetenekleri açısından birçok zorluk doğurur. Piezoseramik kurşun bileşeninin çıkarılmasıyla, insanlar için toksisite riski azalır, ancak malzemelerin madenciliği ve çıkarılması çevreye zararlı olabilir. PZT'nin sodyum potasyum niobata (NKN veya KNN) karşı çevresel profilinin analizi, dikkate alınan dört gösterge (birincil enerji tüketimi, toksikolojik ayak izi, eko-gösterge 99 ve girdi-çıktı yukarı akış sera gazı emisyonları) genelinde KNN'nin aslında daha fazla olduğunu göstermektedir. çevreye zararlı. KNN ile ilgili endişelerin çoğu, özellikle de Nb 2 O 5 bileşeni, üreticilere ulaşmadan önce yaşam döngüsünün ilk aşamasındadır. Zararlı etkiler bu erken aşamalara odaklandığından, etkileri en aza indirmek için bazı önlemler alınabilir. Nb 2 O 5 madenciliğinden sonra , barajın yıkılması veya kullanılabilir toprak stokunun değiştirilmesi yoluyla arazinin orijinal haline yakın bir şekilde geri döndürülmesi, herhangi bir çıkarma olayı için bilinen yardımcılardır. Hava kalitesi etkilerini en aza indirmek için, hangi azaltma yöntemlerinin gerekli olduğunu tam olarak anlamak için hala modelleme ve simülasyonun yapılması gerekmektedir. Kurşunsuz piezoseramik bileşenlerin çıkarılması şu anda önemli bir ölçeğe ulaşmadı, ancak erken analizlerden itibaren uzmanlar, çevresel etkiler söz konusu olduğunda dikkatli olunmasını teşvik ediyor.

Kurşunsuz piezoseramik üretimi, kurşun bazlı muadillerinin performansını ve istikrarını koruma zorluğuyla karşı karşıyadır. Genel olarak, ana üretim zorluğu, malzemenin sıcaklık stabilitesini azaltan "polimorfik faz sınırlarını (PPB'ler)" tanıtmadan malzemelere kararlı piezoelektrik özellikleri sağlayan "morfotropik faz sınırları (MPB'ler)" oluşturmaktır. Faz geçiş sıcaklıklarının oda sıcaklığında yakınsaması için değişen katkı maddesi konsantrasyonları ile yeni faz sınırları oluşturulur. MPB'nin eklenmesi piezoelektrik özellikleri iyileştirir, ancak bir PPB eklenirse malzeme sıcaklıktan olumsuz etkilenir. Faz mühendisliği, difüzyon faz geçişleri, alan mühendisliği ve kimyasal modifikasyon yoluyla tanıtılan faz sınırlarının türünü kontrol etmek için araştırmalar devam etmektedir.

III–V ve II–VI yarı iletkenler

Grup III-V ve II-VI malzemeleri gibi merkezi simetriye sahip herhangi bir yığın veya nano yapılı yarı iletken kristalde, uygulanan stres ve gerilim altında iyonların polarizasyonu nedeniyle bir piezoelektrik potansiyel oluşturulabilir. Bu özellik için ortak olan Çinkoblend ve wurtzite kristal yapıları. Birinci dereceden, sadece bir bağımsız piezoelektrik katsayısı vardır Çinkoblend E adı verilen, 14 suşu kesme bileşenlerine bağlanabilir. Gelen wurtzite : üç bağımsız piezoelektrik katsayıları yerine orada E 31 , E 33 ve E 15 . En güçlü piezoelektrikliğin gözlemlendiği yarı iletkenler, wurtzite yapısında yaygın olarak bulunanlardır , yani GaN, InN, AlN ve ZnO (bkz. piezotronics ).

2006'dan bu yana, polar yarı iletkenlerde doğrusal olmayan güçlü piezoelektrik etkilere ilişkin bir dizi rapor da bulunmaktadır . Bu tür etkilerin, birinci dereceden yaklaşımla aynı büyüklük mertebesinde olmasa bile, genellikle en azından önemli olduğu kabul edilir.

polimerler

Polimerlerin piezo tepkisi, seramiklerin tepkisi kadar yüksek değildir; ancak polimerler, seramiklerin sahip olmadığı özelliklere sahiptir. Son birkaç on yılda, esneklikleri ve daha küçük akustik empedansları nedeniyle toksik olmayan piezoelektrik polimerler üzerinde çalışılmış ve uygulanmıştır . Bu malzemeleri önemli kılan diğer özellikler arasında biyouyumlulukları , biyolojik olarak parçalanabilirlikleri , düşük maliyetleri ve diğer piezo malzemelere (seramik vb.) kıyasla düşük güç tüketimi sayılabilir . Piezoelektrik polimerler ve toksik olmayan polimer kompozitler, farklı fiziksel özellikleri nedeniyle kullanılabilir.

