Piezoelektrizität

Piezoelektrisches Gleichgewicht von Pierre Curie zu Lord Kelvin, Huntersian Museum, Glasgow

Piezoelektrizität (/ˌpichzoʊ-,, ˌpichtsoʊ-,, paɪˌichzoʊ-/, UNS: /piˌeɪzoʊ-,, piˌeɪtsoʊ-/)[1] ist der elektrische Ladung das sammelt sich in bestimmten festen Materialien an - wie z. B. wie Kristalle, sicher Keramikund biologische Materie wie Knochen, DNAund verschiedene Proteine- Reaktion auf angewandte mechanische Spannung.[2] Das Wort Piezoelektrizität bedeutet Elektrizität, der aus Druck und latenter Wärme resultiert. Es wird von der abgeleitet griechisch Wort πιέζειν; Piezein, was bedeutet, zu quetschen oder zu drücken, und ἤλεκτρον ēlektron, was bedeutet Bernstein, eine alte Quelle der elektrischen Ladung.[3][4]

Der piezoelektrische Effekt resultiert aus der linearen elektromechanischen Wechselwirkung zwischen den mechanischen und elektrischen Zuständen in kristallinen Materialien mit NO Inversionssymmetrie.[5] Der piezoelektrische Effekt ist a reversibler Prozess: Materialien, die den piezoelektrischen Effekt zeigen Außerdem zeigen die interne piezoelektrische Wirkung, die interne Erzeugung einer mechanischen Dehnung, die aus einem angelegten elektrischen Feld resultiert. Zum Beispiel, Blei Zirkonat -Titanat Kristalle erzeugen messbare Piezoelektrizität, wenn ihre statische Struktur um etwa 0,1% der ursprünglichen Dimension deformiert wird. Umgekehrt verändern sich dieselben Kristalle etwa 0,1% ihrer statischen Dimension, wenn ein externes elektrisches Feld angewendet wird. Der inverse piezoelektrische Effekt wird bei der Produktion von verwendet Ultraschallwellen.[6]

Französische Physiker Jacques und Pierre Curie Entdeckte Piezoelektrizität 1880.[7] Der piezoelektrische Effekt wurde in vielen nützlichen Anwendungen ausgenutzt, einschließlich der Produktion und Erkennung von Schall, piezoelektrisch mit Tintenstrahl drucken, Erzeugung von Hochspannungsstrom, als Uhrengenerator in elektronischen Geräten in Mikrobalanzen, um eine zu fahren Ultraschalldüseund in ultrafeiner Fokussierung von optischen Baugruppen. Es bildet die Grundlage für Scan -Sonde -Mikroskope das löst Bilder auf der Skala von Atome. Es wird in der verwendet Pickups von einigen elektronisch verstärkte Gitarren und wie löst aus In den meisten modernen Elektronische Trommeln.[8][9] Der piezoelektrische Effekt findet auch alltägliche Verwendungen, wie z. Feuerzeuge.

Geschichte

Entdeckung und frühe Forschung

Das pyroelektrischer Effekt, durch das ein Material ein erzeugt elektrisches Potenzial als Reaktion auf eine Temperaturänderung wurde von untersucht von Carl Linnaeus und Franz Aepinus Mitte des 18. Jahrhunderts. Auf dieses Wissen zurückgreifen, beide René nur Haiy und Antoine César Becquerel stellte eine Beziehung zwischen mechanischer Spannung und elektrischer Ladung auf; Experimente von beiden erwiesen sich jedoch nicht schlüssig.[10]

Blick auf den Piezo -Kristall in der Spitze eines Curie -Kompensators im Museum von Schottland.

Die erste Demonstration des direkten piezoelektrischen Effekts war 1880 von den Brüdern Pierre Curie und Jacques Curie.[11] Sie kombinierten ihr Wissen über Pyroelektrizität mit ihrem Verständnis der zugrunde liegenden Kristallstrukturen, die zu Pyroelektrizität führten, um das Kristallverhalten vorherzusagen, und zeigten den Effekt unter Verwendung von Kristallen von Turmalin, Quarz, Topas, Stock Zucker, und Rochelle Salz (Natriumkaliumtartrat Tetrahydrat). Quarz und Rochelle Salz zeigten die meisten Piezoelektrizität.

Eine piezoelektrische Festplatte erzeugt eine Spannung, wenn sie deformiert ist (Änderung der Form ist stark übertrieben).

Die Curies prognostizierten jedoch nicht den umgekehrten piezoelektrischen Effekt. Der umgekehrte Effekt wurde mathematisch aus grundlegenden thermodynamischen Prinzipien abgeleitet Gabriel Lippmann 1881.[12] Die Kuries bestätigten sofort die Existenz der umgekehrten Wirkung,[13] und fuhr fort, einen quantitativen Beweis für die vollständige Reversibilität von elektro-elasto-mechanischen Deformationen in piezoelektrischen Kristallen zu erhalten.

In den nächsten Jahrzehnten blieb Piezoelektrizität eine laborische Neugierde, obwohl es ein wichtiges Werkzeug bei der Entdeckung von Polonium und Radium von Pierre und war Marie Curie 1898 wurden weitere Arbeiten durchgeführt, um die Kristallstrukturen zu erforschen und zu definieren, die Piezoelektrizität zeigten. Dies gipfelte 1910 mit der Veröffentlichung von Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (Lehrbuch zur Kristallphysik),[14] Dies beschrieben die 20 natürlichen Kristallklassen, die zur Piezoelektrizität fähig waren, und definierte die piezoelektrischen Konstanten rigoros mit Verwendung Tensoranalyse.

Erster Weltkrieg und Zwischenkriegsjahre

Die erste praktische Anwendung für piezoelektrische Geräte war Sonar, zuerst entwickelt während Erster Weltkrieg. Im Frankreich im Jahr 1917, Paul Langevin und seine Mitarbeiter entwickelten eine Ultraschall- U -Boot Detektor.[15] Der Detektor bestand aus a Wandler, bestehend aus dünnen Quarzkristallen, die sorgfältig zwischen zwei Stahlplatten geklebt sind und a Hydrophon um die zurückgegebenen zu erkennen Echo. Durch die Ausgabe eines Hochfrequenzimpulses vom Wandler und die Messung der Zeit, die benötigt wird, um ein Echo aus den Schallwellen zu hören, die von einem Objekt abprallen, kann man den Abstand zu diesem Objekt berechnen.

