Пьезоэлектричество

Электрический заряд, образующийся в некоторых твердых телах из-за механического напряжения.

Пьезоэлектрические весы, подаренные Пьером Кюри лорду Кельвину , Хантерианский музей , Глазго

Пьезоэлектричество ( / ˌ p iː z oʊ -, ˌ p iː t s oʊ -, p aɪ ˌ iː z oʊ -/ , США : / p i ˌ eɪ z oʊ -, p i ˌ eɪ t s oʊ -/ ) ^{[1 ]} — это электрический заряд , который накапливается в определенных твердых материалах, таких как кристаллы , определенная керамика и биологическая материя, такая как кость , ДНК и различные белки , в ответ на приложенное механическое напряжение . ^[2] Слово «пьезоэлектричество» означает электричество, возникающее в результате давления и скрытой теплоты . Оно происходит от древнегреческого πιέζω ( piézō )  «сжимать или давить» и ἤλεκτρον ( hlektron )  « янтарь » (древний источник статического электричества). ^{[3] [4]} Немецкая форма слова ( Piezoelektricität ) была придумана в 1881 году немецким физиком Вильгельмом Готлибом Ханкелем ; Английское слово было придумано в 1883 году. ^{[5] [6]}

Пьезоэлектрический эффект возникает в результате линейного электромеханического взаимодействия между механическим и электрическим состояниями в кристаллических материалах без инверсионной симметрии . ^[7] Пьезоэлектрический эффект является обратимым процессом : материалы, проявляющие пьезоэлектрический эффект, также проявляют обратный пьезоэлектрический эффект, внутреннюю генерацию механической деформации в результате приложенного электрического поля . Например, кристаллы цирконата-титаната свинца будут генерировать измеримое пьезоэлектричество, когда их статическая структура деформируется примерно на 0,1% от исходного размера. И наоборот, те же самые кристаллы изменят свой статический размер примерно на 0,1% при приложении внешнего электрического поля. Обратный пьезоэлектрический эффект используется при производстве ультразвуковых волн . ^[8]

Французские физики Жак и Пьер Кюри открыли пьезоэлектричество в 1880 году . ^[9] Пьезоэлектрический эффект использовался во многих полезных приложениях, включая производство и обнаружение звука, пьезоэлектрическую струйную печать , генерацию электричества высокого напряжения, в качестве тактового генератора в электронных устройствах. , в микровесах , для привода ультразвукового сопла и в сверхтонкой фокусировке оптических сборок. Он формирует основу для сканирующих зондовых микроскопов , которые разрешают изображения в масштабе атомов . Он используется в звукоснимателях некоторых гитар с электронным усилением и в качестве триггеров в большинстве современных электронных барабанов . ^{[10] [11]} Пьезоэлектрический эффект также находит повседневное применение, например, для создания искр для зажигания газовых кухонных и нагревательных приборов, факелов и зажигалок .

История

Открытие и ранние исследования

Пироэлектрический эффект , при котором материал генерирует электрический потенциал в ответ на изменение температуры, изучался Карлом Линнеем и Францем Эпином в середине 18 века. Опираясь на эти знания, и Рене Жюст Аюи , и Антуан Сезар Беккерель постулировали связь между механическим напряжением и электрическим зарядом; однако эксперименты обоих оказались безрезультатными. ^[12]

Вид на пьезокристалл в верхней части компенсатора Кюри в Музее Шотландии.

Первая демонстрация прямого пьезоэлектрического эффекта была в 1880 году братьями Пьером Кюри и Жаком Кюри . ^[13] Они объединили свои знания о пироэлектричестве с пониманием лежащих в его основе кристаллических структур, которые привели к возникновению пироэлектричества, чтобы предсказать поведение кристаллов, и продемонстрировали эффект, используя кристаллы турмалина , кварца , топаза , тростникового сахара и сешельской соли (тартрата натрия и калия). тетрагидрат). Кварц и сегнетова соль обладают наибольшим пьезоэлектризмом.

Пьезоэлектрический диск при деформации (изменение формы сильно преувеличено) генерирует напряжение.

Однако Кюри не предсказали обратного пьезоэлектрического эффекта. Обратный эффект был математически выведен из фундаментальных термодинамических принципов Габриэлем Липпманом в 1881 году. ^[14] Кюри немедленно подтвердили существование обратного эффекта ^[15] и получили количественные доказательства полной обратимости электроупругомеханических деформации в пьезоэлектрических кристаллах.

В течение следующих нескольких десятилетий пьезоэлектричество оставалось чем-то вроде лабораторной диковинки, хотя оно было жизненно важным инструментом в открытии полония и радия Пьером и Марией Кюри в 1898 году. Была проделана дополнительная работа по исследованию и определению кристаллических структур, демонстрирующих пьезоэлектричество. Кульминацией этого стала публикация в 1910 году книги Вольдемара Фойгта « Lehrbuch der Kristallphysik » ( «Учебник по физике кристаллов ») ^[16] , в которой были описаны 20 классов природных кристаллов, способных к пьезоэлектричности, и строго определены пьезоэлектрические константы с использованием тензорного анализа .

Первая мировая война и межвоенные годы

Первым практическим применением пьезоэлектрических устройств стал гидролокатор , впервые разработанный во время Первой мировой войны . Во Франции в 1917 году Поль Ланжевен и его коллеги разработали ультразвуковой детектор подводных лодок . ^[17] Детектор состоял из преобразователя , сделанного из тонких кристаллов кварца, тщательно склеенных между двумя стальными пластинами, и гидрофона для обнаружения отраженного эха . Излучая высокочастотный импульс от преобразователя и измеряя время, необходимое для того, чтобы услышать эхо от звуковых волн, отражающихся от объекта, можно рассчитать расстояние до этого объекта.

Использование пьезоэлектричества в гидролокаторах и успех этого проекта вызвали интенсивный интерес к пьезоэлектрическим устройствам. В течение следующих нескольких десятилетий были исследованы и разработаны новые пьезоэлектрические материалы и новые применения этих материалов.

Пьезоэлектрические устройства нашли применение во многих областях. Керамические картриджи для фонографов упрощали конструкцию проигрывателя, были дешевыми и точными, а также удешевляли обслуживание проигрывателей и облегчали их сборку. Разработка ультразвукового преобразователя позволила легко измерять вязкость и эластичность жидкостей и твердых тел, что привело к огромному прогрессу в исследованиях материалов. Ультразвуковые рефлектометры во временной области (которые посылают ультразвуковой импульс через материал и измеряют отражения от неоднородностей) могут обнаруживать дефекты внутри литых металлических и каменных объектов, повышая структурную безопасность.

Вторая мировая война и послевоенное время

Во время Второй мировой войны независимые исследовательские группы в США , СССР и Японии открыли новый класс синтетических материалов, названных сегнетоэлектриками , пьезоэлектрические константы которых во много раз превышают показатели природных материалов. Это привело к интенсивным исследованиям по разработке материалов из титаната бария , а затем и титаната цирконата свинца с особыми свойствами для конкретных применений.

Один показательный пример использования пьезоэлектрических кристаллов был разработан Bell Telephone Laboratories . После Первой мировой войны Фредерик Р. Лэк, работавший в области радиотелефонии в инженерном отделе, разработал кристалл «AT-cut», кристалл, который работал в широком диапазоне температур. Кристалл Лэка не нуждался в тяжелых аксессуарах, которые использовались раньше, что облегчало его использование на самолетах. Такое развитие событий позволило военно-воздушным силам союзников участвовать в скоординированных массовых атаках с использованием авиационной радиосвязи.

Разработка пьезоэлектрических устройств и материалов в Соединенных Штатах велась в рамках компаний, занимавшихся разработкой, в основном из-за начала этой области в военное время, а также в интересах получения прибыльных патентов. Первыми были разработаны новые материалы: кристаллы кварца были первым коммерчески использованным пьезоэлектрическим материалом, но ученые искали материалы с более высокими характеристиками. Несмотря на достижения в области материалов и развитие производственных процессов, рынок США рос не так быстро, как рынок Японии. Без большого количества новых приложений рост пьезоэлектрической промышленности США замедлился.

Напротив, японские производители поделились своей информацией, быстро преодолев технические и производственные проблемы и создав новые рынки. В Японии термостойкую огранку кристалла разработал Иссак Кога . Усилия Японии в исследовании материалов позволили создать пьезокерамические материалы, конкурентоспособные по сравнению с материалами США, но без дорогостоящих патентных ограничений. Основные японские пьезоэлектрические разработки включали новые конструкции пьезокерамических фильтров для радио и телевизоров, пьезозуммеры и аудиопреобразователи, которые могут подключаться непосредственно к электронным схемам, а также пьезоэлектрический воспламенитель , который генерирует искры для систем зажигания небольших двигателей и зажигалок для газовых грилей путем сжатия керамический диск. Ультразвуковые преобразователи, передающие звуковые волны через воздух, существовали уже довольно давно, но впервые получили широкое коммерческое применение в первых пультах дистанционного управления телевизорами. Эти датчики теперь устанавливаются на несколько моделей автомобилей в качестве эхолокационного устройства, помогая водителю определять расстояние от автомобиля до любых объектов, которые могут оказаться на его пути.

Механизм

Пьезоэлектрическая пластина, используемая для преобразования аудиосигнала в звуковые волны.