Piezoelektrik polimerler, yığın polimerler, boşluklu yüklü polimerler ("piezoelektretler") ve polimer kompozitler ile sınıflandırılabilir. Yığın polimerler tarafından gözlemlenen bir piezo-tepki, çoğunlukla moleküler yapısından kaynaklanmaktadır. İki tür yığın polimer vardır: amorf ve yarı kristal . Yarı kristalli polimerlerin örnekleri, Poliviniliden Florür (PVDF) ve bunun kopolimerleri , Poliamidler ve Parylene-C'dir . Poliimid ve Poliviniliden Klorür (PVDC) gibi kristal olmayan polimerler, amorf yığın polimerler kapsamına girer. Boşluklu yüklü polimerler, gözenekli bir polimerik filmin kutuplanmasıyla indüklenen yük nedeniyle piezoelektrik etki sergiler. Bir elektrik alanı altında, dipolleri oluşturan boşlukların yüzeyinde yükler oluşur. Elektrik tepkileri, bu boşlukların herhangi bir deformasyonundan kaynaklanabilir. Piezoelektrik etki, piezoelektrik seramik parçacıklarının bir polimer filme entegre edilmesiyle polimer kompozitlerde de gözlemlenebilir. Bir polimerin, bir polimer kompozit için etkili bir malzeme olması için piezo-aktif olması gerekmez. Bu durumda, bir malzeme, ayrı bir piezo-aktif bileşene sahip bir atıl matristen yapılabilir.

PVDF, kuvarstan birkaç kat daha fazla piezoelektrik gösterir. PVDF'den gözlemlenen piezo-tepki yaklaşık 20-30 pC/N'dir. Bu, piezoelektrik seramik kurşun zirkonat titanattan (PZT) 5-50 kat daha az bir sipariştir. PVDF ailesindeki polimerlerin (yani viniliden florür ko-poli trifloroetilen) piezoelektrik etkisinin termal kararlılığı 125 °C'ye kadar çıkar. PVDF'nin bazı uygulamaları basınç sensörleri, hidrofonlar ve şok dalgası sensörleridir.

Esneklikleri nedeniyle, piezoelektrik kompozitler enerji toplayıcılar ve nanojeneratörler olarak önerilmiştir. 2018 yılında Zhu ve diğerleri tarafından rapor edilmiştir. PDMS/PZT nanokompozitinden %60 gözeneklilikte yaklaşık 17 pC/N'lik bir piezoelektrik tepkinin elde edilebileceğini göstermiştir. Başka PDMS nanokompozit hangi BaTiO, 2017 yılında rapor edildi 3 kendi kendine çalışan fizyolojik izlenmesi için bir gerilebilir, şeffaf nanogenerator yapmak PDMS entegre edilmiştir. 2016 yılında, 244 pC/N'ye kadar yüksek tepkilerin rapor edildiği bir poliüretan köpüğe polar moleküller dahil edildi.

Diğer materyaller

Çoğu malzeme en azından zayıf piezoelektrik tepkiler sergiler. Önemsiz örnekler arasında sakaroz (sofra şekeri), DNA , bakteriyofajdan olanlar dahil viral proteinler bulunur . Selüloz lifleri adı verilen ağaç liflerine dayalı bir aktüatör rapor edilmiştir. Hücresel polipropilen için D33 tepkileri yaklaşık 200 pC/N'dir. Hücresel polipropilenin bazı uygulamaları, müzik tuş takımları, mikrofonlar ve ultrason tabanlı ekolokasyon sistemleridir. Son zamanlarda, β-glisin gibi tek amino asit , diğer biyolojik materyallere kıyasla yüksek piezoelektrik (178 pmV -1 ) sergiledi .

