Að kanna raforkuefni: Tegundir, eiginleikar og tæknileg áhrif

Í gegnum árin hafa framfarir í efnisvísindum búið til mismunandi raforkuefni eins og staka kristalla, keramik og þunnar kvikmyndir.Þessi grein skoðar náið rafræn efni, þar með talið eiginleika þeirra, gerðir, hvernig þau virka og notkun þeirra.Það varpar ljósi á mikilvægi þeirra við að tengja véla- og rafmagnsverkfræði og knýr nýsköpun á mörgum sviðum.

Vörulisti

Mynd 1: Piezoelectric efni

Hvað er Piezo?

Orðið „piezo“ kemur frá gríska orðinu „piezein,“ þýðir „að ýta á“ eða „þrýsting.“Þetta passar vel við notkun þess í vísindum fyrir raforkuvirkni.Árið 1880 uppgötvuðu franskir ​​eðlisfræðingar Jacques og Pierre Curie Piezoelectricity.Þeir komust að því að þegar ákveðnir kristallar eins og Tourmaline, Quartz, Topaz og Rochelle Salt voru, framleiddu þeir rafhleðslu.Þeir sáu einnig að þessir kristallar gætu breytt lögun þegar rafstraumi var beitt sem sýnir að ferlið gæti virkað á báða vegu.

Þessi uppgötvun leiddi til þess að ýmis rafræn tæki.Í fyrri heimsstyrjöldinni var rafræn rafvirkni aðallega notuð í ultrasonic kafbátaskynjara.Í dag eru piezoelectric efni notuð í mörgu.Þeir finnast í hversdagslegum hlutum eins og rafmagns sígarettuljósum og bleksprautuprentara, svo og í háþróaðri tækni eins og ómskoðun með ómskoðun og nákvæmni hreyfingarstýringar í vélfærafræði.

Tegundir af rafrænu efni

Mynd 2: Dæmi um rafræn efni

Stök kristal piezoelectric efni

Stök kristal piezoelectric efni einkennast af stöðugu og samræmdu kristalgrindum þeirra, laus við kornamörk.Þessi samræmda uppbygging leiðir oft til betri rafsegulfræðilegra tengingarvirkni miðað við önnur rafræn efni.Dæmi um slík efni eru kvars og langasít.Þessir staku kristallar eru framleiddir með nákvæmum vaxtaraðferðum eins og Czochralski ferlinu eða vatnsmeðferð.Óvenjulegur árangur þeirra gerir þá fullkomna fyrir nákvæm forrit eins og háþróað læknisfræðikerfi, fjarskipta resonators og síur og titringseftirlit í geimferðum.

Mynd 3: Piezo Crystal Quartz efni

Keramik piezoelectric efni

Piezoelectric keramik er búið til úr perovskite uppbyggðum efnum eins og blý zirkonat títanat (PZT).Þessi efni eru fjölkristallað og eru búin til með sintrigruðum efnum.Piezoelectric eiginleikar þeirra eru þróaðir með lægðarferli og samræma rafmagns tvípóla með því að beita utanaðkomandi rafsviði.Auðvelt er að móta þessar keramik í ýmsar gerðir og gerðir.Endingu þeirra og hagkvæmni gera þau vinsæl til notkunar í stýrivélum, skynjara, ultrasonic transducers og neytandi rafeindatækni.

Mynd 4: Uppbygging PZT gerð piezoelectric keramik

Þunnt filmu piezoelectric efni

Þunnt filmu rafeindatækni eru gerð með því að setja lög sem eru á bilinu frá nokkrum nanómetrum til nokkurra míkrómetra í þykkt með háþróaðri framleiðslutækni eins og sputtering, efnafræðilegri gufuuppfellingu eða pulsed leysir.Algeng efni sem notuð er í þunnum filmum eru PZT, sinkoxíð (ZnO) og álnítríð (ALN).Þynning þessara kvikmynda gerir það kleift að samþætta þær í ör -rafeindakerfi (MEMS) og nanoelectromechanical kerfi (NEMS), sem eykur virkni þeirra í samningur tækjum eins og hljóðnemum, smásjárkitum og háþróaðri skynjara.Samhæfni þeirra við venjulega hálfleiðara ferla og sveigjanleika gerir þau hentug fyrir samþættar hringrásir og sveigjanlegar rafeindatækni.