Die Verwendung von Piezoelektrizität im Sonar und der Erfolg dieses Projekts führte ein intensives Entwicklungsinteresse an piezoelektrischen Geräten. In den nächsten Jahrzehnten wurden neue piezoelektrische Materialien und neue Anwendungen für diese Materialien untersucht und entwickelt.

Piezoelektrische Geräte fanden Häuser in vielen Bereichen. Keramik Grammophon Patronen vereinfacht das Spielerdesign, waren billig und genau und machten Rekordspieler billiger, um zu warten und leichter zu bauen. Die Entwicklung des Ultraschallwandlers ermöglichte eine einfache Messung der Viskosität und Elastizität in Flüssigkeiten und Feststoffen, was zu enormen Fortschritten bei der Materialforschung führte. Ultraschall Zeitdomänen-Reflektometer (Der einen Ultraschallimpuls durch ein Material und die Messung von Reflexionen aus Diskontinuitäten) könnte Mängel in gussguss- und Steinobjekten finden und die strukturelle Sicherheit verbessern.

Zweiten Weltkrieg und Nachkriegszeit

Während Zweiter Weltkrieg, unabhängige Forschungsgruppen in der Vereinigte Staaten, Russland, und Japan entdeckte eine neue Klasse von synthetischen Materialien, genannt Ferroelektrik, die piezoelektrische Konstanten zeigte, die um viele Male höher als natürliche Materialien. Dies führte zu einer intensiven Forschung zur Entwicklung Bariumtitanat und später Blei -Zirkonat -Titanatmaterialien mit spezifischen Eigenschaften für bestimmte Anwendungen.

Ein wesentliches Beispiel für die Verwendung von piezoelektrischen Kristallen wurde von Bell Telefonlabors entwickelt. Nach dem Ersten Weltkrieg entwickelte Frederick R. Mangel, der in der Funkelefonie in der Ingenieurabteilung arbeitete, den "At Cut" Crystal, einen Kristall, der durch eine Vielzahl von Temperaturen operierte. Der Kristall von Lack brauchte nicht das schwere Zubehör, das vorher verwendet wurde, und erleichterte seine Verwendung in Flugzeugen. Diese Entwicklung ermöglichte es den alliierten Luftkräften, durch die Verwendung von Luftfahrtradio koordinierte Massenangriffe zu betreiben.

Die Entwicklung von piezoelektrischen Geräten und Materialien in den Vereinigten Staaten wurde innerhalb der Unternehmen aufbewahrt, die die Entwicklung durchführten, hauptsächlich aufgrund der Anfänge des Feldes des Krieges und im Interesse der Sicherung profitabler Patente. Neue Materialien waren die ersten, die entwickelt wurden-Quarzkristalle waren das erste kommerziell ausgebeutete piezoelektrische Material, aber Wissenschaftler suchten nach Materialien mit höherer Leistung. Trotz der Fortschritte in der Materialien und der Reifung von Herstellungsprozessen wuchs der US -amerikanische Markt nicht so schnell wie Japan. Ohne viele neue Anwendungen litt das Wachstum der piezoelektrischen Industrie der Vereinigten Staaten.

Im Gegensatz dazu teilten die japanischen Hersteller ihre Informationen, die sich schnell technische Herausforderungen und Herstellungsherausforderungen durchsetzen und neue Märkte schaffen. In Japan wurde ein temperaturstabiler Kristallschnitt entwickelt von Issac Koga. Japanische Bemühungen in der Materialforschung schufen Piezoceramic -Materialien, die für die US -amerikanischen Materialien wettbewerbsfähig sind, aber frei von teuren Patentbeschränkungen. Zu den wichtigsten japanischen piezoelektrischen Entwicklungen gehörten neue Designs von Piezoceramic -Filtern für Funkgeräte und Fernseher, Piezo -Summer und Audio -Wandler, die direkt zu elektronischen Schaltkreisen herstellen können, und die piezoelektrischer Zünder, was Funken für kleine Motorzündungssysteme und Gasgrill-Feuerzeuge erzeugt, indem eine Keramikscheibe komprimiert wird. Ultrasonische Wandler, die Schallwellen durch Luft übertragen, gab es seit einiger Zeit, sahen jedoch erstmals einen großen kommerziellen Einsatz in frühen Fernsehbedienungen im Fernsehen. Diese Wandler sind jetzt auf mehreren montiert Wagen Modelle als An Echolokation Gerät, das dem Fahrer hilft, den Abstand vom Auto zu allen Objekten zu bestimmen, die sich möglicherweise auf seinem Weg befinden.

Mechanismus

Piezoelektrische Platte zum Konvertieren Audiosignal Wellen klingen

Die Art des piezoelektrischen Effekts hängt eng mit dem Auftreten von Elektrische Dipolmomente in Feststoffen. Letzteres kann entweder induziert werden für Ionen an Kristallgitter Standorte mit asymmetrischer Ladungsumgebung (wie in Batio3 und PZTS) oder direkt von molekularen Gruppen getragen werden (wie in Rohrzucker). Die Dipoldichte oder Polarisation (Dimensionalität [c · m/m3]) kann leicht berechnet werden für Kristalle Durch Summieren der Dipolmomente pro Volumen der Kristallographie Einheitszelle.[16] Wie jeder Dipol ein Vektor ist, die Dipoldichte P ist ein Vektorfeld. Dipole in der Nähe voneinander werden in Regionen, die als Weiss -Domänen bezeichnet werden, ausgerichtet. Die Domänen sind normalerweise zufällig ausgerichtet, können jedoch mit dem Prozess von ausgerichtet werden Poling (nicht das Selbe wie Magnetpoling), ein Prozess, durch den ein starkes elektrisches Feld über das Material aufgetragen wird, normalerweise bei erhöhten Temperaturen. Nicht alle piezoelektrischen Materialien können gepackt werden.[17]

Von entscheidender Bedeutung für den piezoelektrischen Effekt ist die Änderung der Polarisation P Bei Anwendung a mechanische Spannung. Dies kann entweder durch eine Rekonfiguration der Dipol-induzierenden Umgebung oder durch Neuorientierung molekularer Dipolmomente unter dem Einfluss der äußeren Stress verursacht werden. Die Piezoelektrizität kann sich dann in einer Variation der Polarisationsstärke, ihrer Richtung oder beides manifestieren, mit den Details abhängig von: 1. Die Ausrichtung von P innerhalb des Kristalls; 2. Kristallsymmetrie; und 3. die angelegte mechanische Spannung. Die Veränderung in P erscheint als Variation der Oberfläche Ladungsdichte auf den Kristallgesichtern, d. H. Als Variation der Variation der elektrisches Feld Ausdehnung zwischen den Gesichtern, die durch eine Änderung der Dipoldichte in der Masse verursacht werden. Zum Beispiel ein 1 cm3 Quarzwürfel mit 2 kN (500 lbf) korrekt angelegter Kraft kann eine Spannung von 12500 erzeugen V.[18]

Piezoelektrische Materialien zeigen auch den gegenteiligen Effekt, genannt die Konverse piezoelektrischer Effekt, wobei die Anwendung eines elektrischen Feldes mechanische Verformung im Kristall erzeugt.