Başvuru

Şu anda endüstriyel ve imalat, piezoelektrik cihazlar için en büyük uygulama pazarıdır ve bunu otomotiv endüstrisi izlemektedir. Tıbbi cihazların yanı sıra bilgi ve telekomünikasyondan da güçlü talep geliyor. Piezoelektrik cihazlara yönelik küresel talep, 2015 yılında yaklaşık 21,6 milyar ABD Doları değerindeydi. Piezoelektrik cihazlar için en büyük malzeme grubu piezoseramikler ve piezopolimer, düşük ağırlığı ve küçük boyutu nedeniyle en hızlı büyümeyi yaşıyor.

Piezoelektrik kristaller artık çeşitli şekillerde kullanılmaktadır:

Yüksek voltaj ve güç kaynakları

Kuvars gibi bazı maddelerin doğrudan piezoelektrikliği, binlerce voltluk potansiyel farklar üretebilir .

  • En iyi bilinen uygulama elektrikli çakmaktır : düğmeye basmak, yay yüklü bir çekicin bir piezoelektrik kristale çarpmasına neden olur, küçük bir kıvılcım aralığı boyunca akan yeterince yüksek voltajlı bir elektrik akımı üretir , böylece gazı ısıtır ve ateşler. Gaz sobalarını tutuşturmak için kullanılan portatif kıvılcımlar aynı şekilde çalışır ve birçok gaz brülörü tipi artık yerleşik piezo tabanlı ateşleme sistemlerine sahiptir.
  • Benzer bir fikir, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki DARPA tarafından, askerlerin botlarına gömülü piezoelektrik jeneratörler tarafından savaş alanı ekipmanına güç sağlama girişimini içeren enerji hasadı adlı bir projede araştırılıyor . Ancak, bu enerji hasadı kaynakları bir araya gelerek vücudu etkiler. DARPA'nın yürürken sürekli ayakkabı çarpmasından 1-2 watt kullanma çabası, pratik olmaması ve ayakkabıları giyen bir kişinin harcadığı ek enerjiden kaynaklanan rahatsızlık nedeniyle terk edildi. Diğer enerji toplama fikirleri, tren istasyonlarında veya diğer halka açık yerlerde insan hareketlerinden enerji elde etmeyi ve elektrik üretmek için bir dans pistini dönüştürmeyi içerir. Endüstriyel makinelerden gelen titreşimler, yedek kaynaklar için pilleri şarj etmek veya düşük güçlü mikroişlemcilere ve kablosuz radyolara güç sağlamak için piezoelektrik malzemeler tarafından da toplanabilir.
  • Piezoelektrik transformatör , bir tür AC voltaj çarpanıdır. Giriş ve çıkış arasında manyetik kuplaj kullanan geleneksel bir transformatörün aksine, piezoelektrik transformatör akustik kuplaj kullanır . PZT gibi bir piezoseramik malzeme çubuğunun kısa bir uzunluğu boyunca bir giriş voltajı uygulanır , bu, ters piezoelektrik etkiyle çubukta alternatif bir stres yaratır ve tüm çubuğun titreşmesine neden olur. Titreşim frekansı , tipik olarak 100 kilohertz ila 1 megahertz aralığında , bloğun rezonans frekansı  olacak şekilde seçilir . Daha sonra piezoelektrik etki ile çubuğun başka bir bölümünde daha yüksek bir çıkış voltajı üretilir. 1.000:1'den fazla yükseltme oranları kanıtlanmıştır. Bu transformatörün ekstra bir özelliği, rezonans frekansının üzerinde çalıştırılarak, kontrollü bir yumuşak başlatma gerektiren devrelerde yararlı olan endüktif yük olarak görünmesinin sağlanabilmesidir . Bu cihazlar, soğuk katot floresan lambaları sürmek için DC-AC invertörlerinde kullanılabilir . Piezo transformatörler, en kompakt yüksek voltaj kaynaklarından bazılarıdır.

Sensörler

Gitar alıcısı olarak kullanılan piezoelektrik disk
Birçok roket güdümlü el bombası bir piezoelektrik sigorta kullandı . Resimde, bir Rus RPG-7

Bir piezoelektrik sensörün çalışma prensibi, bir kuvvete dönüştürülen fiziksel bir boyutun, algılama elemanının iki karşıt yüzüne etki etmesidir. Bir sensörün tasarımına bağlı olarak, piezoelektrik elemanı yüklemek için farklı "modlar" kullanılabilir: boyuna, enine ve kesme.