Природа пьезоэлектрического эффекта тесно связана с возникновением электрических дипольных моментов в твердых телах. Последнее может либо индуцироваться ионами в узлах кристаллической решетки с асимметричным зарядовым окружением (как в BaTiO ₃ и PZTs ), либо может напрямую переноситься молекулярными группами (как в тростниковом сахаре ). Дипольная плотность или поляризация (размерность [C·m/m ³ ]) может быть легко рассчитана для кристаллов путем суммирования дипольных моментов на объем кристаллографической элементарной ячейки . ^[18] Поскольку каждый диполь является вектором, плотность диполей P является векторным полем . Диполи, расположенные рядом друг с другом, имеют тенденцию располагаться в областях, называемых доменами Вейсса. Домены обычно ориентированы случайным образом, но их можно выровнять с помощью процесса поляризации (отличного от магнитной поляризации ), процесса, при котором сильное электрическое поле прикладывается к материалу, обычно при повышенных температурах. Не все пьезоэлектрические материалы можно поляровать. ^[19]

Решающее значение для пьезоэффекта имеет изменение поляризации Р при приложении механического напряжения . Это может быть вызвано либо реконфигурацией диполь-индуцирующего окружения, либо переориентацией дипольных моментов молекул под действием внешнего напряжения. Пьезоэлектричество может тогда проявляться в изменении силы поляризации, ее направления или того и другого, причем детали зависят от: 1. ориентации P внутри кристалла; 2. кристаллическая симметрия ; и 3. приложенное механическое напряжение. Изменение P проявляется как изменение поверхностной плотности заряда на гранях кристалла, т. е. как изменение электрического поля, распространяющегося между гранями, вызванное изменением плотности диполей в объеме. Например, куб кварца площадью 1 см 3 ^при правильно приложенной силе 2 кН (500 фунтов силы) может создать напряжение 12500 В. ^[20]

Пьезоэлектрические материалы также демонстрируют противоположный эффект, называемый обратным пьезоэлектрическим эффектом , когда приложение электрического поля создает механическую деформацию кристалла.

Математическое описание

Линейное пьезоэлектричество – это комбинированный эффект

• Линейное электрическое поведение материала:

${\displaystyle \mathbf {D} ={\boldsymbol {\varepsilon }}\,\mathbf {E} \quad \implies }$ ${\displaystyle \quad D_{i}=\sum _{j}\varepsilon _{ij}\,E_{j}\;}$

где D - плотность электрического потока ^{[21] [22]} ( электрическое смещение ), ε - диэлектрическая проницаемость (диэлектрическая проницаемость свободного тела), E - напряженность электрического поля , и , . ${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {D} =0}$ ${\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =\mathbf {0} }$

• Закон Гука для линейно-упругих материалов:

${\displaystyle {\boldsymbol {S}}={\mathsf {s}}\,{\boldsymbol {T}}\quad \implies \quad S_{ij}=\sum _{k,\ell }s_{ijk\ell }\,T_{k\ell }\;}$

где S — линеаризованная деформация , s — податливость в условиях короткого замыкания, T — напряжение , и

${\displaystyle \nabla \cdot {\boldsymbol {T}}=\mathbf {0} \,\,,\,{\boldsymbol {S}}={\frac {\nabla \mathbf {u} +\mathbf {u} \nabla }{2}},}$

где u — вектор смещения .

Их можно объединить в так называемые связанные уравнения , форма заряда деформации которых имеет вид: ^[23]

${\displaystyle {\begin{aligned}{\boldsymbol {S}}&={\mathsf {s}}\,{\boldsymbol {T}}+{\mathfrak {d}}^{t}\,\mathbf {E} \ &&\implies \quad S_{ij}=\sum _{k,\ell }s_{ijk\ell }\,T_{k\ell }+\sum _{k}d_{ijk}^{t}\,E_{k},\\[6pt]\mathbf {D} &={\mathfrak {d}}\,{\boldsymbol {T}}+{\boldsymbol {\varepsilon }}\,\mathbf {E} &&\implies \quad D_{i}=\sum _{j,k}d_{ijk}\,T_{jk}+\sum _{j}\varepsilon _{ij}\,E_{j},\end{aligned}}}$

где – пьезоэлектрический тензор, а верхний индекс t означает его транспонирование. Ввиду симметрии , . ${\displaystyle {\mathfrak {d}}}$ ${\displaystyle {\mathfrak {d}}}$ ${\displaystyle d_{ijk}^{t}=d_{kji}=d_{kij}}$

В матричной форме

${\displaystyle {\begin{aligned}\{S\}&=\left[s^{E}\right]\{T\}+[d^{\mathrm {t} }]\{E\},\\[6pt]\{D\}&=[d]\{T\}+\left[\varepsilon ^{T}\right]\{E\},\end{aligned}}}$

где [ d ] — матрица прямого пьезоэлектрического эффекта, а [ d ^t ] — матрица обратного пьезоэлектрического эффекта. Верхний индекс E указывает на нулевое или постоянное электрическое поле; верхний индекс T указывает на нулевое или постоянное поле напряжений; а верхний индекс t означает транспонирование матрицы .

Обратите внимание, что тензор третьего порядка отображает векторы в симметричные матрицы. Нетривиальных тензоров, инвариантных к вращению, обладающих этим свойством, не существует, поэтому не существует изотропных пьезоэлектрических материалов. ${\displaystyle {\mathfrak {d}}}$

Заряд деформации для материала кристаллического класса 4 мм (C _4v ) (например, поляризованной пьезоэлектрической керамики, такой как тетрагональный PZT или BaTiO ₃ ), а также кристаллического класса 6 мм также может быть записан как (ANSI IEEE 176):

${\displaystyle {\begin{aligned}&{\begin{bmatrix}S_{1}\\S_{2}\\S_{3}\\S_{4}\\S_{5}\\S_{6}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}s_{11}^{E}&s_{12}^{E}&s_{13}^{E}&0&0&0\\s_{21}^{E}&s_{22}^{E}&s_{23}^{E}&0&0&0\\s_{31}^{E}&s_{32}^{E}&s_{33}^{E}&0&0&0\\0&0&0&s_{44}^{E}&0&0\\0&0&0&0&s_{55}^{E}&0\\0&0&0&0&0&s_{66}^{E}=2\left(s_{11}^{E}-s_{12}^{E}\right)\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}T_{1}\\T_{2}\\T_{3}\\T_{4}\\T_{5}\\T_{6}\end{bmatrix}}+{\begin{bmatrix}0&0&d_{31}\\0&0&d_{32}\\0&0&d_{33}\\0&d_{24}&0\\d_{15}&0&0\\0&0&0\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}E_{1}\\E_{2}\\E_{3}\end{bmatrix}}\\[8pt]&{\begin{bmatrix}D_{1}\\D_{2}\\D_{3}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}0&0&0&0&d_{15}&0\\0&0&0&d_{24}&0&0\\d_{31}&d_{32}&d_{33}&0&0&0\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}T_{1}\\T_{2}\\T_{3}\\T_{4}\\T_{5}\\T_{6}\end{bmatrix}}+{\begin{bmatrix}{\varepsilon }_{11}&0&0\\0&{\varepsilon }_{22}&0\\0&0&{\varepsilon }_{33}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}E_{1}\\E_{2}\\E_{3}\end{bmatrix}}\end{aligned}}}$

где первое уравнение представляет соотношение обратного пьезоэлектрического эффекта, а второе - прямого пьезоэлектрического эффекта. ^[24]

Хотя приведенные выше уравнения являются наиболее часто используемой формой в литературе, необходимы некоторые комментарии по поводу обозначений. Обычно D и E — векторы , то есть декартовы тензоры ранга 1; а диэлектрическая проницаемость ε является декартовым тензором ранга 2. Деформация и напряжение, в принципе, также являются тензорами ранга 2 . Но традиционно, поскольку деформация и напряжение являются симметричными тензорами, нижний индекс деформации и напряжения можно переименовать следующим образом: 11 → 1; 22 → 2; 33 → 3; 23 → 4; 13 → 5; 12 → 6. (Разные авторы в литературе могут использовать разные обозначения. Например, некоторые вместо этого используют 12 → 4; 23 → 5; 31 → 6.) Вот почему S и T имеют «векторную форму» шесть компонентов. Следовательно, s кажется матрицей 6х6 вместо тензора ранга 3. Такое переименованное обозначение часто называют обозначением Фойгта . Являются ли компоненты деформации сдвига S ₄ , S ₅ , S ₆ тензорными компонентами или техническими деформациями – это другой вопрос. В приведенном выше уравнении они должны быть инженерными деформациями, чтобы коэффициент 6,6 матрицы податливости был записан, как показано, т. е. 2( s^Е
₁₁ −  с^Е
₁₂). Инженерные деформации сдвига в два раза превышают значение соответствующего тензорного сдвига, например S ₆  = 2 S ₁₂ и так далее. Это также означает, что s ₆₆  = 1/Г ₁₂, где G ₁₂ – модуль сдвига.