Mathematische Beschreibung

Die lineare Piezoelektrizität ist die kombinierte Wirkung von

  • Das lineare elektrische Verhalten des Materials:
wo D ist die elektrische Flussdichte[19][20] (elektrische Verschiebung), ε ist der Permittivität (Freikörperdielektrizitätskonstante), E ist der elektrische Feldstärke, und , .
wo S ist die linearisierte Beanspruchung, s ist Beachtung Unter Kurzschlussbedingungen, T ist betonen, und
,
wo u ist der Verschiebungsvektor.

Diese können zu sogenannten kombiniert werden gekoppelte Gleichungenvon dem der Dehnungsformular ist:[21]

wo ist der piezoelektrische Tensor und der Superschriften t steht für seine Transponierung. Aufgrund der Symmetrie von , .

In Matrixform,,

wo [d] ist die Matrix für den direkten piezoelektrischen Effekt und [dt] ist die Matrix für den konversen piezoelektrischen Effekt. Das Superscript E Zeigt ein null oder konstantes elektrisches Feld an; Das Superscript T Zeigt ein Null oder ein konstantes Spannungsfeld an; und das Superschriften t steht für Transposition von a Matrix.

Beachten Sie, dass der Tensor der dritten Ordnung Karten Sie Vektoren in symmetrische Matrizen. Es gibt keine nicht trivialen Rotationsinvarianten-Tensoren mit dieser Eigenschaft, weshalb es keine isotropen piezoelektrischen Materialien gibt.

Die Dehnungsanwendung für ein Material der 4mm (C4V) Kristallklasse (wie eine polierte piezoelektrische Keramik wie Tetragonal PZT oder Batio3) ebenso wie 6 mm Kristallklasse kann auch als (ansi IEEE 176) geschrieben werden:

wobei die erste Gleichung die Beziehung für den umgekehrten piezoelektrischen Effekt und die letztere für den direkten piezoelektrischen Effekt darstellt.[22]

Obwohl die obigen Gleichungen in der Literatur die am häufigsten verwendete Form sind, sind einige Kommentare zur Notation erforderlich. Allgemein, D und E sind Vektoren, das ist, Kartesische Tensoren von Rang 1; und Permittivität ε ist ein kartesischer Tensor von Rang 2. Dehnung und Stress sind im Prinzip auch Rang-2 Tensoren. Da Dehnung und Spannung alle symmetrischen Tensoren sind, kann jedoch der Index von Dehnung und Spannung in folgender Weise neu gestaltet werden: 11 → 1; 22 → 2; 33 → 3; 23 → 4; 13 → 5; 12 → 6. (Unterschiedliche Konventionen können von verschiedenen Autoren in der Literatur verwendet werden. Einige verwenden beispielsweise 12 → 4; 23 → 5; 31 → 6 Stattdessen.) Deshalb ist der Grund S und T Scheinen die "Vektorform" von sechs Komponenten zu haben. Folglich, s scheint eine 6-mal-6-Matrix anstelle eines Rang-3-Tensors zu sein. Eine solche verblüffte Notation wird oft genannt Voigt Notation. Ob die Scherdehnungskomponenten S4, S5, S6 Tensorkomponenten oder technische Stämme sind eine andere Frage. In der obigen Gleichung müssen sie technische Stämme für den 6,6 -Koeffizienten der Compliance -Matrix sein, die wie gezeigt geschrieben werden soll, d. H. 2 (sE
11-sE
12). Engineering -Scherstämme sind doppelt so hoch wie der Wert der entsprechenden Tensorscherung, wie z. S6= 2S12 usw. Dies bedeutet auch, dass das s66=1/G12, wo G12 ist der Schermodul.

Insgesamt gibt es vier piezoelektrische Koeffizienten, dij, eij, gij, und hij definiert wie folgt:

wobei der erste Satz von vier Begriffen dem direkten piezoelektrischen Effekt entspricht und der zweite Satz von vier Begriffen dem umgekehrten piezoelektrischen Effekt entspricht. Die Gleichheit zwischen dem direkten piezoelektrischen Tensor und der Transponierung des konversen piezoelektrischen Tensors stammt aus dem Maxwell -Beziehungen der Thermodynamik.[23] Für jene piezoelektrischen Kristalle, für die die Polarisation vom Kristallfeld-induzierten Typ ist, wurde ein Formalismus ausgearbeitet, der die Berechnung von piezoelektrischen Koeffizienten ermöglicht dij aus elektrostatischen Gitterkonstanten oder höherer Ordnung Madelung Constants.[16]

Kristallklassen

Jede räumlich getrennte Ladung führt zu einer elektrisches Feldund daher eine elektrisches Potenzial. Hier ist ein Standarddielektrikum in a Kondensator. In einer piezoelektrischen Vorrichtung führt die mechanische Spannung anstelle einer extern angelegten Spannung die Ladungstrennung in den einzelnen Atomen des Materials.

Der 32 Kristallklassen, 21 sind nichtZentrosymmetrie (kein Symmetriezentrum haben) und von diesen 20 zeigen direkte Piezoelektrizität[24] (Der 21. ist die Kubikklasse 432). Zehn davon repräsentieren die polaren Kristallklassen,[25] die eine spontane Polarisation ohne mechanische Beanspruchung aufgrund eines nicht-sperrigen elektrischen Dipolmoments im Zusammenhang mit ihrer Einheitszelle zeigen und die zeigen Pyroelektrizität. Wenn das Dipolmoment durch Auftragen eines externen elektrischen Feldes umgekehrt werden kann, soll das Material sein ferroelektrisch.