Ses biçimindeki basınç değişimlerinin tespiti en yaygın sensör uygulamasıdır, örneğin piezoelektrik mikrofonlar (ses dalgaları piezoelektrik malzemeyi bükerek değişen bir voltaj oluşturur) ve akustik-elektrik gitarlar için piezoelektrik alıcılar . Bir enstrümanın gövdesine takılan bir piezo sensör, kontak mikrofonu olarak bilinir .

Piezoelektrik sensörler, özellikle tıbbi görüntüleme ve ayrıca endüstriyel tahribatsız muayene (NDT) için ultrasonik dönüştürücülerde yüksek frekanslı sesle kullanılır .

Birçok algılama tekniği için, sensör hem sensör hem de aktüatör olarak hareket edebilir - cihaz bu ikili kapasitede hareket ettiğinde genellikle dönüştürücü terimi tercih edilir, ancak çoğu piezo cihazı, kullanılsın veya kullanılmasın bu tersinirlik özelliğine sahiptir. Örneğin ultrasonik dönüştürücüler, vücuda ultrason dalgaları enjekte edebilir, geri dönen dalgayı alabilir ve onu bir elektrik sinyaline (bir voltaj) dönüştürebilir. Çoğu tıbbi ultrason dönüştürücüsü piezoelektriktir.

Yukarıda belirtilenlere ek olarak, çeşitli sensör ve dönüştürücü uygulamaları şunları içerir:

  • Piezoelektrik elemanlar, sonar dalgalarının tespiti ve üretilmesinde de kullanılır.
  • Piezoelektrik malzemeler, tek eksenli ve çift eksenli eğim algılamada kullanılır.
  • Yüksek güç uygulamalarında (örneğin tıbbi tedavi, sonokimya ve endüstriyel işleme) güç izleme .
  • Piezoelektrik mikro teraziler çok hassas kimyasal ve biyolojik sensörler olarak kullanılmaktadır.
  • Piezos bazen gerinim ölçerlerde kullanılır .
  • Huygens Probe üzerindeki penetrometre cihazında bir piezoelektrik dönüştürücü kullanıldı .
  • Piezoelektrik dönüştürücüler , elektronik davul pedlerinde davulcu çubuklarının etkisini tespit etmek ve tıbbi akseleromyografide kas hareketlerini tespit etmek için kullanılır .
  • Otomotiv motor yönetim sistemleri , belirli hertz frekanslarında patlama olarak da bilinen Motor vuruntusunu (Vuruntu Sensörü, KS) tespit etmek için piezoelektrik dönüştürücüler kullanır. Yakıt enjeksiyon sistemlerinde, motor yükünü ve nihayetinde yakıt enjektörlerini milisaniyeler içinde zamanında belirlemek için manifold mutlak basıncını (MAP sensörü) ölçmek için bir piezoelektrik dönüştürücü de kullanılır.
  • Akustik emisyon testlerinde akustik emisyonların tespitinde ultrasonik piezo sensörler kullanılmaktadır .
  • Piezoelektrik dönüştürücüler, geçiş süresi ultrasonik akış ölçerlerde kullanılabilir .

Aktüatörler

Bir zilde kullanılan piezoelektrik disk takılı metal disk

Çok yüksek elektrik alanları kristalin genişliğindeki yalnızca küçük değişikliklere karşılık geldiğinden, bu genişlik µm'den daha iyi bir hassasiyetle değiştirilebilir, bu da piezo kristallerini nesneleri aşırı doğrulukla konumlandırmak için en önemli araç haline getirir - dolayısıyla aktüatörlerde kullanımları . 100 µm'den daha ince katmanlar kullanan çok katmanlı seramikler, 150 V'tan daha düşük voltajlı yüksek elektrik alanlarına ulaşmayı sağlar . Bu seramikler iki tür aktüatörde kullanılır: doğrudan piezo aktüatörler ve güçlendirilmiş piezoelektrik aktüatörler . Doğrudan aktüatörün stroku genellikle 100 µm'den daha düşük iken , güçlendirilmiş piezo aktüatörler milimetrik stroklara ulaşabilir.