Mynd 5: Aln piezoelectric þunnar kvikmyndir

Mynd 6: Magn piezo þættir

Að velja á milli þunnt-kvikmynda og magns rafrænna efna fer eftir sérstökum þörfum forritsins fyrir nákvæmni, kraft og endingu.Thin-Film piezo efni henta í smástærð tækni.Aftur á móti eru magn piezo efni ákjósanleg í krefjandi, stærri forritum.Í töflunni hér að neðan er borið saman þunnfilmu piezo efni og magn piezo efni út frá þykkt þeirra, framleiðslutækni, lykilaðgerðum og forritum.

Flokkur	Þunnfilm piezo efni	Magn piezo efni
Þykkt	Nokkrir nanómetrar við nokkra míkrómetra	Nokkrir millimetrar til sentimetra
Framleiðslutækni	Sputtering, pulsed leysir útfelling, Efnafræðileg gufuútfelling	Ýta, extrusion, vinnsla
Eiginleikar	Hátíðni svar: Skjót viðbrögð sinnum	Háaflsframleiðsla: Framleiðir kraft undir vélrænni streitu
	Sveigjanleiki: Gildir um sveigjanlegan yfirborð	Endingu: sterk og endingargóð, hentugur Fyrir mikið álag og erfiðar aðstæður
	Nákvæmni: nákvæm stjórn á a Smásjárstig	Fjölhæfni: Auðvelt mótað og stórt fyrir sérstakar þarfir
Forrit	Ör rafeindatækni og MEMS: Hröðunarmælar, gyroscopes, bleksprautuprentarahausar	Orkuuppskera: breytir vélrænni streita frá titringi í raforku
	Lækningatæki: ultrasonic transducers Fyrir myndgreiningu og meðferð	Stýrivélar og skynjarar: stórir stýringar í Automotive og Aerospace Industries, High-Load Skynjarar
	Fjarskipti: síur og resonators í farsímum og samskiptatækjum	Sonar og ultrasonic tæki: Sonar Kerfi til notkunar á flotum, iðnaðar ultrasonic hreinsiefni

Þunnfilm PZT og útfellingaraðferðir

Þunn-film blý zirkonat títanat (PZT) efni eru notuð í skynjara, stýrivélum og ör-rafeindakerfi (MEMS) vegna mikils rafrænna eiginleika þeirra.Samsetning og skilvirkni PZT þunnra kvikmynda fer mikið eftir útfellingaraðferðum þeirra sem geta haft áhrif á uppbyggingu þeirra, stefnumörkun og rafrænni frammistöðu.Þrjár helstu útfellingartækni: Sol-gel, sputtering og málm lífræn efnafræðileg gufuútfelling (MoCVD).

Mynd 7: Sveigjanlegt þunntfilm PZT

Sol-gel ferli

Sol-gel ferlið er hagkvæm leið til að leggja PZT þunnar kvikmyndir og leyfa stjórn á kvikmyndasamsetningu á sameindastigi.Þessi tækni byrjar á því að undirbúa kolloidal lausn (SOL) sem breytist í hlaup.Mikilvæg skref fela í sér vatnsrof og fjölliðandi málm alkoxíð.Gelinu sem myndast er beitt á undirlag með snúningshúð eða dýfahúð, fylgt eftir með hitameðferð til að fjarlægja lífræna hluti og kristallast PZT fasinn.

Mynd 8: Sol-gel ferli fyrir PZT þunnar kvikmyndir

Kostir

• Leyfir fína stjórn á stoichiometry, bætandi rafrænu eiginleika

• Notar lægra hitastig miðað við aðrar aðferðir

Áskoranir

• Það er erfitt að fá stöðuga þykkt og samsetningu á stórum svæðum

• Mikil rýrnun við þurrkun og skothríð veldur oft sprungum

Sputtering

Sputtering er líkamleg gufuútfelling (PVD) tækni þar sem háorku agnir slá efni af markmiði og setur síðan á undirlag.Fyrir PZT -kvikmyndir er RF Magnetron sputtering notað sem felur í sér plasma af argonjónum sem slær PZT markmiðið.

Mynd 9: Sputter útfellingaraðferð við þunnfilmu útfellingu

Kostir

• Framleiðir kvikmyndir með góðri viðloðun og þéttleika

• Hentar til að húða stór undirlag jafnt

Áskoranir

• Streita getur byggst upp í kvikmyndunum sem hafa áhrif á eiginleika þeirra

• Samsetning markmiðsins getur breyst við sputtering vegna mismunadrifs ávöxtunar

Lífræn lífræn efnafræðileg gufuútfelling (MoCVD)

MoCVD felur í sér að sundra málm-lífrænum undanfara í gufufasa og bregðast við eða sundra á upphituðu undirlagi til að mynda þunnt filmu.Þessi aðferð er ákjósanleg til að framleiða háhyggju, vel kristallaðar kvikmyndir sem henta fyrir rafræn notkun.