  • Die 10 polaren (pyroelektrischen) Kristallklassen: 1, 2, m, mm2, 4, 4 mm, 3, 3 m, 6, 6 mm.
  • Die anderen 10 piezoelektrischen Kristallklassen: 222, 4, 422, 42m, 32, 6, 622, 62m, 23, 43m.

Für polare Kristalle, für die P≠ 0 gilt ohne die mechanische Belastung, der piezoelektrische Effekt manifestiert sich durch Ändern der Größe oder Richtung von P oder beides.

Für die unpolaren, aber piezoelektrischen Kristalle hingegen eine Polarisation P Anders als Null wird nur durch Anwenden einer mechanischen Belastung ausgelöst. Für sie kann sich die Spannung vorstellen, um das Material aus einer unpolaren Kristallklasse zu transformieren (P= 0) zu einem polaren,[16] haben P≠ 0.

Materialien

Siehe auch: Liste der piezoelektrischen Materialien

Viele Materialien zeigen Piezoelektrizität.

Kristalline Materialien

Keramik

Tetragonale Einheitszelle von Blei -Titanat

Die Keramik mit zufällig orientierten Körnern muss ferroelektrisch sein, um Piezoelektrizität zu zeigen.[29] Das Auftreten von abnormales Kornwachstum . Die makroskopische Piezoelektrizität ist in nicht ferroelektrischen piezoelektrischen polykristallinen polykristallinen, wie ALN und ZnO möglich. Die Familien der Keramik mit Perovskit, Wolfram-Bronze-und verwandte Strukturen zeigen Piezoelektrizität:

  • Blei Zirkonat -Titanat ( Pb[ZrxTi1-x]O3 mit 0 ≤x≤ 1) - häufiger als PZT bekannt, die häufigste piezoelektrische Keramik, die heute verwendet wird.
  • Kaliumniobat (Knbo3)[30]
  • Natrium -Wolfram (N / A2Wo3)
  • Ba2Nanb5O5
  • Pb2KNB5O15
  • Zinkoxid (ZnO) - Wurtzitstruktur. Während einzelne ZnO -Kristalle piezoelektrisch und pyroelektrisch sind, weist polykristalline (Keramik) ZnO mit zufällig ausgerichteten Körnern weder piezoelektrische noch pyroelektrische Effekte auf. Polykristalline ZnO ist nicht ferroelektrisch und kann nicht wie Bariumtitanat oder PZT poliert werden. Keramik und polykristalline dünne Filme von ZnO können makroskopische Piezoelektrizität und Pyroelektrizität nur dann aufweisen, wenn sie sind strukturiert (Körner sind bevorzugt orientiert), so dass die piezoelektrischen und pyroelektrischen Reaktionen aller einzelnen Körner nicht abbrechen. Dies ist leicht in polykristallinen Dünnfilmen erreicht.[22]

Bleifreie Piezoceramics

  • Natriumkalium Niobat ((K, Na) NBO3). Dieses Material ist auch als NKN oder KNN bekannt. Im Jahr 2004 entdeckte eine Gruppe japanischer Forscher unter der Leitung von Yasuyoshi Saito eine Natriumkalium -Niobat -Zusammensetzung mit Eigenschaften nahe der von PZT, einschließlich eines hohen TC.[31] Es wurde gezeigt, dass bestimmte Zusammensetzungen dieses Materials einen hohen mechanischen Qualitätsfaktor beibehalten (Qm≈ 900) mit zunehmendem Vibrationsniveau, während der mechanische Qualitätsfaktor der harten PZT unter solchen Bedingungen abbaut. Diese Tatsache macht NKN einen vielversprechenden Ersatz für Hochleistungsresonanzanwendungen wie piezoelektrische Transformatoren.[32]
  • Wismutferrit (BIFEO3)-Ein vielversprechender Kandidat für den Austausch von Keramik auf Bleibasis.
  • Natriumniobat (Nanbo3)
  • Bariumtitanat (Batio3) - Bariumtitanat war die erste piezoelektrische Keramik, die entdeckt wurde.
  • Wismut Titanat (Bi4Ti3O12)
  • Natriumflismut -Titanat (Nabi (tio3)2)

Die Herstellung von Blei-freier Piezoceramics stellt mehrere Herausforderungen aus ökologischer Sicht und deren Fähigkeit, die Eigenschaften ihrer leitbasierten Gegenstücke zu replizieren. Durch Entfernen der Bleikomponente der Piezoceramic nimmt das Risiko einer Toxizität für den Menschen ab, aber der Bergbau und die Extraktion der Materialien können für die Umwelt schädlich sein.[33] Die Analyse des Umweltprofils von PZT gegen Natriumkalium-Niobat (NKN oder KNN) zeigt, dass über die vier berücksichtigten Indikatoren (Primärergieverbrauch, toxikologischer Fußabdruck, Öko-Indikator 99 und Eingangsausgang vorsteuter Gewächshausgasemissionen), KNN tatsächlich mehr ist, ist eigentlich mehr schädlich für die Umwelt. Die meisten Bedenken mit KNN, insbesondere seiner NB2O5 Komponente befinden sich in der frühen Phase seines Lebenszyklus, bevor es Hersteller erreicht. Da sich die schädlichen Auswirkungen auf diese frühen Phasen konzentrieren, können einige Maßnahmen ergriffen werden, um die Auswirkungen zu minimieren. Rückgabe des Landes nach NB so nah an seine ursprüngliche Form2O5 Der Bergbau über die Dekonstruktion des Damms oder das Ersetzen eines Bestands nutzbarer Boden sind für jedes Extraktionsereignis bekannt. Um die Luftqualitätseffekte zu minimieren, müssen noch Modellierung und Simulation auftreten, um zu verstehen, welche Minderungsmethoden erforderlich sind. Die Extraktion von Blei-freien Piezoceramic-Komponenten ist zu diesem Zeitpunkt nicht zu einem erheblichen Maßstab gewachsen, aber aus der frühen Analyse fördert Experten Vorsicht, wenn es um Umwelteffekte geht.