  • Hoparlörler : Voltaj, metalik bir diyaframın mekanik hareketine dönüştürülür.
  • Ultrasonik temizleme , sıvı içinde yoğun ses dalgaları üretmek için genellikle piezoelektrik elemanlar kullanır.
  • Piezoelektrik motorlar : Piezoelektrik elemanlar, bir aksa , dönmesine neden olan yönlü bir kuvvet uygular . Son derece küçük mesafeler nedeniyle, piezo motor, step motor için yüksek hassasiyetli bir yedek olarak görülüyor .
  • Piezoelektrik elemanlar, bazı lazer aynalarını elektronik olarak hizalamak için büyük bir kütleyi (ayna montajı) mikroskobik mesafeler boyunca hareket ettirme yeteneklerinden yararlanıldığı lazer ayna hizalamasında kullanılabilir . Lazer elektroniği, aynalar arasındaki mesafeyi hassas bir şekilde kontrol ederek, ışın çıkışını optimize etmek için lazer boşluğu içindeki optik koşulları doğru bir şekilde koruyabilir.
  • İlgili bir uygulama, piezoelektrik elemanlar tarafından üretilen bir kristaldeki ışık ses dalgalarını dağıtan bir cihaz olan akustik-optik modülatördür . Bu, bir lazerin frekansının ince ayarını yapmak için kullanışlıdır.
  • Atomik kuvvet mikroskopları ve taramalı tünelleme mikroskopları , algılama iğnesini numuneye yakın tutmak için ters piezoelektrik kullanır.
  • Mürekkep püskürtmeli yazıcılar : Birçok mürekkep püskürtmeli yazıcıda, mürekkebi inkjet yazıcı kafasından kağıda doğru püskürtmek için piezoelektrik kristaller kullanılır.
  • Dizel motorlar : Yüksek performanslı common rail dizel motorlar , daha yaygın solenoid valf cihazları yerine ilk olarak Robert Bosch GmbH tarafından geliştirilen piezoelektrik yakıt enjektörlerini kullanır .
  • Güçlendirilmiş aktüatörler kullanılarak aktif titreşim kontrolü.
  • X-ışını panjurları.
  • Kızılötesi kameralarda kullanılan mikro tarama için XY aşamaları.
  • Hastayı , güçlü radyasyon veya manyetizmanın elektrik motorlarını engellediği aktif CT ve MRI tarayıcılarının içinde tam olarak hareket ettirmek .
  • Kristal kulaklıklar bazen eski veya düşük güçlü radyolarda kullanılır.
  • Lokalize ısıtma veya lokal kavitasyon oluşturma için yüksek yoğunluklu odaklanmış ultrason , örneğin hastanın vücudunda veya endüstriyel bir kimyasal proseste elde edilebilir.
  • Yenilenebilir braille ekranı . Küçük bir kristal, tek tek braille hücrelerini yükseltmek için bir kolu hareket ettiren bir akım uygulanarak genişletilir.
  • Piezoelektrik aktüatör. Tek bir kristal veya birkaç kristal, bir mekanizmayı veya sistemi hareket ettirmek ve kontrol etmek için bir voltaj uygulanarak genişletilir.
  • Piezoelektrik aktüatörler, sabit disk sürücülerinde hassas servo konumlandırma için kullanılır.

Frekans standardı

Kuvarsın piezoelektrik özellikleri, bir frekans standardı olarak kullanışlıdır .

  • Kuvars saatler , zamanı işaretlemek için kullanılan düzenli olarak zamanlanmış bir dizi elektrik darbesi üretmek için hem doğrudan hem de ters piezoelektrik kombinasyonunu kullanan bir kuvars kristalinden yapılmış bir kristal osilatör kullanır. Kuvars kristali (herhangi bir elastik malzeme gibi ), salınmayı tercih ettiği (şekli ve boyutundan kaynaklanan) kesin olarak tanımlanmış bir doğal frekansa sahiptir ve bu, kristale uygulanan periyodik bir voltajın frekansını stabilize etmek için kullanılır.
  • Aynı prensip bazı radyo vericilerinde ve alıcılarında ve saat darbesi oluşturduğu bilgisayarlarda da kullanılır . Bunların her ikisi de genellikle gigahertz aralıklarına ulaşmak için bir frekans çarpanı kullanır.