Всего существует четыре пьезоэлектрических коэффициента: d _ij , e _ij , g _ij и h _ij, определяемые следующим образом:

${\displaystyle {\begin{aligned}d_{ij}&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial D_{i}}{\partial T_{j}}}\right)^{E}&&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial S_{j}}{\partial E_{i}}}\right)^{T}\\[6pt]e_{ij}&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial D_{i}}{\partial S_{j}}}\right)^{E}&&=-\left({\frac {\partial T_{j}}{\partial E_{i}}}\right)^{S}\\[6pt]g_{ij}&=-\left({\frac {\partial E_{i}}{\partial T_{j}}}\right)^{D}&&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial S_{j}}{\partial D_{i}}}\right)^{T}\\[6pt]h_{ij}&=-\left({\frac {\partial E_{i}}{\partial S_{j}}}\right)^{D}&&=-\left({\frac {\partial T_{j}}{\partial D_{i}}}\right)^{S}\end{aligned}}}$

где первый набор из четырех членов соответствует прямому пьезоэлектрическому эффекту, а второй набор из четырех членов соответствует обратному пьезоэлектрическому эффекту. Равенство между прямым пьезоэлектрическим тензором и транспонированным обратным пьезоэлектрическим тензором возникает из соотношений Максвелла термодинамики. ^[25] Для тех пьезоэлектрических кристаллов, у которых поляризация имеет тип, индуцированный кристаллическим полем, разработан формализм, позволяющий рассчитывать пьезоэлектрические коэффициенты d _ij из электростатических констант решетки или констант Маделунга более высокого порядка . ^[18]

Классы кристаллов

Любой пространственно разделенный заряд создаст электрическое поле и, следовательно, электрический потенциал . Здесь показан стандартный диэлектрик в конденсаторе . В пьезоэлектрическом устройстве механическое напряжение вместо внешнего напряжения вызывает разделение зарядов в отдельных атомах материала.

Из 32 кристаллических классов 21 нецентросимметричен ( не имеет центра симметрии), из них 20 проявляют прямое пьезоэлектричество ^[26] (21-й — кубический класс 432). Десять из них представляют классы полярных кристаллов ^[27] , которые демонстрируют спонтанную поляризацию без механического напряжения из-за неисчезающего электрического дипольного момента, связанного с их элементарной ячейкой, и которые проявляют пироэлектричество . Если дипольный момент можно обратить вспять, приложив внешнее электрическое поле, материал называется сегнетоэлектриком .

• 10 классов полярных (пироэлектрических) кристаллов: 1, 2, м, мм2, 4, 4 мм, 3, 3 м, 6, 6 мм.
• Остальные 10 классов пьезоэлектрических кристаллов: 222, 4 , 422, 4 2м, 32, 6 , 622, 6 2м, 23, 4 3м.

Для полярных кристаллов, для которых P  ≠ 0 сохраняется без приложения механической нагрузки, пьезоэлектрический эффект проявляется в изменении величины или направления P , или того и другого.

С другой стороны, для неполярных, но пьезоэлектрических кристаллов поляризация P, отличная от нуля, возникает только за счет приложения механической нагрузки. Для них можно представить, что напряжение переводит материал из неполярного кристаллического класса ( P  = 0) в полярный, ^[18] имеющий P  ≠ 0.

Материалы

Многие материалы обладают пьезоэлектричеством.

Кристаллические материалы

• Лангасит (La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄ ) – кристалл, аналог кварца.
• Ортофосфат галлия (GaPO ₄ ) – кристалл, аналог кварца.
• Ниобат лития (LiNbO ₃ )
• Танталат лития (LiTaO ₃ )
• Кварц
• Берлинит (AlPO ₄ ) – редкий фосфатный минерал , структурно идентичный кварцу.
• Рошельская соль
• Топаз. Пьезоэлектричество в топазе, вероятно, можно объяснить упорядочением (F,OH) в его решетке, которая в остальном центросимметрична: орторомбическая бипирамида (ммм). Топаз обладает аномальными оптическими свойствами, которые объясняются таким упорядочением. ^[28]
• Минералы турмалиновой группы
• Титанат свинца (PbTiO ₃ ) – Хотя он встречается в природе как минерал мацедонит, ^{[29] [30]} его синтезируют для исследований и применения.

Керамика

Тетрагональная элементарная ячейка титаната свинца

Керамика со случайно ориентированными зернами должна быть сегнетоэлектриком, чтобы проявлять пьезоэлектричество. ^[31] Возникновение аномального роста зерен (AGG) в спеченной поликристаллической пьезоэлектрической керамике оказывает пагубное влияние на пьезоэлектрические характеристики в таких системах, и его следует избегать, поскольку микроструктура в пьезокерамике, демонстрирующая AGG, имеет тенденцию состоять из нескольких аномально крупных удлиненных зерен в матрица из случайно ориентированных более мелких зерен. Макроскопическое пьезоэлектричество возможно в текстурированных поликристаллических несегнетоэлектрических пьезоэлектрических материалах, таких как AlN и ZnO. Семейства керамики с перовскитом , вольфрам - бронзой и родственными структурами проявляют пьезоэлектричество:

• Цирконат-титанат свинца ( Pb [ Zr _x Ti _{1− x} ] O ₃ с 0 ≤  x  ≤ 1) – более известный как PZT, наиболее распространенная пьезоэлектрическая керамика, используемая сегодня.
• Ниобат калия (KNbO ₃ ) ^[32]
• Вольфрамат натрия (Na ₂ WO ₃ )
• Ba ₂ NaNb ₅ O ₅
• Pb ₂ КNb ₅ О ₁₅
• Оксид цинка (ZnO) – структура вюрцита . В то время как монокристаллы ZnO являются пьезоэлектрическими и пироэлектрическими, поликристаллический (керамический) ZnO со случайно ориентированными зернами не проявляет ни пьезоэлектрического, ни пироэлектрического эффекта. Не будучи сегнетоэлектриком, поликристаллический ZnO не может быть поляризован, как титанат бария или ЦТС. Керамика и поликристаллические тонкие пленки ZnO могут проявлять макроскопическое пьезоэлектричество и пироэлектричество только в том случае, если они текстурированы (зерна преимущественно ориентированы), так что пьезоэлектрические и пироэлектрические отклики всех отдельных зерен не компенсируются. Это легко осуществить в тонких поликристаллических пленках. ^[24]

Бессвинцовая пьезокерамика

• Ниобат натрия-калия ((K,Na)NbO ₃ ). Этот материал также известен как НКН или КНН. В 2004 году группа японских исследователей под руководством Ясуёси Сайто обнаружила состав ниобата натрия и калия со свойствами, близкими к ЦТС, включая высокую Т _С . ^[33] Было показано, что некоторые составы этого материала сохраняют высокую механическую добротность ( Q _m  ≈ 900) при повышении уровня вибрации, тогда как механическая добротность твердого ЦТС в таких условиях ухудшается. Этот факт делает NKN многообещающей заменой для мощных резонансных устройств, таких как пьезоэлектрические преобразователи. ^[34]
• Феррит висмута (BiFeO ₃ ) – перспективный кандидат на замену керамики на основе свинца.
• Ниобат натрия (NaNbO ₃ )
• Титанат бария (BaTiO ₃ ) – Титанат бария был первой обнаруженной пьезоэлектрической керамикой.
• Титанат висмута (Bi ₄ Ti ₃ O ₁₂ )
• Титанат висмута натрия (NaBi(TiO ₃ ) ₂ )

Производство бессвинцовой пьезокерамики сопряжено с множеством проблем с точки зрения окружающей среды и ее способности воспроизводить свойства своих аналогов на основе свинца. За счет удаления свинцового компонента из пьезокерамики снижается риск токсичности для человека, но добыча и добыча материалов могут быть вредными для окружающей среды. ^[35] Анализ экологического профиля ЦТС по сравнению с ниобатом натрия и калия (NKN или KNN) показывает, что по четырем рассматриваемым показателям (потребление первичной энергии, токсикологический след, эко-показатель 99 и выбросы парниковых газов «затраты-выпуск») KNN на самом деле более вреден для окружающей среды. Большинство проблем, связанных с KNN, особенно с его компонентом Nb ₂ O ₅ , находится на ранней стадии его жизненного цикла, прежде чем он достигнет производителей. Поскольку вредное воздействие сосредоточено на этих ранних стадиях, можно предпринять некоторые действия для минимизации последствий. Возвращение земли к ее первоначальному виду после добычи Nb ₂ O ₅ путем разрушения плотины или замены запасов пригодного для использования грунта является известным средством помощи при любом мероприятии по добыче полезных ископаемых. Для минимизации воздействия на качество воздуха по-прежнему необходимо проводить моделирование и симуляцию, чтобы полностью понять, какие методы смягчения последствий необходимы. Добыча бессвинцовых пьезокерамических компонентов в настоящее время не достигла значительных масштабов, но, судя по раннему анализу, эксперты рекомендуют соблюдать осторожность, когда речь идет о воздействии на окружающую среду.

Производство бессвинцовой пьезокерамики сталкивается с проблемой сохранения производительности и стабильности ее аналогов на основе свинца. В целом, основной задачей производства является создание «морфотропных фазовых границ (МФГ)», которые обеспечивают материалам их стабильные пьезоэлектрические свойства без введения «полиморфных фазовых границ (МФГ)», которые снижают температурную стабильность материала. ^[36] Новые фазовые границы создаются путем изменения концентрации добавок, так что температуры фазового перехода сходятся при комнатной температуре. Введение МПБ улучшает пьезоэлектрические свойства, но при введении ППБ на материал оказывается негативное влияние температуры. Продолжаются исследования по контролю типа фазовых границ, которые вводятся посредством фазовой инженерии, диффузионных фазовых переходов, доменной инженерии и химической модификации.