Die Herstellung von Blei-freier Piezoceramics steht vor der Herausforderung, die Leistung und Stabilität ihrer leitbasierten Kollegen aufrechtzuerhalten. Im Allgemeinen besteht die Hauptherstellung der Hauptherstellung darin, die "morphotropen Phasengrenzen (MPBS)" zu erzeugen, die den Materialien ihre stabilen piezoelektrischen Eigenschaften liefern, ohne die "polymorphen Phasengrenzen (PPBs)" einzuführen, die die Temperaturstabilität des Materials verringern.[34] Neue Phasengrenzen werden durch unterschiedliche additive Konzentrationen erstellt, sodass die Phasenübergangstemperaturen bei Raumtemperatur konvergieren. Die Einführung des MPB verbessert die piezoelektrischen Eigenschaften, aber wenn ein PPB eingeführt wird, wird das Material durch die Temperatur negativ beeinflusst. Die Forschung wird fortgesetzt, um die Art der Phasengrenzen zu kontrollieren, die durch Phasenentwicklung, Diffusionsphasenübergänge, Domäneningenieurwesen und chemische Modifikation eingeführt werden.

III -V- und II -VI -Halbleiter

Ein piezoelektrisches Potential kann in jedem Massen- oder nanostrukturierten Halbleiterkristall mit nicht zentraler Symmetrie wie dem erstellt werden Gruppe III–V und II–Vi Materialien aufgrund der Polarisation von Ionen unter angewendetem Spannung und Belastung. Diese Eigenschaft ist beides gemeinsam Zinkblende und Wurtzit Kristallstrukturen. In der ersten Ordnung gibt es nur einen unabhängigen piezoelektrischen Koeffizienten in Zinkblende, genannt E.14, gekoppelt an Scherkomponenten der Dehnung. Im WurtzitEs gibt stattdessen drei unabhängige piezoelektrische Koeffizienten: e31, e33 und e15. Die Halbleiter, bei denen die stärkste Piezoelektrizität beobachtet wird Wurtzit Struktur, d.h. Gan, Gasthaus, Aln und Zno (sehen Piezotronik).

Seit 2006 gab es auch eine Reihe von Berichten über starke Nicht lineare piezoelektrische Effekte bei polaren Halbleitern.[35] Solche Effekte sind allgemein als mindestens wichtig, wenn nicht in der gleichen Größenordnung wie die Näherung erster Ordnung.

Polymere

Die Piezo-Antwort von Polymere ist nicht so hoch wie die Reaktion auf Keramik; Polymere halten jedoch Eigenschaften, die Keramik nicht tun. In den letzten Jahrzehnten wurden ungiftige, piezoelektrische Polymere untersucht und aufgrund ihrer Flexibilität und kleiner angewendet akustische Impedanz.[36] Andere Eigenschaften, die diese Materialien erheblich machen Biokompatibilität, biologische Abbaubarkeit, niedrige Kosten und niedriger Stromverbrauch im Vergleich zu anderen Piezo-Materials (Keramik usw.).[37] Angesichts ihrer unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften können piezoelektrische Polymere und ungiftige Polymerverbundwerkstoffe verwendet werden.

Piezoelektrische Polymere können durch Bulk -Polymere, stimmige geladene Polymere ("Piezoelektrets") und Polymerverbundwerkstoffe klassifiziert werden. Eine von Bulk-Polymeren beobachtete Piezo-Wirksamkeit ist hauptsächlich auf seine molekulare Struktur zurückzuführen. Es gibt zwei Arten von Schüttgutpolymeren: amorph und halbkristalline. Beispiele für halbkristalline Polymere sind Polyvinylidenfluorid (PVDF) und seine Copolymere, Polyamide, und Parylene-C. Nicht kristalline Polymere wie z. Polyimid und Polyvinylidenchlorid (PVDC), fallen unter amorphe Schüttgutpolymere. Voided geladene Polymere zeigen den piezoelektrischen Effekt aufgrund der Ladung, die durch das Polieren eines porösen Polymerfilms induziert wird. Unter einem elektrischen Feld bilden sich Ladungen auf der Oberfläche der Hohlräume, die Dipole bilden. Elektrische Reaktionen können durch Verformung dieser Hohlräume verursacht werden. Der piezoelektrische Effekt kann auch in Polymerverbundwerkstoffen beobachtet werden, indem piezoelektrische Keramikpartikel in einen Polymerfilm integriert werden. Ein Polymer muss nicht piezoaktiv sein, um ein effektives Material für ein Polymerverbund zu sein.[37] In diesem Fall könnte ein Material aus einer inerten Matrix mit einer separaten piezoaktiven Komponente bestehen.

PVDF zeigt Piezoelektrizität mehrmals größer als Quarz. Die aus PVDF beobachtete Piezo-Wirkung beträgt etwa 20–30 pc/n. Das ist eine Ordnung von 5–50 mal weniger als die von Piezoelektrikumkeramik -Blei -Zirkonat -Titanat (PZT).[36][37] Die thermische Stabilität der piezoelektrischen Wirkung von Polymeren in der PVDF-Familie (d. H. Vinylidenfluorid-Co-Poly-Trifluorethylen) beträgt bis zu 125 ° C. Einige Anwendungen von PVDF sind Drucksensoren, Hydrophone und Stoßwellensensoren.[36]

Aufgrund ihrer Flexibilität wurden als Energieernte und Nanogeneratoren piezoelektrische Verbundstoffe vorgeschlagen. Im Jahr 2018 wurde Zhu et al. dass eine piezoelektrische Reaktion von etwa 17 pc/n aus PDMS/PZT -Nanokomposit bei 60% Porosität erhalten werden konnte.[38] Ein weiterer PDMS -Nanokomposit wurde 2017 berichtet, in dem Batio Batio3 wurde in PDMs integriert, um einen dehnbaren, transparenten Nanogenerator für die selbstbetriebene physiologische Überwachung zu machen.[39] Im Jahr 2016 wurden polare Moleküle in einen Polyurethanschaum eingeführt, in dem hohe Reaktionen von bis zu 244 pc/n berichtet wurden.[40]

Andere Materialien

Die meisten Materialien weisen mindestens schwache piezoelektrische Reaktionen auf. Zu den trivialen Beispielen gehören Saccharose (Tischzucker), DNA, virale Proteine, einschließlich derer von Bakteriophage.[41][42] Ein Aktuator basierend auf Holzfasern, genannt Cellulosefasern, wurde gemeldet.[37] D33 -Reaktionen für zelluläre Polypropylen liegen bei etwa 200 pc/n. Einige Anwendungen von zellulärem Polypropylen sind musikalische Schlüsselpads, Mikrofone und Echolokationssysteme auf Ultraschallbasis.[36] Kürzlich zeigte Einzelaminosäure wie β-Glycin ebenfalls hohe piezoelektrische (178 PMV)–1) im Vergleich zu anderen biologischen Materialien.[43]