Piezoelektrik motorlar

Yapışkan-kaydırmalı aktüatör

Piezoelektrik motor türleri şunları içerir:

Basamak kaydırmalı motor dışında, tüm bu motorlar aynı prensipte çalışır. 90° faz farkıyla çift ​​dik titreşim modları tarafından tahrik edilen iki yüzey arasındaki temas noktası eliptik bir yolda titreşir ve yüzeyler arasında bir sürtünme kuvveti oluşturur. Genellikle bir yüzey sabitlenir ve diğerinin hareket etmesine neden olur. Piezoelektrik motorların çoğunda, piezoelektrik kristal, motorun rezonans frekansında bir sinüs dalgası sinyali ile uyarılır . Rezonans etkisi kullanılarak, yüksek bir titreşim genliği üretmek için çok daha düşük bir voltaj kullanılabilir.

Bir stick-slip motoru, bir kütlenin ataletini ve bir kelepçenin sürtünmesini kullanarak çalışır. Bu tür motorlar çok küçük olabilir. Bazıları kamera sensörünün yer değiştirmesi için kullanılır, böylece bir sarsıntı önleme işlevine izin verir.

Titreşim ve gürültünün azaltılması

Farklı araştırmacı ekipleri, malzemeye piezo elementler ekleyerek malzemelerdeki titreşimleri azaltmanın yollarını araştırıyor. Malzeme bir yönde bir titreşimle büküldüğünde, titreşim azaltma sistemi bükülmeye tepki verir ve diğer yönde bükülmesi için piezo elemanına elektrik gücü gönderir. Bu teknolojinin gelecekteki uygulamalarının otomobillerde ve evlerde gürültüyü azaltması bekleniyor. Kabuklar ve plakalar gibi esnek yapılara yönelik diğer uygulamalar da yaklaşık otuz yıldır incelenmiştir.

Malzeme Vision Fuarı'nda bir gösteride Frankfurt Kasım 2005'te, bir ekip TU Darmstadt içinde Almanya'da da lastik bir çekiçle vuruldu çeşitli paneller gösterdi ve piezo eleman panel hemen sallanan durdu.

Piezoelektrik seramik elyaf teknolojisi, bazı HEAD tenis raketlerinde elektronik bir sönümleme sistemi olarak kullanılmaktadır .

Tüm piezo dönüştürücüler, temel bir rezonans frekansına ve birçok harmonik frekansa sahiptir. Piezo tahrikli Talep Üzerine Düşen sıvı sistemleri, piezo yapısındaki azaltılması veya ortadan kaldırılması gereken ekstra titreşimlere karşı hassastır. Bir mürekkep püskürtmeli şirket olan Howtek, Inc, cam (sert) mürekkep püskürtmeli püskürtme uçlarını Tefzel (yumuşak) mürekkep püskürtmeli püskürtme uçlarıyla değiştirerek bu sorunu çözdü. Bu yeni fikir, tek nozüllü inkjetleri popüler hale getirdi ve şimdi, içi temiz tutulursa ve aşırı ısınmazsa yıllarca çalışan 3D Inkjet yazıcılarda kullanılıyor (Tefzel çok yüksek sıcaklıklarda basınç altında sürünür)

kısırlık tedavisi

Daha önce total fertilizasyon yetmezliği olan kişilerde intrasitoplazmik sperm enjeksiyonu (ICSI) ile birlikte oositlerin piezoelektrik aktivasyonunun fertilizasyon sonuçlarını iyileştirdiği görülmektedir.

Ameliyat

Piezocerrahi Piezocerrahi, hedef dokuyu komşu dokulara çok az zarar vererek kesmeyi amaçlayan minimal invaziv bir tekniktir. Örneğin, Hoigne ve ark. 25–29 kHz aralığındaki frekansları kullanır ve 60–210 μm'lik mikrotitreşimlere neden olur. Nörovasküler dokuyu ve diğer yumuşak dokuları kesmeden mineralize dokuyu kesme yeteneğine sahiptir, böylece kansız bir çalışma alanı, daha iyi görünürlük ve daha fazla hassasiyet sağlar.

