Электрически активируемые материалы

Обширный ряд технологий был разработан с использованием интеллектуальных пьезоэлектрических материалов. Прямой пьезоэлектрический эффект, также называемый просто пьезоэлектрическим эффектом, представляет собой способность определенных материалов – минералов, керамических материалов и некоторых полимеров – создавать электрический заряд в ответ на прилагаемое механическое усилие. Прямой пьезоэлектрический эффект возникает в том случае, когда упругая деформация твердого тела сопровождается таким асимметричным искажением распределения положительных и отрицательных зарядов, диполей или групп параллельных диполей (областей Вейсса) в структуре твердого тела, что возникает общий дипольный момент, т. е. твердое тело поляризуется. Обратный пьезоэлектрический эффект возникает в том случае, когда внешнее электрическое поле вызывает такое искажение распределения зарядов, диполей или областей Вейсса, которое вызывает геометрические искажения, проявляющиеся в виде механических деформаций.

Исходно братья Кюри открыли пьезоэлектрический эффект в природных материалах, таких как кварц, турмалин, топаз и сегнетова соль (калий-натрий виннокислый четырехводный ). Из них сегодня только кварц используется в промышленных целях. Все прочие практически важные пьезоэлектрические монокристаллы, такие как дигидрофосфат аммония , ортофосфат галлия и сложные оксиды лантана и галлия, выращиваются искусственно. Хотя новые монокристаллические пьезоэлектрические материалы продолжают разрабатывать и по сей день, наиболее широко применяемым классом пьезоэлектрических материалов нынче являются поликристаллические пьезокерамические материалы. Они обладают гораздо более богатым набором полезных характеристик, а также способны функционировать в более широком диапазоне рабочих условий. Наиболее широко используемыми пьезоэлектрическими керамическими материалами являются титанат бария BaTiO₃ (первый открытый пьезокерамический материал), титанат свинца PbTiO₃, цирконат-титанат свинца (наиболее широко применяемый на сегодняшний день пьезокерамический материал), цирконат-титанат свинца-лантана и магнониобат свинца

Пьезоэлектриками являются и некоторые полимерные материалы. Часть из них изначально являются пьезоэлектриками, другие можно сделать такими. Подобные вещества имеются среди природных высокомолекулярных соединений (кератин, коллаген, некоторые полипептиды, ориентированные пленки ДНК) либо могут быть получены синтетическим путем (некоторые нейлоны и полимочевина). Однако в настоящее время единственными выпускаемыми промышленностью пьезоэлектрическими полимерами являются поливинилиденфторид (polyvinylidene difluoride – PVDF) и его сополимеры с трифторэтиленом и тетрафторэтиленом.

PVDF – частично кристаллический синтетический полимер с химической формулой (CH₂-CF₂)n. Он производится в виде тонких пленок, растянутых вдоль плоскости пленки и поляризованных перпендикулярно этой плоскости для создания пьезоэлектрических свойств

Так как пьезоэлектрические материалы могут преобразовывать механическую энергию в электрическую и наоборот, чаще всего они используются в различных электромеханических датчиках и исполнительных устройствах. Пьезоэлектрические материалы используются в датчиках различных физических величин (таких как сила, давление, ускорение, боковой удар и скорость рыскания), а также в микрофонах, гидрофонах, ультразвуковых датчиках, сейсмических датчиках, акустических приемниках и во многих других приборах. Интересным примером непрерывно распределенного пьезоэлектрического датчика являются интеллектуальные пьезоэлектрические краски. Такая краска может быть изготовлена из порошка керамического материала (цирконата-титаната свинца), взятого в качестве пигмента, и эпоксидной смолы, используемой как связующее. Смесь наносится на поверхность, а затем отвердевает и поляризуется при комнатной температуре. Получаемая в итоге пленка краски выступает как вибрационный и акустоэмиссионный датчик для всей поверхности. Такие интеллектуальные краски могут использоваться для покрытия больших участков поверхности отдельных структурных элементов и даже целых конструкций, например, мостов, в целях контроля их целостности. Другими важными примерами пьезоэлектрических исполнительных устройств являются громкоговорители, пьезоэлектрические двигатели и высокоточные исполнительные микроустройства. Работа высокоточных исполнительных микроустройств основана на способности пьезоэлектрических материалов претерпевать малые изменения формы под действием малых изменений приложенного к ним электрического потенциала. Это позволяет осуществлять точное управление положением и перемещением деталей и элементов, что крайне важно для правильной работы различных приборов, от печатающих головок струйных принтеров до систем наведения. Наиболее важный класс пьезоэлектрических приборов – пьезоэлектрические ультразвуковые генераторы, которые в отличие от магнитострикционных или других типов ультразвуковых генераторов обеспечивают наиболее эффективную генерацию ультразвука при контролируемых мощности и частоте. Пьезоэлектрические ультразвуковые генераторы используются в гидролокаторах, в ультразвуковой дефектоскопии для исследования широкого спектра материалов и конструкций, включая различные трубы и трубопроводы. В своей обычной жизни люди сталкиваются с подобным применением при проведении медицинских ультразвуковых исследований (УЗИ) – процедуры визуализации внутренних тканей и органов тела.