Полупроводники III–V и II–VI

Пьезоэлектрический потенциал может быть создан в любом объемном или наноструктурированном полупроводниковом кристалле, имеющем нецентральную симметрию, таком как материалы групп III – V и II – VI , из-за поляризации ионов под действием приложенного напряжения и деформации. Это свойство является общим для кристаллических структур как цинковой обманки , так и вюрцита . В первом порядке в цинковой обманке имеется только один независимый пьезоэлектрический коэффициент , называемый e ₁₄ , связанный со сдвиговыми компонентами деформации. В вюрците вместо этого есть три независимых пьезоэлектрических коэффициента: е ₃₁ , е ₃₃ и е ₁₅ . Полупроводники, в которых наблюдается самое сильное пьезоэлектричество, обычно встречаются в структуре вюрцита , то есть GaN , InN , AlN и ZnO (см. пьезотроника ).

С 2006 года также появился ряд сообщений о сильных нелинейных пьезоэлектрических эффектах в полярных полупроводниках . ^[37] Обычно считается, что такие эффекты по крайней мере важны, если не того же порядка, что и приближение первого порядка.

Полимеры

Пьезоотклик полимеров не так высок, как отклик керамики; однако полимеры обладают свойствами, которых нет у керамики. За последние несколько десятилетий нетоксичные пьезоэлектрические полимеры изучались и применялись из-за их гибкости и меньшего акустического импеданса . ^[38] Другие свойства, которые делают эти материалы значимыми, включают их биосовместимость , биоразлагаемость , низкую стоимость и низкое энергопотребление по сравнению с другими пьезоматериалами (керамикой и т. д.). ^[39] Могут использоваться пьезоэлектрические полимеры и нетоксичные полимерные композиты, учитывая их различные физические свойства.

Пьезоэлектрические полимеры можно разделить на объемные полимеры, пористые заряженные полимеры («пьезоэлектреты») и полимерные композиты. Пьезоотклик, наблюдаемый у объемных полимеров, в основном обусловлен его молекулярной структурой. Существует два типа объемных полимеров: аморфные и полукристаллические . Примерами полукристаллических полимеров являются поливинилиденфторид (ПВДФ) и его сополимеры , полиамиды и парилен-C . Некристаллические полимеры, такие как полиимид и поливинилиденхлорид (ПВДХ), относятся к аморфным объемным полимерам. Пустотные заряженные полимеры проявляют пьезоэлектрический эффект из-за заряда, индуцированного поляризацией пористой полимерной пленки. Под действием электрического поля на поверхности пустот образуются заряды, образующие диполи. Электрические отклики могут быть вызваны любой деформацией этих пустот. Пьезоэлектрический эффект также можно наблюдать в полимерных композитах путем интеграции частиц пьезоэлектрической керамики в полимерную пленку. Полимер не обязательно должен быть пьезоактивным, чтобы быть эффективным материалом для полимерного композита. ^[39] В этом случае материал может состоять из инертной матрицы с отдельным пьезоактивным компонентом.

ПВДФ демонстрирует пьезоэлектричество в несколько раз больше, чем кварц. Пьезоотклик, наблюдаемый от ПВДФ, составляет около 20–30 пКл/Н. Это на порядок в 5–50 раз меньше, чем у пьезоэлектрической керамики цирконат-титаната свинца (ЦТС). ^{[38] [39]} Термическая стабильность пьезоэлектрического эффекта полимеров семейства ПВДФ (т.е. сополитрифторэтилена винилиденфторида) достигает 125 °C. Некоторыми приложениями ПВДФ являются датчики давления, гидрофоны и датчики ударных волн. ^[38]

Благодаря своей гибкости пьезоэлектрические композиты были предложены в качестве сборщиков энергии и наногенераторов. В 2018 году об этом сообщили Чжу и др. что пьезоэлектрический отклик около 17 пКл/Н можно получить от нанокомпозита PDMS/PZT при пористости 60%. ^[40] В 2017 году сообщалось о другом нанокомпозите PDMS, в котором BaTiO ₃ был интегрирован в PDMS, чтобы создать растягивающийся прозрачный наногенератор для автономного физиологического мониторинга. ^[41] В 2016 году полярные молекулы были введены в пенополиуретан, в котором сообщалось о высоком отклике до 244 пКл/Н. ^[42]

Другие материалы

Большинство материалов обладают как минимум слабыми пьезоэлектрическими откликами. Тривиальные примеры включают сахарозу (столовый сахар), ДНК , вирусные белки, в том числе из бактериофага . ^{[43] [44]} Сообщалось о приводе на основе древесных волокон, называемых целлюлозными волокнами . ^[39] Ответы D33 для сотового полипропилена составляют около 200 пКл/Н. Некоторые области применения сотового полипропилена — это музыкальные клавиатуры, микрофоны и системы эхолокации на основе ультразвука. ^[38] Недавно одна аминокислота, такая как β-глицин, также продемонстрировала высокие пьезоэлектрические свойства (178 пмВ ^-1 ) по сравнению с другими биологическими материалами. ^[45]

Ионные жидкости недавно были идентифицированы как первые пьезоэлектрические жидкости. ^[46]

Приложение

Высокое напряжение и источники питания

Прямое пьезоэлектричество некоторых веществ, например кварца, может генерировать разность потенциалов в тысячи вольт.

• Самым известным применением является электрическая зажигалка : нажатие кнопки заставляет подпружиненный молоток ударять по пьезоэлектрическому кристаллу, создавая электрический ток достаточно высокого напряжения , который течет через небольшой искровой промежуток , нагревая и воспламеняя газ. Переносные искры, используемые для зажигания газовых плит, работают таким же образом, и многие типы газовых горелок теперь имеют встроенные пьезосистемы зажигания.
• Похожая идея исследуется DARPA в США в рамках проекта под названием « Сбор энергии» , который включает в себя попытку обеспечить питание боевого оборудования с помощью пьезоэлектрических генераторов, встроенных в ботинки солдат . Однако эти источники сбора энергии в совокупности влияют на организм. Попытки DARPA использовать 1–2 Вт от непрерывного воздействия обуви во время ходьбы были отвергнуты из-за непрактичности и дискомфорта от дополнительной энергии, затрачиваемой человеком, носящим обувь. Другие идеи по сбору энергии включают Crowd Farm , собирающую энергию от движений людей на вокзалах или в других общественных местах ^{[47] [48]} и преобразующую танцпол для выработки электроэнергии. ^[49] Вибрации промышленного оборудования также можно улавливать с помощью пьезоэлектрических материалов для зарядки аккумуляторов для резервных источников питания или для питания маломощных микропроцессоров и беспроводных радиоприемников. ^{[50] [51]}
• Пьезоэлектрический преобразователь — это тип умножителя переменного напряжения. В отличие от обычного трансформатора, в котором между входом и выходом используется магнитная связь, в пьезоэлектрическом преобразователе используется акустическая связь . Входное напряжение прикладывается к небольшой длине стержня из пьезокерамического материала, такого как PZT , создавая в стержне переменное напряжение за счет обратного пьезоэлектрического эффекта и вызывая вибрацию всего стержня. Частота вибрации выбирается как резонансная частота блока, обычно в диапазоне от 100  килогерц до 1 мегагерца. Затем за счет пьезоэлектрического эффекта на другой секции стержня генерируется более высокое выходное напряжение. Были продемонстрированы коэффициенты повышения более 1000:1. ^{[ нужна ссылка ]} Дополнительной особенностью этого трансформатора является то, что, работая на частоте выше его резонансной частоты, он может выглядеть как индуктивная нагрузка, что полезно в цепях, требующих контролируемого плавного пуска. ^[52] Эти устройства можно использовать в инверторах постоянного и переменного тока для управления люминесцентными лампами с холодным катодом . Пьезотрансформаторы являются одними из самых компактных источников высокого напряжения.

Датчики

Пьезоэлектрический диск, используемый в качестве гитарного звукоснимателя.

Многие реактивные гранаты использовали пьезоэлектрический взрыватель. На фото российский РПГ-7 ^[53]

Принцип работы пьезоэлектрического датчика заключается в том, что физическая величина, преобразованная в силу, действует на две противоположные грани чувствительного элемента. В зависимости от конструкции датчика могут использоваться разные «режимы» нагрузки пьезоэлемента: продольный, поперечный и сдвиговой.

Обнаружение изменений давления в форме звука является наиболее распространенным применением датчиков, например, в пьезоэлектрических микрофонах (звуковые волны изгибают пьезоэлектрический материал, создавая изменяющееся напряжение) и пьезоэлектрических датчиках для акустических электрогитар . Пьезодатчик, прикрепленный к корпусу инструмента, известен как контактный микрофон .

Пьезоэлектрические датчики особенно используются с высокочастотным звуком в ультразвуковых преобразователях для медицинской визуализации, а также для промышленного неразрушающего контроля (NDT).