Kostir

• Veitir framúrskarandi kvikmynda einsleitni og samræmi jafnvel á flóknum undirlagi

• Gott fyrir framleiðslu með mikla rúmmál

Áskoranir

• Krefst hærra hitastigs en aðrar aðferðir

• Meðhöndlun og geymsla málm-lífrænna undanfara getur verið hættuleg

Mynd 10: Lífræn lífræn efnafræðileg gufuuppfelling

Hvernig efni hegða sér undir streitu

Hegðun undir þjöppun

Þegar efni eins og kvars eða baríum títanat er kreist, breytast þau á þann hátt sem hefur áhrif á notkun þeirra í ýmsum tækjum.Þessi efni hafa sérstök mannvirki sem búa til rafhleðslur þegar ýtt er á þau.Þegar þeir eru þjappaðir skreppa þeir saman og innri uppbygging þeirra breytist.

Þessi kreista veldur því að rafmagnshleðslurnar inni í kristalnum dreifast misjafnlega.Þrýstingurinn færir jónir í uppbyggingu kristalsins og býr til rafsvið.Þetta gerist vegna þess að jákvæðu og neikvæðu hleðslustöðvarnar í efnisbreytingu.Magn rafsvörunar fer eftir tegund kristals, kraftsins sem beitt er og stefnu kristalsins miðað við kraftinn.

Til dæmis, í skynjara, getur spenna framleidd af kristöllunum mælt kraftinn sem beitt er og gerir þá fullkomna til að greina þrýsting og fylgjast með álagi.Hjá stýrivélum getur það að nota rafmagnssvið gert kristalbreytingarformið, sem gerir kleift að ná nákvæmri stjórn á hreyfingum í hlutum eins og ultrasonic tæki og sprautur í bíleldsneyti.

Mynd 11: Piezoelectric efni virkar

Piezoelectric svar við þrýstingi

Þegar rafrænu efni standa frammi fyrir vélrænni þrýstingi, endurstilla sameindir þeirra og hafa áhrif á rafmagns eiginleika þeirra.Krafturinn breytir sameindauppbyggingu, sem samræmist svæðum með einsleitri rafstefnu, eykur rafskautun.

Þessi röðun eykur hleðsluaðskilnað í efninu og eykur rafskautun þess.Einfaldlega gerir þrýstingurinn tvípólar (sameindir með tveimur gagnstæðum hleðslum) meira einsleit og skapar sterkara rafsvið fyrir tiltekið afl.

Hæfni til að stjórna þessu svari nákvæmlega undir mismunandi þrýstingi gerir rafrænu efni mjög gagnlegt í mörgum tækni.Hæfni þeirra til að umbreyta vélrænni þrýstingi í rafmagnsmerki og öfugt gerir það kleift að nota þau á áhrifaríkan hátt í verkefnum eins og að búa til nákvæmar rafrænar tíðnir og fylgjast með titringi í iðnaðarstillingum.

Piezoelectric áhrifin

Mynd 12: Piezoelectric áhrif

Að breyta vélrænni orku í raforku með rafrænu áhrifum

Piezoelectric áhrifin breyta vélrænni orku í raforku með því að afmynda ákveðin kristal efni.Þessi efni, þekkt sem piezoelectrics, innihalda náttúruleg efni eins og kvars og tilbúið eins og háþróaður keramik.

Þegar rafræn rafræn efni stendur frammi fyrir vélrænni streitu eins og að vera pressað, brenglað eða beygð, er kristalbygging þess ekki með miðlæga samhverfu og truflar.Þessi truflun færir hleðslustöðvarnar í kristalinn sem veldur skautun og skapar rafmagnsgetu á ákveðnum stöðum í efninu.

Lykilatriði í þessu ferli:

Rafhleðslan framleiddi passar við það magn vélræns streitu sem beitt er.Þetta þýðir að hægt er að stjórna rafmagnsafköstum nákvæmlega út frá þekktum krafti sem beitt er;

Þegar krafturinn er fjarlægður snýr efnið aftur í upprunalegt ástand og rafhleðslan hverfur.Þetta tryggir endingu efnisins og áreiðanleika góð fyrir tæki sem þurfa að virka vel ítrekað.

Að breyta raforku í vélræna orku með öfugri raforkuáhrif

Aftur á móti rafrænu áhrifum breytir raforku aftur í vélræna orku.Með því að nota rafspennu á rafrænu efni býr til rafsvið sem breytir kristalgrindarbyggingu og breytir stærð efnisins.