Anwendung

Derzeit ist Industrial and Manufacturing der größte Anwendungsmarkt für piezoelektrische Geräte, gefolgt von der Automobilindustrie. Die starke Nachfrage stammt auch von medizinischen Instrumenten sowie Informationen und Telekommunikation. Die weltweite Nachfrage nach piezoelektrischen Geräten wurde 2015 mit rund 21,6 Milliarden US -Dollar bewertet. Die größte materielle Gruppe für piezoelektrische Geräte ist die Piezoceramik, und Piezopolymer verzeichnet aufgrund seines geringen Gewichts und seiner geringen Größe das schnellste Wachstum.[44]

Piezoelektrische Kristalle werden jetzt auf zahlreiche Arten verwendet:

Hochspannungs- und Leistungsquellen

Direkte Piezoelektrizität einiger Substanzen wie Quarz können erzeugen mögliche Unterschiede Von Tausenden von Volt.

  • Die bekannteste Anwendung ist die elektrische Zigarettenanzünder: Drücken der Taste führt dazu, dass ein federbelasteter Hammer auf einen piezoelektrischen Kristall schlägt und eine ausreichend hohe Spannung erzeugt elektrischer Strom Das fließt über einen kleinen Funkenlückeso erhitzen und zündeten das Gas. Die tragbaren Sparkers zündeten sich an Gasherde Arbeiten Sie auf die gleiche Weise, und viele Arten von Gasbrennern haben jetzt ein integrierte Piezo-basierte Zündsysteme.
  • Eine ähnliche Idee wird von erforscht von DARPA in den Vereinigten Staaten in einem Projekt genannt Energieernte, einschließlich eines Versuchs, Schlachtfeldausrüstung durch piezoelektrische Generatoren eingebettet zu machen Soldaten' Stiefel. Diese Energieernutzungsquellen durch Assoziation beeinflussen jedoch den Körper. Die Bemühungen von DARPA, 1–2 Watt von kontinuierlicher Schuhwirkung beim Gehen zu nutzen, wurden aufgrund der Unpraktik und der Beschwerden der zusätzlichen Energie, die von einer Person, die die Schuhe trägt, aufgewendet, aufgegeben. Andere Ideen für die Energieernte sind die Ernte der Energie aus menschlichen Bewegungen in Bahnhöfen oder anderen öffentlichen Orten[45][46] und Umwandlung einer Tanzfläche, um Strom zu erzeugen.[47] Vibrationen aus Industriemaschinen können auch von piezoelektrischen Materialien geerntet werden, um Batterien für Backup-Versorgung zu laden oder Mikroprozessoren mit geringer Leistung und drahtlose Funkgeräte mit Strom zu versorgen.[48]
  • Ein piezoelektrischer Transformator ist eine Art von Wechselspannungsmultiplikator. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Transformator, der eine magnetische Kopplung zwischen Eingang und Ausgang verwendet, verwendet der piezoelektrische Transformator Akustische Kopplung. Eine Eingangsspannung wird über eine kurze Länge eines Stabs Piezoceramic -Material wie z. PZErzeugen Sie eine abwechselnde Spannung in der Stange durch den inversen piezoelektrischen Effekt und führen dazu, dass der gesamte Balken vibriert. Die Schwingungsfrequenz wird als die ausgewählt, um die zu sein resonant Frequenz des Blocks, typischerweise in den 100Kilohertz bis 1 Megahertz Range. Eine höhere Ausgangsspannung wird dann durch den piezoelektrischen Effekt über einen anderen Abschnitt des Balkens erzeugt. Stimmverhältnisse von mehr als 1.000: 1 wurden nachgewiesen. Ein zusätzliches Merkmal dieses Transformators ist, dass es durch Betrieb über seine resonante Frequenz so erzeugt werden kann, dass er als als erscheint werden kann induktiv Last, die in Schaltkreisen nützlich ist, für die ein kontrollierter Softstart erforderlich ist.[49] Diese Geräte können in DC -AC -Wechselrichtern verwendet werden, um zu fahren kalte Kathodenfluoreszenzlampen. Piezo -Transformatoren gehören zu den kompaktesten Hochspannungsquellen.

Sensoren

Piezoelektrische Festplatte als a Gitarren -Pickup
Viele Raketengranaten verwendeten eine piezoelektrische Sicherung. Bild ein Russisch RPG-7[50]
Hauptartikel: Piezoelektrischer Sensor

Das Betriebsprinzip eines piezoelektrischen Sensor ist, dass eine physikalische Dimension, die in eine Kraft verwandelt wird, auf zwei gegensätzliche Gesichter des Erfassungselements wirkt. Abhängig vom Design eines Sensors können verschiedene "Modi" zum Laden des piezoelektrischen Elements verwendet werden: Längsschnitt, Transversal und Schere.

Die Erkennung von Druckschwankungen in der Schallform ist die häufigste Sensoranwendung, z. piezoelektrisch Mikrofone (Schallwellen biegen das piezoelektrische Material und erzeugen eine sich ändernde Spannung) und piezoelektrische Pickups zum Akustikelektrische Gitarren. Ein Piezosensor, der am Körper eines Instruments angebracht ist Kontakt Mikrofon.

Insbesondere piezoelektrische Sensoren werden mit Hochfrequenzklang in Ultraschallwandlern für medizinische Bildgebung und auch industriell eingesetzt zerstörungsfreie Prüfung (NDT).

Für viele Erfassungstechniken kann der Sensor sowohl als Sensor als auch als Aktuator fungieren - oft den Begriff Wandler wird bevorzugt, wenn das Gerät in dieser doppelten Kapazität wirkt, aber die meisten Piezo -Geräte haben diese Eigenschaft der Reversibilität, ob es verwendet wird oder nicht. Ultraschallwandler können beispielsweise Ultraschallwellen in den Körper injizieren, die zurückgegebene Welle empfangen und sie in ein elektrisches Signal (eine Spannung) umwandeln. Die meisten medizinischen Ultraschallwandler sind piezoelektrisch.