Для многих методов измерения датчик может действовать как датчик, так и исполнительный механизм — часто термин « преобразователь» предпочтительнее, когда устройство действует в этой двойной функции, но большинство пьезоустройств обладают свойством обратимости, независимо от того, используется оно или нет. Например, ультразвуковые преобразователи могут нагнетать ультразвуковые волны в тело, принимать отраженную волну и преобразовывать ее в электрический сигнал (напряжение). Большинство медицинских ультразвуковых преобразователей являются пьезоэлектрическими.

Помимо упомянутых выше, различные применения датчиков и преобразователей включают в себя:

• Пьезоэлектрические элементы также используются для обнаружения и генерации гидролокационных волн.
• Пьезоэлектрические материалы используются для одноосного и двухосного измерения наклона. ^[54]
• Мониторинг мощности в приложениях с высокой мощностью (например, в медицине, сонохимии и промышленной обработке).
• Пьезоэлектрические микровесы используются в качестве очень чувствительных химических и биологических датчиков.
• Пьезоэлектрики иногда используются в тензодатчиках . Однако чаще используется элемент с пьезорезистивным эффектом .
• В пенетрометре зонда Гюйгенс использовался пьезоэлектрический преобразователь .
• Пьезоэлектрические преобразователи используются в электронных барабанных пэдах для обнаружения воздействия палочек барабанщика, а также для обнаружения движений мышц в медицинской акселеромиографии .
• В системах управления автомобильными двигателями используются пьезоэлектрические преобразователи для обнаружения детонации двигателя (датчик детонации, KS), также известной как детонация, на определенных частотах в герцах. Пьезоэлектрический преобразователь также используется в системах впрыска топлива для измерения абсолютного давления в коллекторе (датчик MAP) для определения нагрузки на двигатель и, в конечном итоге, миллисекунд времени включения топливных форсунок.
• Ультразвуковые пьезодатчики используются для обнаружения акустической эмиссии при акустико-эмиссионных испытаниях .
• Пьезоэлектрические преобразователи могут использоваться в ультразвуковых расходомерах .

Приводы

Металлический диск с прикрепленным пьезоэлектрическим диском, используемый в зуммере.

Поскольку очень сильные электрические поля соответствуют лишь незначительным изменениям ширины кристалла, эту ширину можно изменять с точностью выше микрона , что делает пьезокристаллы наиболее важным инструментом для позиционирования объектов с предельной точностью — отсюда и их использование в приводах . [ ^55] Многослойная керамика с использованием слоев толщиной менее 100 мкм позволяет достигать сильных электрических полей с напряжением ниже 150 В. Эта керамика используется в двух типах приводов: пьезоактуаторах прямого действия и пьезоэлектрических актуаторах с усилением . В то время как ход прямого привода обычно составляет менее 100 мкм , пьезоактюаторы с усилителем могут достигать хода в миллиметрах.

• Громкоговорители : Напряжение преобразуется в механическое движение металлической диафрагмы.
• Ультразвуковая очистка обычно использует пьезоэлектрические элементы для создания интенсивных звуковых волн в жидкости.
• Пьезоэлектрические двигатели . Пьезоэлектрические элементы прикладывают направленную силу к оси , заставляя ее вращаться. Из-за чрезвычайно малых расстояний пьезодвигатель рассматривается как высокоточная замена шагового двигателя .
• Пьезоэлектрические элементы могут использоваться для выравнивания лазерных зеркал, где их способность перемещать большую массу (крепление зеркала) на микроскопические расстояния используется для электронного выравнивания некоторых лазерных зеркал. Точно контролируя расстояние между зеркалами, лазерная электроника может точно поддерживать оптические условия внутри резонатора лазера, чтобы оптимизировать выход луча.
• Связанным с этим применением является акустооптический модулятор , устройство, которое рассеивает свет звуковых волн в кристалле, генерируемых пьезоэлектрическими элементами. Это полезно для точной настройки частоты лазера.
• В атомно-силовых микроскопах и сканирующих туннельных микроскопах используется обратное пьезоэлектричество, чтобы удерживать чувствительную иглу близко к образцу. ^[56]
• Струйные принтеры . Во многих струйных принтерах для подачи чернил из струйной печатающей головки на бумагу используются пьезоэлектрические кристаллы.
• Дизельные двигатели . В высокопроизводительных дизельных двигателях с системой Common Rail используются пьезоэлектрические топливные форсунки , впервые разработанные Robert Bosch GmbH , вместо более распространенных устройств с электромагнитными клапанами .
• Активный контроль вибрации с помощью усиленных приводов.
• Рентгеновские шторки.
• XY-ступени для микросканирования, используемые в инфракрасных камерах.
• Перемещение пациента точно внутри активных сканеров КТ и МРТ , где сильное излучение или магнетизм не позволяют использовать электродвигатели. ^[57]
• Хрустальные наушники иногда используются в старых радиоприемниках или радиоприемниках малой мощности.
• Сфокусированный ультразвук высокой интенсивности для локализованного нагрева или создания локализованной кавитации может быть достигнут, например, в теле пациента или в промышленном химическом процессе.
• Обновляемый дисплей Брайля . Небольшой кристалл расширяется за счет подачи тока, который перемещает рычаг, поднимая отдельные ячейки Брайля.
• Пьезоэлектрический привод. Один кристалл или несколько кристаллов расширяются за счет приложения напряжения для перемещения и управления механизмом или системой. ^[55]
• Пьезоэлектрические приводы используются для точного сервопозиционирования в жестких дисках. ^{[58] [59]}

Стандарт частоты

Пьезоэлектрические свойства кварца используются в качестве эталона частоты .

• В кварцевых часах используется кварцевый генератор , изготовленный из кристалла кварца, который использует комбинацию прямого и обратного пьезоэлектричества для генерации регулярно синхронизированной серии электрических импульсов, которые используются для отсчета времени. Кристалл кварца (как и любой упругий материал) имеет точно определенную собственную частоту (обусловленную его формой и размером), на которой он предпочитает колебаться , и это используется для стабилизации частоты периодического напряжения, приложенного к кристаллу.
• Тот же принцип используется в некоторых радиопередатчиках и приемниках , а также в компьютерах , где он создает тактовый импульс . Оба они обычно используют умножитель частоты для достижения гигагерцового диапазона.

Пьезоэлектрические двигатели

Привод скачкообразного действия

Типы пьезоэлектрических двигателей включают:

• Ультразвуковой мотор , используемый для автофокусировки в зеркальных камерах.
• Червячные двигатели для линейного перемещения
• Прямоугольные четырехквадрантные двигатели с высокой удельной мощностью (2,5  Вт /см ³ ) и скоростью вращения от 10 нм/с до 800 мм/с.
• Шаговый пьезодвигатель, использующий эффект скачкообразного движения .

За исключением шагового двигателя, все эти двигатели работают по одному и тому же принципу. Под воздействием двойных ортогональных режимов вибрации с разницей фаз 90° точка контакта между двумя поверхностями колеблется по эллиптической траектории, создавая силу трения между поверхностями. Обычно одна поверхность неподвижна, а другая перемещается. В большинстве пьезоэлектрических двигателей пьезоэлектрический кристалл возбуждается синусоидальным сигналом на резонансной частоте двигателя. Используя эффект резонанса, можно использовать гораздо более низкое напряжение для создания высокой амплитуды вибрации.

Прилипчиво-скользящий двигатель работает за счет инерции массы и трения зажима. Такие двигатели могут быть очень маленькими. Некоторые из них используются для смещения сенсора камеры, обеспечивая тем самым функцию защиты от сотрясений.

Снижение вибраций и шума

Различные группы исследователей исследовали способы уменьшения вибраций материалов путем прикрепления к материалу пьезоэлементов. Когда материал изгибается вибрацией в одном направлении, система снижения вибрации реагирует на изгиб и посылает электроэнергию на пьезоэлемент для изгиба в другом направлении. Ожидается, что в будущем эта технология будет применяться в автомобилях и домах для снижения шума. Дальнейшие применения гибких конструкций, таких как оболочки и пластины, также изучаются в течение почти трех десятилетий.

На демонстрации на выставке Material Vision во Франкфурте в ноябре 2005 года команда из Дармштадтского технического университета в Германии продемонстрировала несколько панелей, по которым ударили резиновым молотком, и панель с пьезоэлементом сразу перестала раскачиваться.

Технология пьезоэлектрического керамического волокна используется в качестве электронной системы демпфирования на некоторых теннисных ракетках HEAD . ^[60]

Все пьезопреобразователи имеют основную резонансную частоту и множество гармонических частот. Жидкостные системы Drop-On-Demand с пьезоприводом чувствительны к дополнительным вибрациям в пьезоструктуре, которые необходимо уменьшить или устранить. Одна компания по производству струйной печати, Howtek, Inc, решила эту проблему, заменив стеклянные (жесткие) сопла для струйной печати на тефзель (мягкие) струйные сопла. Эта новая идея популяризировала струйные принтеры с одним соплом, и теперь они используются в струйных 3D-принтерах, которые работают годами, если содержать их в чистоте внутри и не перегревать (тефзель расползается под давлением при очень высоких температурах).