Þessi áhrif eru notuð í nákvæmni stýrivélum í sjóntækjum og ör-staðsetningarkerfi.Aftur á móti rafrænu áhrifum tryggir að litlar rafmagns aðföng leiði til nákvæmra, stjórnaðra vélrænna aðlögunar, hjálpa til við framfarir í vélfærafræði, bifreiðatækni, lækningatækjum og fjarskiptum.

Tvíþætta getu piezoelectric áhrifanna til að virka bæði sem vélræn til rafræn og rafmagns-til-vélrænni transducer styður tækniframfarir.Það tengir vélræn og rafmagns lén og stækkar nútíma verkfræði og nýsköpun.

Mynd 13: Bein og öfug piezoelectric áhrif

Samanburður á raforku- og piezoelectric efni

Efnafræðileg og rafræn efni eru mismunandi í því hvernig þau höndla vélræna og raforku.Efni sem ekki er piezoolectric eins og stál og áli getur framkvæmt rafmagn en ekki búið til rafmagnshleðslu þegar það er stressað.Piezoelectric efni, svo sem kvars og ákveðin keramik, geta breytt vélrænni orku í raforku vegna sérstakrar kristalbyggingar þeirra.

Efni sem ekki er piezoolectric hefur samhverf kristalgrindur, svo þau framleiða ekki rafmagns tvípól þegar það er stressað.Piezoelectric efni eru með ósamhverfar kristalgrindur, sem gerir þeim kleift að framleiða rafhleðslu þegar það er undir álagi.Þessi aflögun veldur innri skautun og skapar rafmöguleika.

Efni sem ekki eru rafeindatækni hegðar sér eins og venjulegir leiðarar eða einangrunaraðilar út frá rafeindafræðilegu hreyfanleika þeirra og uppbyggingu hljómsveitarinnar og þeir búa ekki til rafmagnshleðslu þegar þeir eru vansköpaðir.Piezoelectric efni sýna tvö áhrif: bein rafræn áhrif, þar sem vélræn streita býr til rafhleðslu, og andhverfa rafræn áhrif, þar sem rafsvið veldur vélrænni aflögun.Þessi einkenni gera piezoelectric efni sem henta til notkunar í skynjara og stýrivélum.

Vegna mismunandi eiginleika þeirra eru ekki rafræn og rafræn efni notuð í mismunandi forritum.Efni sem ekki eru rafeindafræðingar eru notuð í burðarhluta, raflögn og venjulegum rafrænum hlutum þar sem styrkur og leiðni er mikilvæg.Piezoelectric efni eru notuð á sviðum sem krefjast nákvæmrar stjórnunar og vélrænnar raforkuorku, svo sem ómskoðunarbúnaðar, nákvæmni staðsetningartækja og ýmsa skynjara og stýringar sem eru góðir fyrir háþróaða tækni.

Umsóknir um rafrænni raforku

Neytandi rafeindatækni: Í snjallsímum og öðrum tækjum eru piezoelectric hlutar notaðir í hátalara og hljóðnemum.Þeir breyta rafmerkjum í hljóð titring eða hljóð titring í rafmagnsmerki fyrir hljóðinntak.

Bifreiðageirinn: Nútímabílar nota piezoelectric skynjara í mörgum tilgangi eins og að stjórna eldsneytisinnspýtingu í vélum og fylgjast með þrýstingi á dekkjum.

Umhverfiseftirlit: Piezoelectric skynjarar greina þrýstingsbreytingar, titring og hljóð.Þau eru notuð til að athuga umhverfisaðstæður og tryggja öryggi bygginga og brýr.

Orkuuppskera: Piezoelectric efni geta náð orku úr vélrænni streitu.Sem dæmi má nefna að gólf sem umbreyta fótspor í raforku geta valdið ljósum og rafeindatækni á annasömum svæðum og hjálpað til við að skapa sjálfbært umhverfi.

Háspennu piezoelectric kveikjur: Þessir kveikjur sem notaðir voru við ljósgaseldavélar og grill og búa til háspennu frá litlum vélrænni smelli og framleiðir neista til að kveikja á brennaranum.Þetta sýnir hagnýta notkun piezoelectric efni.

Læknisfræðileg myndgreining: Piezoelectric kristallar eru gagnlegir í ómskoðun vélum.Þeir framleiða hljóðbylgjur sem skoppa af vefjum og líffærum og búa til myndir til greiningar.

Nákvæmni stýrivélar í vísindalegum tækjum: Piezoelectric efni í nákvæmni stýrivélar skapa örsmáar hreyfingar fyrir ljósfræði og nanótækni.Þessir stýrivélar stilla spegla, linsur og aðra hluta með smásjárnákvæmni fyrir vísindarannsóknir og framleiðslu hálfleiðara.