Zusätzlich zu den oben genannten Sensor- und Wandleranwendungen umfassen:

  • Piezoelektrische Elemente werden auch zur Erkennung und Erzeugung von Sonarwellen verwendet.
  • Piezoelektrische Materialien werden bei der Erfindung eines Einachse und der Doppelachse verwendet.[51]
  • Leistungsüberwachung in Hochleistungsanwendungen (z. B. medizinische Behandlung, Sonochemie und industrielle Verarbeitung).
  • Piezoelektrische Mikrobalanzen werden als sehr empfindliche chemische und biologische Sensoren verwendet.
  • Piezos werden manchmal in verwendet Dehnungsmessgeräte.
  • Ein piezoelektrischer Wandler wurde im Penetrometerinstrument auf dem Huygens -Sonde.
  • Piezoelektrisch Wandler werden in verwendet Elektronische Drumpads Um die Auswirkungen der Stöcke des Schlagzeugers zu erkennen und Muskelbewegungen in medizinischer Sprache zu erkennen Beschleunigung.
  • Automobil Motormanagementsysteme Verwenden Sie piezoelektrische Wandler, um den Motorknock (Knock Sensor, KS), auch als Detonation bekannt, bei bestimmten Hertz -Frequenzen zu erkennen. Ein piezoelektrischer Wandler wird auch in Kraftstoffeinspritzsystemen verwendet, um den Absolutendruck (MAP -Sensor) zu messen, um die Motorlast zu bestimmen, und letztendlich die Tankinjektoren Millisekunden der Zeit.
  • Ultraschall -Piezosensoren werden zum Nachweis von akustischen Emissionen in verwendet Akustische Emissionstests.
  • Piezoelektrische Wandler können in der Transitzeit verwendet werden Ultraschalldurchflussmesser.

Aktuatoren

Metallscheibe mit piezoelektrischer Scheibe, die in a verwendet wird Summer

Da sehr hohe elektrische Felder nur winzigen Veränderungen in der Breite des Kristalls entsprechen, kann diese Breite mit besser als besseren als geändert werden.µm Präzision, Piezokristalle zum wichtigsten Werkzeug zum Positionieren von Objekten mit extremer Genauigkeit - dh ihre Verwendung in Aktuatoren.[52] Mehrschichtkeramik, die Schichten dünner als dünner als 100 µmErmöglichen, hohe elektrische Felder mit einer Spannung niedriger als Spannung zu erreichen 150 V. Diese Keramik werden innerhalb von zwei Arten von Aktuatoren verwendet: direkte Piezo -Aktuatoren und Verstärkte piezoelektrische Aktuatoren. Während der Schlaganuster des direkten Aktuators im Allgemeinen niedriger ist als 100 µmVerstärkte Piezo -Aktuatoren können Millimeter -Striche erreichen.

  • Lautsprecher: Die Spannung wird in die mechanische Bewegung eines metallischen Zwerchfells umgewandelt.
  • Ultraschallreinigung Verwendet normalerweise piezoelektrische Elemente, um intensive Schallwellen in Flüssigkeit zu erzeugen.
  • Piezoelektrische Motoren: Piezoelektrische Elemente anwenden eine Richtungskraft auf eine Achse, was es dreht. Aufgrund der extrem kleinen Entfernungen wird der Piezo-Motor als hochpräziser Austausch für die angesehen Schrittmotor.
  • Piezoelektrische Elemente können in verwendet werden Laser- Spiegelausrichtung, wo ihre Fähigkeit, eine große Masse (die Spiegelmontage) über mikroskopische Entfernungen zu bewegen, ausgebeutet wird, um einige Laserspiegel elektronisch auszurichten. Durch die genaue Steuerung des Abstands zwischen den Spiegeln kann die Laserelektronik die optischen Bedingungen innerhalb des Laserhohlraums genau aufrechterhalten, um den Strahlausgang zu optimieren.
  • Eine verwandte Anwendung ist die Akusto-optischer Modulator, ein Gerät, das Lichtwellen in einem Kristall verstreut wird, das durch piezoelektrische Elemente erzeugt wird. Dies ist nützlich, um die Frequenz eines Lasers zu optimieren.
  • Atomarmikroskope und Rastertunnelmikroskope Verwenden Sie umgekehrte Piezoelektrizität, um die Erfassungsnadel nahe an der Probe zu halten.[53]
  • Tintenstrahldrucker: Bei vielen Tintenstrahldruckern werden piezoelektrische Kristalle verwendet, um das Ausstoß von Tinte vom Tintenstrahlkopf zum Papier zu steuern.
  • Dieselmotoren: Hochleistung Gemeinsame Schiene Dieselmotoren verwenden piezoelektrische Einspritzdüsen, zuerst entwickelt von Robert Bosch GmbH, statt der gemeinsameren Magnetventil Geräte.
  • Aktive Schwingungsregelung mit amplifizierten Aktuatoren.
  • Röntgen Fensterläden.
  • XY -Stufen für Mikroscanning in Infrarotkameras.
  • Bewegen Sie den Patienten genau in aktiv Ct und MRT Scanner, bei denen die starke Strahlung oder der Magnetismus Elektromotoren ausschließt.[54]
  • Kristall -Ohrhörer werden manchmal in alten oder niedrigen Stromfunkgeräten verwendet.
  • Hochintensiven Ultraschall Für lokalisierte Heizung oder Schaffung eines lokalisierten Hohlraumbildung kann beispielsweise in einem Körper des Patienten oder in einem industriellen chemischen Prozess erreicht werden.
  • Erfrischbare Braille -Anzeige. Ein kleiner Kristall wird erweitert, indem ein Strom angewendet wird, der einen Hebel bewegt, um einzelne Braillezellen zu erhöhen.
  • Piezoelektrischer Aktuator. Ein einzelner Kristall oder eine Reihe von Kristallen wird erweitert, indem eine Spannung zum Bewegen und Steuern eines Mechanismus oder eines Systems aufgetragen wird.[52]
  • Piezoelektrische Aktuatoren werden zur feinen Servo -Positionierung bei harten Scheibenantrieben verwendet.[55][56]

Frequenzstandard

Die piezoelektrischen Eigenschaften von Quarz sind nützlich als a Frequenzstandard.