Лечение бесплодия

У людей с предшествующей полной неудачей оплодотворения пьезоэлектрическая активация ооцитов вместе с интрацитоплазматической инъекцией сперматозоида (ИКСИ), по-видимому, улучшает результаты оплодотворения. ^[61]

Операция

Пьезохирургия ^[62] — это минимально инвазивный метод, целью которого является разрезание целевой ткани с минимальным повреждением соседних тканей. Например, Хойн и др. ^[63] используют частоты в диапазоне 25–29 кГц, вызывающие микровибрации 60–210 мкм. Он способен разрезать минерализованную ткань, не разрезая нервно-сосудистую ткань и другие мягкие ткани, тем самым сохраняя бескровную операционную зону, лучшую видимость и большую точность. ^[64]

Возможные применения

В 2015 году исследователи Кембриджского университета, работающие совместно с исследователями из Национальной физической лаборатории и базирующейся в Кембридже компанией по производству диэлектрических антенн Antenova Ltd, используя тонкие пленки пьезоэлектрических материалов, обнаружили, что на определенной частоте эти материалы становятся не только эффективными резонаторами, но и эффективными излучателями. а это означает, что их потенциально можно использовать в качестве антенн. Исследователи обнаружили, что, подвергая тонкие пьезоэлектрические пленки асимметричному возбуждению, симметрия системы аналогичным образом нарушается, что приводит к соответствующему нарушению симметрии электрического поля и генерации электромагнитного излучения. ^{[65] [66]}

Было предпринято несколько попыток макромасштабного применения пьезоэлектрической технологии ^{[67] [68]} для сбора кинетической энергии идущих пешеходов.

В этом случае расположение зон с интенсивным движением транспорта имеет решающее значение для оптимизации эффективности сбора энергии, а ориентация плиточного покрытия существенно влияет на общее количество собираемой энергии. ^[69] Оценка плотности потока рекомендуется для качественной оценки потенциала сбора пьезоэлектрической энергии на рассматриваемой территории на основе количества пешеходных переходов в единицу времени. ^[70] В исследовании X. Li рассматривается и обсуждается потенциальное применение коммерческого пьезоэлектрического устройства сбора энергии в центральном здании Университета Маккуори в Сиднее, Австралия. Представлена ​​оптимизация размещения пьезоэлектрической плитки в зависимости от частоты движения пешеходов и разработана модель, в которой 3,1% общей площади пола с наибольшей подвижностью пешеходов выложено пьезоэлектрическими плитками. Результаты моделирования показывают, что общий годовой потенциал сбора энергии для предлагаемой оптимизированной модели плиточного покрытия оценивается в 1,1 МВтч/год, что будет достаточно для удовлетворения почти 0,5% годовых потребностей здания в энергии. ^[70] В Израиле есть компания, которая установила пьезоэлектрические материалы под оживленной автомагистралью. Произведенной энергии достаточно для питания уличных фонарей, рекламных щитов и вывесок. ^{[ нужна цитата ]}

Шинная компания Goodyear планирует разработать шину, генерирующую электричество, с внутренней облицовкой из пьезоэлектрического материала. Когда шина движется, она деформируется и, таким образом, вырабатывается электричество. ^[71]

Эффективность гибридного фотоэлектрического элемента , содержащего пьезоэлектрические материалы, можно повысить, просто разместив его рядом с источником окружающего шума или вибрации. Эффект был продемонстрирован на органических клетках с использованием нанотрубок оксида цинка . Электричество, генерируемое самим пьезоэлектрическим эффектом, составляет незначительный процент от общего объема производства. Уровень шума всего в 75 децибел повысил эффективность на 50%. Пик эффективности достигался при 10 кГц, резонансной частоте нанотрубок. Электрическое поле, создаваемое вибрирующими нанотрубками, взаимодействует с электронами, мигрирующими из слоя органического полимера. Этот процесс снижает вероятность рекомбинации, при которой электроны возбуждаются, но оседают обратно в дырку, а не мигрируют в принимающий электроны слой ZnO. ^{[72] [73]}

Смотрите также

• Усилитель заряда
• Электрет
• Электронный компонент
• Электрострикция
• Флексоэлектричество
• Магнитострикция
• Фотоэлектрический эффект
• Пьезоэлектрический динамик
• Пьезолюминесценция
• Пьезомагнетизм
• Пьезорезистивный эффект
• Пьезохирургический
• Кварцевые микровесы
• Сономирометрия
• Поверхностная акустическая волна
• Термоэлектрический генератор
• Триболюминесценция