Niðurstaða

Að rannsaka gerviefni sýnir sterk tengsl milli eðlisfræði og verkfræði, sem sýnir fram á hvernig hægt er að nota náttúrulega eiginleika þeirra í mörgum tæknilegum tilgangi.Fjölhæfni piezoelectric efna sem eru fáanleg sem bæði sterk magnefni og sveigjanlegar þunnar kvikmyndir, gerir þau hentug fyrir ýmis forrit, svo sem orkuuppskeru, umhverfiseftirlit og þróa sjálfbæra tækni.Eftir því sem nýsköpun heldur áfram eru rannsóknir og þróun í raforkuefnum mikilvægari, efnilegar endurbætur á skilvirkni, nákvæmni og virkni fyrir framtíðartækni.

Algengar spurningar [FAQ]

1. Hvað veldur því að rafmagn er framleitt úr rafrænu áhrifum?

Piezoelectric áhrifin eiga sér stað þegar ákveðin efni framleiða rafmagnshleðslu til að bregðast við vélrænni streitu.Þessi efni, kristallar eins og kvars, keramik eins og baríum títanat og sumar fjölliður, búa yfir kristal grindarbyggingu sem er ekki centrosymmetric, sem þýðir að það skortir miðju samhverfu.Þegar vélrænni kraft eins og þrýstingur eða titringur er beitt verður þessi uppbygging brengluð.Þessi röskun flytur jónir innan grindurnar og býr til svæði með jákvæðum og neikvæðum hleðslum.Landbundin aðskilnaður þessara hleðslu leiðir til rafmagns mögulegs raforku.Þessi áhrif eru afturkræf og að nota rafsvið á þessum efnum mun einnig framkalla vélrænni streitu.

2. Hvaða tæki notar Piezoelectric áhrif?

Tæki sem nýta sér raforkuáhrif eru fjölbreytt og innihalda bæði daglega og sérhæfðan búnað.Algeng forrit eru:

Quartz Watches: Notkun reglulegra titrings kvars undir rafsviði til að halda tíma nákvæmlega.

Læknisfræðileg ómskoðun: Búa til hljóðbylgjur sem bergmálast inni í líkamanum til að búa til greiningarmyndir.

Eldsneytissprautur í bílum: Notkun piezoelectric stýrivélar til að stjórna tímasetningu og magni eldsneytis sem sprautað var í vélarhólkana.

Piezoelectric skynjarar og hröðunarmælar: Að mæla breytingar á þrýstingi, hröðun, álagi eða krafti með því að breyta þeim í rafmagnsmerki.

3. Hversu mörg volt er piezo?

Spennuafköst piezoelectric frumefnis getur verið mjög mismunandi eftir stærð, efni og magni vélræns streitu sem beitt er.Lítill piezo þáttur eins og þeir sem finnast í kveikjara eða rafeindatækjum geta framleitt spennuhækkun á bilinu nokkur volt til nokkur hundruð volt.Samt sem áður eru þessi framleiðsla yfirleitt á mjög lágum straumum og endast aðeins smásjá.

4. Þarf piezo viðnám?

Í mörgum forritum er viðnám notað með piezoelectric frumefni til að takmarka strauminn og vernda aðra íhluti í hringrásinni frá háspennuhópnum sem framleiddur er þegar Piezo er virkjaður.Gildi viðnámsins fer eftir sérstökum kröfum hringrásarinnar, þ.mt viðbragðstíma og næmi.Án viðnáms getur piezo hugsanlega skaðað tengda rafeindaíhluti vegna mikils upphafsspennuhækkunar.

5. Hvernig er piezoelectric tengt mætti ​​manna?

Piezoelectric áhrifin eiga beint við um að virkja mannlega vald á nýstárlegan hátt.Það getur umbreytt vélrænni orku frá athöfnum manna, svo sem að ganga eða ýta á hnappa, í raforku.Þessi tækni er könnuð í ýmsum forritum:

Orkufestingargólfflísar: Þessar flísar framleiða rafmagn frá þrýstingi á fótum á annasömum svæðum eins og neðanjarðarlestarstöðvum eða verslunarmiðstöðvum.

Wearable Technology: Fella inn piezoelectric efni í skó eða fatnað til að búa til kraft fyrir lítil tæki með venjulegum líkamshreyfingum.

Læknisfræðilegar ígræðslur: Notkun líkamshreyfinga til að knýja tæki eins og gangráð, draga úr eða útrýma þörfinni fyrir ytri rafhlöður.