Potansiyel uygulamalar

2015 yılında, Cambridge Üniversitesi araştırmacıları, Ulusal Fizik Laboratuvarı ve Cambridge merkezli dielektrik anten şirketi Antenova Ltd'den araştırmacılarla birlikte, ince piezoelektrik malzeme filmleri kullanarak, belirli bir frekansta, bu malzemelerin yalnızca verimli rezonatörler değil, verimli radyatörler olduğunu keşfettiler. aynı zamanda, potansiyel olarak anten olarak kullanılabilecekleri anlamına gelir. Araştırmacılar, piezoelektrik ince filmleri asimetrik bir uyarıma tabi tutarak, sistemin simetrisinin benzer şekilde bozulduğunu, bunun da elektrik alanının simetrik kırılmasına ve elektromanyetik radyasyon oluşumuna neden olduğunu buldular.

Yürüyen yayalardan kinetik enerji toplamak için piezoelektrik teknolojisinin makro ölçekte uygulanmasına yönelik çeşitli girişimler ortaya çıkmıştır.

Bu durumda, yüksek trafikli alanların konumlandırılması, enerji hasadı verimliliğinin optimizasyonu için kritik öneme sahiptir ve karo kaplamanın yönü, hasat edilen toplam enerji miktarını önemli ölçüde etkiler. Birim zaman başına yaya geçidi sayısına dayalı olarak, ele alınan alanın piezoelektrik güç toplama potansiyelini niteliksel olarak değerlendirmek için bir yoğunluk akış değerlendirmesi önerilir. X. Li'nin çalışmasında, Avustralya, Sidney'deki Macquarie Üniversitesi'ndeki merkezi bir merkez binasında ticari bir piezoelektrik enerji toplayıcısının potansiyel uygulaması incelenmiş ve tartışılmıştır. Piezoelektrik karo yerleşiminin optimizasyonu yaya hareketliliğinin sıklığına göre sunulmakta ve en yüksek yaya hareketliliğine sahip toplam zemin alanının %3,1'inin piezoelektrik karolarla kaplandığı bir model geliştirilmiştir. Modelleme sonuçları, önerilen optimize edilmiş kiremit kaplama modeli için toplam yıllık enerji hasat potansiyelinin, binanın yıllık enerji ihtiyacının yaklaşık %0.5'ini karşılamaya yeterli olacak şekilde 1.1 MW sa/yıl olarak tahmin edildiğini göstermektedir. İsrail'de yoğun bir otoyolun altına piezoelektrik malzemeleri yerleştiren bir şirket var. Üretilen enerji yeterlidir ve sokak lambalarına, reklam panolarına ve tabelalara güç sağlar.

Lastik şirketi Goodyear , içinde piezoelektrik malzeme bulunan, elektrik üreten bir lastik geliştirmeyi planlıyor. Lastik hareket ettikçe deforme olur ve böylece elektrik üretilir.

Piezoelektrik malzemeler içeren hibrit bir fotovoltaik hücrenin verimliliği, basitçe bir ortam gürültüsü veya titreşim kaynağının yakınına yerleştirerek artırılabilir. Etki, çinko oksit nanotüpler kullanılarak organik hücrelerle gösterildi . Piezoelektrik etkinin kendisi tarafından üretilen elektrik, toplam çıktının ihmal edilebilir bir yüzdesidir. 75 desibel kadar düşük ses seviyeleri, verimliliği %50'ye kadar artırdı. Verimlilik, nanotüplerin rezonans frekansı olan 10 kHz'de zirveye ulaştı. Titreşen nanotüpler tarafından kurulan elektrik alanı, organik polimer tabakasından göç eden elektronlarla etkileşime girer. Bu süreç, elektronların enerjilendirildiği ancak elektron kabul eden ZnO katmanına göç etmek yerine bir deliğe geri yerleştiği rekombinasyon olasılığını azaltır.

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

  • EN 50324 (2002) Seramik malzemelerin ve bileşenlerin piezoelektrik özellikleri (3 kısım)
  • ANSI-IEEE 176 (1987) Piezoelektrik Standardı
  • IEEE 177 (1976) Piezoelektrik Vibratörler için Standart Tanımlar ve Ölçüm Yöntemleri
  • IEC 444 (1973) Bir pi-ağında sıfır faz tekniği ile kuvars kristal birimlerinin rezonans frekansı ve eşdeğer seri direncinin ölçümü için temel yöntem
  • IEC 302 (1969) 30 MHz'e kadar Frekans Aralığında Çalışan Piezoelektrik Vibratörler için Standart Tanımlar ve Ölçüm Yöntemleri

Dış bağlantılar