Рекомендации

1. Уэллс, Джон К. (2008). Словарь произношения Лонгмана (3-е изд.). Лонгман. ISBN 978-1-4058-8118-0.
2. Холлер, Ф. Джеймс; Скуг, Дуглас А. и Крауч, Стэнли Р. (2007). Принципы инструментального анализа (6-е изд.). Cengage Обучение. п. 9. ISBN 978-0-495-01201-6.
3. Харпер, Дуглас. «пьезоэлектрик». Интернет-словарь этимологии .
4. πιέζειν, ἤλεκτρον. Лидделл, Генри Джордж ; Скотт, Роберт ; Греко-английский лексикон в проекте «Персей» .
5. Харпер, Дуглас. «пьезоэлектрик». Интернет-словарь этимологии .
6. Ханкель, WG (1881). «Электрические исследования. Fünfzehnte Abhandlung. Über die aktino- und piezoelektrischen Eigenschaften des Bergkrystalles und ihre Beziehung zu den thermoelektrischen» [Электрические исследования. Пятнадцатый трактат. О радиационно- и пьезоэлектрических свойствах горного хрусталя [т. е. кварца] и их отношении к термоэлектрическим [свойствам]. Abhandlungen der Mathematisch-Physischen Klasse der Königlichen-Säschsischen Gesellschaft der Wissenschaften (на немецком языке). 12 : 459–547. Из стр. 462: «Da die durch Druck erzeugte Elektricität sonach auch besonderen Gesetzen unterliegt, so wird es angemessen sein, derselben gleichfalls einen besonderen Namen beizulegen, und es dürfte sich dazu die Bezeichnung Piezoelektricität eignen». (Поскольку электричество, [которое] генерируется давлением, поэтому также подчиняется особым законам, то ему также будет уместно дать особое название, и для этого могло бы подойти обозначение «пьезоэлектричество».)
   • Вышеуказанная статья была также опубликована отдельно в виде брошюры: Hankel, WG (1881). Электрише Унтерсухунген. Fünfzehnte Abhandlung. Über die aktino- und piezoelektrischen Eigenschaften des Bergkrystalles und ihre Beziehung zu den thermoelektrischen (на немецком языке). Лейпциг, Германия: С. Хирцель. См. стр. 462.
7. Гаучи, Г. (2002). Пьезоэлектрическая сенсорика: датчики силы, деформации, давления, ускорения и акустической эмиссии, материалы и усилители . Спрингер . дои : 10.1007/978-3-662-04732-3. ISBN 978-3-662-04732-3.
8. Крауткремер, Дж. и Крауткремер, Х. (1990). Ультразвуковой контроль материалов . Спрингер. стр. 119–49. ISBN 978-3-662-10680-8.
9. Манбачи, А. и Кобболд, RSC (2011). «Разработка и применение пьезоэлектрических материалов для генерации и обнаружения ультразвука». Ультразвук . 19 (4): 187–96. дои : 10.1258/ult.2011.011027. S2CID  56655834.
10. Демпси, Джо (24 июня 2020 г.). «Как работают электронные барабаны?». Студия Д. Архивировано из оригинала 1 октября 2019 года . Проверено 27 июля 2021 г.
11. Тейлор, К. (31 октября 2011 г.). «Краткое руководство по установке пьезо-ударной установки». Электроника SparkFun . Проверено 27 июля 2021 г.
12. Эрхарт, Иржи. «Пьезоэлектричество и сегнетоэлектричество: явления и свойства» (PDF) . Кафедра физики Либерецкого технического университета. Архивировано из оригинала 8 мая 2014 года.{{cite web}}: CS1 maint: unfit URL (link)
13. Кюри, Жак ; Кюри, Пьер (1880). «Развитие посредством сжатия электрической поляризации в полугранных кристаллах с наклонными гранями». Бюллетень Минерологического общества Франции . 3 (4): 90–93. дои : 10.3406/bulmi.1880.1564.
    Перепечатано в: Кюри, Жак ; Кюри, Пьер (1880). «Развитие, частичное давление, полярное электричество в полукруглых кристаллах для наклонных лиц». Comptes Rendus (на французском языке). 91 : 294–295. Архивировано из оригинала 5 декабря 2012 г.
    Смотрите также: Кюри, Жак ; Кюри, Пьер (1880). «Sur l'électricité polaire dans les cristaux hémièdres à face inclinées» [Об электрической поляризации в полуэдрических кристаллах с наклонными гранями]. Comptes Rendus (на французском языке). 91 : 383–386. Архивировано из оригинала 5 декабря 2012 г.
14. Липпманн, Г. (1881). «Принцип сохранения электричества». Annales de chimie et de Physique (на французском языке). 24 : 145. Архивировано из оригинала 08 февраля 2016 г.
15. Кюри, Жак ; Кюри, Пьер (1881). «Сжатия и расширения производятся под действием напряжения в полугранных кристаллах с наклонными гранями». Comptes Rendus (на французском языке). 93 : 1137–1140. Архивировано из оригинала 5 декабря 2012 г.
16. Фойгт, Вольдемар (1910). Лехрбух дер Кристаллфизик. Берлин: Б. Г. Тойбнер. Архивировано из оригинала 21 апреля 2014 г.
17. Кацир, С. (2012). «Кто знал пьезоэлектричество? Резерфорд и Ланжевен об обнаружении подводных лодок и изобретении гидролокатора». Примечания Рек. Р. Сок . 66 (2): 141–157. дои : 10.1098/rsnr.2011.0049 .
18. М. Биркхольц (1995). «Диполи, индуцированные кристаллическим полем в гетерополярных кристаллах - II. Физическое значение». З. Физ. Б. _ 96 (3): 333–340. Бибкод : 1995ZPhyB..96..333B. дои : 10.1007/BF01313055. S2CID  122393358. Архивировано из оригинала 30 октября 2016 г.
19. С. Тролье-МакКинстри (2008). «Глава 3: Кристаллохимия пьезоэлектрических материалов». В А. Сафари; Э.К. Акдоган (ред.). Пьезоэлектрические и акустические материалы для преобразователей . Нью-Йорк: Спрингер. ISBN 978-0-387-76538-9.
20. Роберт Репас (07 февраля 2008 г.). «Сенсорное восприятие: датчики пьезоэлектрической силы». Machinedesign.com . Архивировано из оригинала 13 апреля 2010 г. Проверено 4 мая 2012 г.
21. МЭК 80000-6, пункт 6-12.
22. «IEC 60050 - Международный электротехнический словарь - Подробности для номера IEV 121-11-40: «плотность электрического потока»» . www.electropedia.org .
23. Икеда, Т. (1996). Основы пьезоэлектричества . Издательство Оксфордского университета.^{[ ISBN отсутствует ]}
24. Дамьянович, Драган (1998). «Сегнетоэлектрические, диэлектрические и пьезоэлектрические свойства тонких сегнетоэлектрических пленок и керамики». Отчеты о прогрессе в физике . 61 (9): 1267–1324. Бибкод : 1998RPPh...61.1267D. дои : 10.1088/0034-4885/61/9/002. S2CID  250873563.
25. Кочервинский, В. (2003). «Пьезоэлектричество в кристаллизации сегнетоэлектрических полимеров». Кристаллографические отчеты . 48 (4): 649–675. Бибкод : 2003CryRp..48..649K. дои : 10.1134/1.1595194. S2CID  95995717.
26. «Классы пьезоэлектрических кристаллов». Университет Ньюкасла, Великобритания. Архивировано из оригинала 2 апреля 2015 года . Проверено 8 марта 2015 г.
27. «Классы пироэлектрических кристаллов». Университет Ньюкасла, Великобритания. Архивировано из оригинала 2 апреля 2015 года . Проверено 8 марта 2015 г.
28. Акизуки, Мизухико; Хампар, Мартин С.; Зуссман, Джек (1979). «Объяснение аномальных оптических свойств топаза» (PDF) . Минералогический журнал . 43 (326): 237–241. Бибкод : 1979MinM...43..237A. CiteSeerX 10.1.1.604.6025 . дои : 10.1180/minmag.1979.043.326.05. S2CID  4945694. 
29. Радусинович, Душан и Марков, Цветко (1971). «Македонит – титанат свинца: новый минерал» (PDF) . Американский минералог . 56 : 387–394. Архивировано (PDF) из оригинала 05 марта 2016 г.
30. Берк, EAJ и Кифт, К. (1971). «Второе появление македонита PbTiO ₃ , Лонгбан, Швеция». Литос . 4 (2): 101–104. Бибкод : 1971Litho...4..101B. дои : 10.1016/0024-4937(71)90102-2.
31. Яффе, Б.; Кук, WR; Яффе, Х. (1971). Пьезоэлектрическая керамика . Нью-Йорк: Академик.^{[ ISBN отсутствует ]}
32. Ганешкумар, Раджасекаран; Сомнатх, Сухас; Чеа, Чин Вэй; Джесси, Стивен; Калинин Сергей В.; Чжао, Ронг (06 декабря 2017 г.). «Расшифровка кажущегося сегнетоэлектричества в перовскитных нановолокнах». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 9 (48): 42131–42138. дои : 10.1021/acsami.7b14257. ISSN  1944-8244. ПМИД  29130311.
33. Сайто, Ясуёси; Такао, Хисааки; Танил, Тошихико; Нонояма, Тацухико; Такатори, Казумаса; Хомма, Такахико; Нагая, Тошиацу; Накамура, Масая (4 ноября 2004 г.). «Бессвинцовая пьезокерамика». Природа . 432 (7013): 81–87. Бибкод : 2004Natur.432...84S. дои : 10.1038/nature03028. PMID  15516921. S2CID  4352954.
34. Гурдал, Эркан А.; Урал, Сейит О.; Пак, Хви Ёль; Нам, Сан; Утино, Кенджи (2011). « Бессвинцовый пьезоэлектрический преобразователь большой мощности (Na _0,5 K _0,5 )NbO _{3 ».} Японский журнал прикладной физики . 50 (2): 027101. Бибкод : 2011JaJAP..50b7101G. дои : 10.1143/JJAP.50.027101. ISSN  0021-4922. S2CID  123625588.
35. Ибн-Мохаммед Т., Кох С., Рини И., Синклер Д., Мустафа К., Аквайе А. и Ван Д. (2017). «Являются ли бессвинцовые пьезоэлектрики более экологически чистыми?» МРС Коммуникейшнс , 7 (1), 1-7. дои: 10.1557/mrc.2017.10
36. Ву, Цзяган. (2020). «Перовскитная бессвинцовая пьезоэлектрическая керамика». Журнал прикладной физики , 127 (19). дои: 10.1063/5.0006261
37. Мильорато, Макс; и другие. (2014). Обзор нелинейного пьезоэлектричества в полупроводниках . Материалы конференции AIP. Материалы конференции AIP. Том. 1590. стр. 32–41. Бибкод : 2014AIPC.1590...32M. дои : 10.1063/1.4870192 .
38. Хейванг, Уолтер; Любиц, Карл; Версинг, Вольфрам, ред. (2008). Пьезоэлектричество: эволюция и будущее технологии . Берлин: Шпрингер. ISBN 978-3540686835. ОСЛК  304563111.
39. Сапати, Киран; Бхадра, Шармиштха; Сапати, Киран Кумар; Бхадра, Шармиштха (2018). «Пьезоэлектрический полимер и бумажные подложки: обзор». Датчики . 18 (11): 3605. Бибкод : 2018Senso..18.3605S. дои : 10.3390/s18113605 . ПМК 6263872 . ПМИД  30355961. 
40. Ма, Си Вэй; Фан, Ю Джун; Ли, Хуа Ян; Су, Ли; Ван, Чжун Линь; Чжу, Гуан (07 сентября 2018 г.). «Гибкий пористый наногенератор на основе полидиметилсилоксана и цирконата свинца, основанный на двойном эффекте сегнетоэлектричества и пьезоэлектричества». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 10 (39): 33105–33111. doi : 10.1021/acsami.8b06696. ISSN  1944-8244. PMID  30191707. S2CID  52171041.
41. Чен, Сяолян; Парида, Кошик; Ван, Цзянсинь; Сюн, Цзяцин; Линь, Мэн-Фан; Шао, Джинью; Ли, Пуи Си (20 ноября 2017 г.). «Растягивающийся и прозрачный нанокомпозитный наногенератор для автономного физиологического мониторинга». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 9 (48): 42200–42209. дои : 10.1021/acsami.7b13767. ISSN  1944-8244. ПМИД  29111642.
42. Муди, MJ; Марвин, CW; Хатчисон, Г.Р. (2016). «Молекулярно-легированные пенополиуретаны с массивным пьезоэлектрическим откликом». Журнал химии материалов C. 4 (20): 4387–4392. дои : 10.1039/c6tc00613b. ISSN  2050-7526.
43. Ли, BY; Чжан, Дж.; Цугер, К.; Чанг, WJ; Йоу, СИ; Ван, Э.; Мейер, Дж.; Рамеш, Р.; Ли, Юго-Запад (13 мая 2012 г.). «Получение пьезоэлектрической энергии на основе вирусов». Природные нанотехнологии . 7 (6): 351–356. Бибкод : 2012NatNa...7..351L. дои : 10.1038/nnano.2012.69. ПМИД  22581406.
44. Тао, Кай; и др. (2019). «Стабильные и оптоэлектронные дипептидные сборки для сбора энергии». Материалы сегодня . 30 :10–16. doi :10.1016/j.mattod.2019.04.002. ПМК 6850901 . ПМИД  31719792. 
45. Герен, Сара; Стэплтон, Эйми; Чован, Драгомир; Мурас, Рабах; Глисон, Мэтью; Маккеун, Сиан; Нур, Мохамед Радзи; Силиен, Кристоф; Рен, Фернандо МФ; Холкин Андрей Л.; Лю, Нин (февраль 2018 г.). «Контроль пьезоэлектричества в аминокислотах с помощью супрамолекулярной упаковки». Природные материалы . 17 (2): 180–186. дои : 10.1038/nmat5045. ISSN  1476-1122. ПМИД  29200197.
46. Чой, Чарльз К. (25 марта 2023 г.). «Жидкие соли приводят кнопочные линзы в фокус – спектр IEEE». IEEE-спектр . Проверено 13 апреля 2023 г.
47. Ричард, Майкл Грэм (4 августа 2006 г.). «Япония: производство электроэнергии из билетных касс на вокзалах». Дерево Hugger . Дискавери Коммуникейшн, ООО. Архивировано из оригинала 9 июля 2007 г.
48. Райт, Сара Х. (25 июля 2007 г.). «Дуэт MIT видит управляемую людьми «Crowd Farm»» . Новости МТИ . Массачусетский Институт Технологий . Архивировано из оригинала 12 сентября 2007 г.
49. Каннампилли, Амму (11 июля 2008 г.). «Как спасти мир, танцуя по одному танцу за раз». Новости АВС . Архивировано из оригинала 31 октября 2010 г.
50. Барбегенн, Джордж Х. (октябрь 2010 г.). «Истинная независимость от сети: надежная система сбора энергии для беспроводных датчиков использует пьезоэлектрический источник питания для сбора энергии и литий-полимерные батареи с шунтирующим зарядным устройством». Журнал аналоговых инноваций : 36.
51. Бахл, Шаши; Нагар, Химаншу; Сингх, Индерприт; Сегал, Шанкар (01 января 2020 г.). «Типы, свойства и применение интеллектуальных материалов: обзор». Материалы сегодня: Труды . Международная конференция по аспектам материаловедения и инженерии. 28 : 1302–1306. doi :10.1016/j.matpr.2020.04.505. ISSN  2214-7853. S2CID  219435304.
52. Филлипс, Джеймс Р. (10 августа 2000 г.). «Пьезоэлектрическая технология: учебник для начинающих». eeProductCenter . ТехИнсайтс. Архивировано из оригинала 6 октября 2010 г.
53. Спек, Шейн (11 марта 2004 г.). «Как работают реактивные гранаты, Шейн Спек». HowStuffWorks.com . Архивировано из оригинала 29 апреля 2012 г. Проверено 4 мая 2012 г.
54. Мубарак, П.; и другие. (2012). «Самокалибровающаяся математическая модель прямого пьезоэлектрического эффекта нового МЭМС-датчика наклона». Журнал датчиков IEEE . 12 (5): 1033–1042. Бибкод : 2012ISenJ..12.1033M. дои : 10.1109/jsen.2011.2173188. S2CID  44030488.
55. Шабестари, НП (2019). «Изготовление простого и легкого в изготовлении пьезоэлектрического привода и его использование в качестве фазовращателя в цифровой спекл-интерферометрии». Журнал оптики . 48 (2): 272–282. дои : 10.1007/s12596-019-00522-4. S2CID  155531221.
56. Ле Летти, Р.; Барийо, Ф.; Лермет, Н.; Клайссен, Ф.; Йорк, М.; Гавира Искьердо, судья; Арендс, Х. (2001). «Механизм сканирования ROSETTA/MIDAS от инженерной модели к летной модели». В Харрисе, РА (ред.). Материалы 9-го Европейского симпозиума по космическим механизмам и трибологии, 19–21 сентября 2001 г., Льеж, Бельгия . ЭКА СП-480. Том. 480. стр. 75–81. Бибкод : 2001ESASP.480...75L. ISBN 978-92-9092-761-7. {{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )
57. Симонсен, Торбен Р. (27 сентября 2010 г.). «Пьезо в космосе». Электронный бизнес (на датском языке). Архивировано из оригинала 29 сентября 2010 года . Проверено 28 сентября 2010 г.
58. «Микропривод второго поколения для повышения точности позиционирования головы» (PDF) . Документы.westerndigital.com . Проверено 10 марта 2022 г.
59. «Превышение ожиданий по емкости, скорости и производительности» (PDF) . Seagate.com . Проверено 10 марта 2022 г.
60. «Разве не удивительно, как одна умная идея, один чип и интеллектуальный материал изменили мир тенниса?». Head.com. Архивировано из оригинала 22 февраля 2007 года . Проверено 27 февраля 2008 г.
61. Балтачи, Волкан; Айваз, Озге Юнер; Юнсал, Эврим; Акташ, Ясемин; Балтаджи, Айсун; Турхан, Фериба; Озджан, Сарп; Зонмезер, Мурат (2009). «Эффективность интрацитоплазматической инъекции спермы в сочетании с пьезоэлектрической стимуляцией у бесплодных пар с полным отсутствием оплодотворения». Плодородный. Стерильный . 94 (3): 900–904. doi : 10.1016/j.fertnstert.2009.03.107 . ПМИД  19464000.
62. Манбачи, А. и Кобболд, RSC (2011). «Разработка и применение пьезоэлектрических материалов для генерации и обнаружения ультразвука». Ультразвук . 19 (4): 187–96. дои : 10.1258/ult.2011.011027. S2CID  56655834.
63. Хойн, диджей; Штубингер, С.; фон Кенель, О.; Шамдасани, С.; Хазенбёлер, П. (2006). «Пьезоэлектрическая остеотомия в хирургии кисти: первый опыт применения новой техники». БМК Опорно-двигательный аппарат. Разлад . 7:36 . дои : 10.1186/1471-2474-7-36 . ПМЦ 1459157 . ПМИД  16611362. 
64. Лабанка, М.; Аззола, Ф.; Винчи, Р.; Роделла, LF (2008). «Пьезоэлектрическая хирургия: двадцать лет использования». Бр. Дж. Оральный челюстно-лицевой фактор. Сург . 46 (4): 265–269. дои : 10.1016/j.bjoms.2007.12.007. ПМИД  18342999.
65. Синха, Дирадж; Амаратунга, Гехан (2015). «Электромагнитное излучение при явном нарушении симметрии». Письма о физических отзывах . 114 (14): 147701. Бибкод : 2015PhRvL.114n7701S. doi : 10.1103/physrevlett.114.147701. ПМИД  25910163.
66. «Новое понимание электромагнетизма может позволить создать« антенны на чипе »» . cam.ac.uk. _ 09.04.2015. Архивировано из оригинала 4 марта 2016 г.
67. Такефудзи, Ю. (апрель 2008 г.). «А если общественный транспорт не будет потреблять больше энергии?» (PDF) . Ле Рейль : 31–33. Архивировано из оригинала (PDF) 15 января 2021 г. Проверено 15 декабря 2018 г.
68. Такефудзи, Ю. (сентябрь 2008 г.). Известные и неизвестные явления нелинейного поведения в мате для сбора энергии и динамике с поперечными волнами (PDF) . международный симпозиум по нелинейной теории и ее приложениям. Архивировано из оригинала (PDF) 21 октября 2020 г. Проверено 15 декабря 2018 г.
69. Дойц, Д.Б.; Паско, Дж.-А.; ван дер Цвааг, С.; де Леу, DM; Гроен, П. (2018). «Анализ и экспериментальное подтверждение добротности пьезоэлектрических преобразователей энергии». Горизонты материалов . 5 (3): 444–453. дои : 10.1039/c8mh00097b. hdl : 10044/1/60608 . S2CID  117687945.
70. Ли, Сяофэн; Стрезов, Владимир (2014). «Моделирование потенциала сбора пьезоэлектрической энергии в образовательном здании». Преобразование энергии и управление . 85 : 435–442. doi :10.1016/j.enconman.2014.05.096.
71. «Goodyear пытается создать шину, генерирующую электричество» . ПРОВОДНОЙ . 12 марта 2015 г. Архивировано из оригинала 11 мая 2016 года . Проверено 14 июня 2016 г.
72. Хайди Хупс (8 ноября 2013 г.). «Хорошие вибрации приводят к эффективному возбуждению в гибридных солнечных элементах». Gizmag.com. Архивировано из оригинала 11 ноября 2013 года . Проверено 11 ноября 2013 г.
73. Шоаи, С.; Бриско, Дж.; Даррант, младший; Данн, С. (2013). «Акустическое улучшение характеристик фотоэлектрических устройств на основе полимера/ZnO». Передовые материалы . 26 (2): 263–268. дои : 10.1002/adma.201303304. PMID  24194369. S2CID  40624518.

