Piezoelektryk

0
176

Piezoelektryk – materiał krystaliczny wykazujący właściwości piezoelektryczne (monokryształ, polikryształ), także pewne substancje organiczne, ceramika oraz syntetyki (poliwinylofluoryt, polipropylen, polichlorek winylu).

Do najczęściej wykorzystywanych rodzajów materiałów piezoelektrycznych należą:

  • monokryształy nieorganiczne trudne do uzyskania w warunkach laboratoryjnych – kwarc, turmalin,
  • monokryształy stosunkowo łatwe do otrzymania – kryształy soli Seignette’a, wodorowinianu potasowego, diwodorofosforanu amonowego i potasowego,
  • materiały polikrystaliczne, do których należą ferroelektryki ceramiczne – tytanian baru, tytanian ołowiu, ceramika PZT.
  • materiały organiczne oraz syntetyczne polimery
  • kompozyty ceramiczno – polimerowe

Kwarc (kryształ górski) – jest jednym z krystalicznych odmian dwutlenku krzemu. Występuje w stanie naturalnym w rozmiarze do kilkudziesięciu centymetrów, co odpowiednio kwalifikuje go do zastosowań technicznych. Zasoby kryształu są ograniczone, ale można uzyskać kwarc laboratoryjną metodą hydrotermalną, choć proces ten jest kosztowny i czasochłonny. Kwarc był jednym z najwcześniej stosowanych piezoelektryków (radiokomunikacja, stabilizatory częstotliwości generatorów, filtry wąskopasmowe). 

Turmalin – znacznie droższy od kwarcu, występujący naturalnie monokryształ charakteryzujący się dużą wytrzymałością mechaniczną. Jako pierwsze znalazły zastosowanie w sprzęcie hydrolokacyjnym. Wykorzystywany w rezonatorach wysokich częstotliwości ze względu na możliwość uzyskania bardzo cienkich płytek (wysoka wytrzymałość). 

Sól Seignette’a – kryształ łatwy w obróbce, jednak wrażliwy na działanie wilgoci, temperatury i środków chemicznych. Z tych powodów wykorzystywany na ogół do produkcji popularnych, niskiej klasy przetworników elektroakustycznych. Obecnie raczej rzadko wykorzystywany, jedynie w konstrukcjach małych mocy, pracujących w normalnych warunkach środowiskowych.

Diwodorofosforany amonu i potasu (KDP, ADP) –  łatwe do uzyskania, charakterem podobne do soli Seignette’a, jednak o lepszych właściwościach mechanicznych i wyższej trwałości.

Winian dwuaminoetylenowy (EDT), winian dwupotasowy (KDT) – charakterystyka materiałów w niektórych aspektach zbliżona do kwarcu, jednak wykazują one większą wrażliwość na działanie czynników zewnętrznych. Ich zaletą jest mniej kosztowna technologia produkcji.

Materiały ceramiczne

Najpowszechniej wykorzystywanymi piezoelektrykami są materiały ceramiczne. Technologia pozwala na łatwe i tanie uzyskanie piezoelektryków ceramicznych praktycznie w dowolnej wielkości i kształcie, a ich odpowiednie właściwości dają szerokie możliwości ich wykorzystania – m.in. w technice ultradźwiękowej, w konstrukcji filtrów sygnałowych, transformatorów piezoelektrycznych, powielaczy częstotliwości, stabilizatorów i innych urządzeń. Niestety dość duży rozrzut parametrów, ich niestabilność w czasie i nieliniowość dyskwalifikuje tego rodzaju materiały w zastosowaniach najwyższej klasy urządzeń.

Zaletą materiałów ceramicznych jest stosunkowo łatwy wpływ na ich właściwości drogą zmiany składu chemicznego poprzez domieszkowanie.

Wśród ceramicznych piezoelektryków o najistotniejszym znaczeniu wymienić należy tytanian baru, tytanian ołowiu, cyrkonian tytanian ołowiu, nioban ołowiu i magnezu.

Materiały organiczne oraz syntetyczne polimery

Efekt piezoelektryczny wykazują także substancje organiczne (niektóre gatunki drewna, wiskoza, jedwab, polimery), jednak siła jego działania jest niewielka. Silniejszymi właściwościami wykazują się natomiast niektóre polimery syntetyczne. Ponadto polimery charakteryzują się tańszymi sposobami ich otrzymywania. Znaczenie przemysłowe mają tutaj niewielkiej grubości powierzchnie foliowe (9 – 800 mikrometrów) wykorzystywane np. w produkcji przetworników elektroakustycznych (słuchawki, mikrofony) czy miniaturowych czujników o złożonych kształtach. 

Do grupy polimerów o słabych właściwościach piezoelektrycznych zalicza się m.in polipropylen, polistyren, polimetakrylan metylu, polimery ciekłokrystaliczne, biopolimery, (polipeptydy i cyjnaoetyloceluloza). Jednym z najbardziej znaczących organicznych polimerów syntetycznych o najsilniejszych właściwościach piezoelektrycznych jest polifluorek winylidenu (PVDF). Jest wyjątkowo giętki i błyskawicznie reagujący na zmiany naprężenia. 

Kompozyty

Ceramika piezoelektryczna jest niezwykle krucha i posiada wysoką stałą dielektryczną oraz gęstość (co przyczynia się np. do występowania dużej impedancji akustycznej przetwornik – środowisko nie pozwalającej na wydajny przekaz sygnału). Ogranicza to możliwości jej przemysłowego wykorzystania. Właściwości te można poprawić stosując ceramiczno – polimerowe kompozyty. 

Dodaj komentarz

avatar
  Subscribe  
Powiadom o