дальнейшее чтение

• EN 50324 (2002) Пьезоэлектрические свойства керамических материалов и компонентов (3 части)
• ANSI-IEEE 176 (1987) Стандарт пьезоэлектричества.
• IEEE 177 (1976) Стандартные определения и методы измерения пьезоэлектрических вибраторов.
• IEC 444 (1973) Основной метод измерения резонансной частоты и эквивалентного последовательного сопротивления кварцевых кристаллов методом нулевой фазы в пи-сети.
• IEC 302 (1969) Стандартные определения и методы измерения пьезоэлектрических вибраторов, работающих в диапазоне частот до 30 МГц.

Внешние ссылки

• Гаучи, Густав Х. (2002). Пьезоэлектрическая сенсорика . Спрингер. ISBN 978-3-540-42259-4.
• Пьезоэлектрические ячеистые полимерные пленки: изготовление, свойства и применение.
• Микропривод на базе пьезомотора для записи нейронных сигналов
• Исследования новых пьезоэлектрических материалов
• Пьезоуравнения
• Пьезо в медицинском дизайне
• Видео демонстрация пьезоэлектричества
• Пакет обучения и обучения DoITPoMS - Пьезоэлектрические материалы
• PiezoMat.org - Интернет-база данных по пьезоэлектрическим материалам, их свойствам и применению.
• Типы пьезодвигателей
• Пьезо-теория и приложения