  • Quarzuhren beschäftigen a Kristalloszillator Hergestellt aus einem Quarzkristall, bei dem eine Kombination aus direkter und umgekehrter Piezoelektrizität verwendet wird, um eine regelmäßig zeitgesteuerte Reihe von elektrischen Impulsen zu erzeugen, die zur Zeit verwendet werden. Der Quarzkristall (wie jeder andere elastisch Material) hat eine genau definierte Eigenfrequenz (verursacht durch ihre Form und Größe), bei der es es vorzieht oszillierenund dies wird verwendet, um die Häufigkeit einer periodischen Spannung auf den Kristall zu stabilisieren.
  • Das gleiche Prinzip wird in einigen verwendet Radio Sender und Empfänger, und in Computers wo es eine schafft a Uhrpuls. Beide verwenden normalerweise a Frequenzmultiplikator Gigahertz Ranges erreichen.

Piezoelektrische Motoren

Ein Stick-Slip-Aktuator
Hauptartikel: Piezoelektrischer Motor

Zu den Arten von Piezoelektrikum gehören:

Abgesehen vom Stick-Stick-Slip-Motor arbeiten alle diese Motoren nach demselben Prinzip. Angetrieben von doppelten orthogonalen Schwingungsmodi mit a Phase Differenz von 90 °, der Kontaktpunkt zwischen zwei Oberflächen vibriert in einem elliptisch Weg, erzeugt a Reibung Kraft zwischen den Oberflächen. Normalerweise ist eine Oberfläche festgelegt, wodurch sich die andere bewegt. In den meisten piezoelektrischen Motoren wird der piezoelektrische Kristall von a angeregt Sinus Signal an der Resonanzfrequenz des Motors. Unter Verwendung des Resonanzeffekts kann eine viel niedrigere Spannung verwendet werden, um eine hohe Schwingungsamplitude zu erzeugen.

Ein Stick-Slip-Motor arbeitet mit der Trägheit einer Masse und der Reibung einer Klemme. Solche Motoren können sehr klein sein. Einige werden für die Verschiebung des Kamerassensors verwendet, wodurch eine Anti-Shake-Funktion ermöglicht wird.

Reduzierung von Vibrationen und Rauschen

Verschiedene Forscherteams haben nach Möglichkeiten untersucht, wie sie Schwingungen in Materialien reduzieren, indem sie Piezoelemente an das Material befestigen. Wenn das Material von einer Vibration in eine Richtung gebeugt wird, reagiert das Schwingungsreduzierungssystem auf die Kurve und sendet elektrische Leistung an das Piezo-Element, um sich in die andere Richtung zu biegen. Zukünftige Anwendungen dieser Technologie werden in Autos und Häusern erwartet, um den Lärm zu verringern. Weitere Anwendungen für flexible Strukturen wie Schalen und Platten werden seit fast drei Jahrzehnten ebenfalls untersucht.

In einer Demonstration bei der materiellen Vision fair in Frankfurt Im November 2005 ein Team von Tu Darmstadt in Deutschland zeigten mehrere Panels, die mit einem Gummihammer getroffen wurden, und das Panel mit dem Piezo -Element hörte sofort auf zu schwingen.

Die piezoelektrische Keramikfasertechnologie wird als elektronisches Dämpfungssystem an einigen KOPF Tennisschläger.[57]

Alle Piezo -Wandler haben eine grundlegende Resonanzfrequenz und viele harmonische Frequenzen. Piezo-angetriebene Drop-on-Demand-Flüssigkeitssysteme reagieren auf zusätzliche Schwingungen in der Piezostruktur, die reduziert oder beseitigt werden müssen. Eine Inkjet -Firma, Howtek, Inc, löste dieses Problem, indem er Glas (starre) Tintenstrahldüsen durch TEFZEL (weiche) Tintenstrahldüsen ersetzt. Diese neuartige Idee hat Single -Düsen -Tintenjets populär gemacht und sie werden jetzt in 3D -Tintenstrahldruckern verwendet, die jahrelang in innerer und nicht überhitzt gehalten werden (Tefzel kriecht bei sehr hohen Temperaturen unter Druck)

Unfruchtbarkeitsbehandlung

Bei Menschen mit früheren Gesamtfruchtungsversagenpiezoelektrische Aktivierung von Eizellen zusammen mit Intrazytoplasmatische Spermieninjektion (ICSI) scheint die Befruchtungsergebnisse zu verbessern.[58]

Chirurgie

Piezochochirurgie[59] Die Piezochochirurgie ist eine minimalinvasive Technik, die darauf abzielt, ein Zielgewebe mit wenig Schaden an benachbarten Geweben zu senken. Zum Beispiel Hoigne et al.[60] Verwendet Frequenzen im Bereich von 25–29 kHz, was zu Mikrovibrationen von 60–210 μm führt. Es hat die Fähigkeit, mineralisiertes Gewebe zu schneiden, ohne neurovaskuläres Gewebe und andere Weichgewebe zu schneiden, wodurch ein blutfreier Betriebsbereich, eine bessere Sichtbarkeit und eine größere Präzision aufrechterhalten wird.[61]

Anwendungsmöglichkeiten

Im Jahr 2015, die Forscher der Cambridge University in Verbindung mit Forschern des National Physical Laboratory und Cambridge Dielectric Antenna Company Antenova Ltd, unter Verwendung von dünnen Filmen von piezoelektrischen Materialien, ergaben Dies bedeutet auch, dass sie möglicherweise als Antennen verwendet werden können. Die Forscher fanden heraus, dass die Symmetrie des Systems durch die Unterlegung der piezoelektrischen Dünnfilme einer asymmetrischen Anregung in ähnlicher Weise gebrochen ist, was zu einer entsprechenden Symmetriebreitung des elektrischen Feldes und der Erzeugung elektromagnetischer Strahlung führt.[62][63]

Es wurden mehrere Versuche zur Anwendung der piezoelektrischen Technologie im Makromaßstab entstanden[64][65] kinetische Energie aus Fußgängern zu ernten.

In diesem Fall ist die Lokalisierung von hohen Verkehrsbereichen für die Optimierung der Effizienz der Energieernte von entscheidender Bedeutung sowie die Ausrichtung des Fliesenpflasters die Gesamtmenge der geernteten Energie erheblich.[66] Eine Bewertung des Dichteflusss wird empfohlen, um das piezoelektrische Leistungsernutzungspotential des betrachteten Bereichs qualitativ zu bewerten, basierend auf der Anzahl der Fußgängerübergänge pro Zeiteinheit.[67] In der Studie von X. LI wurde die potenzielle Anwendung eines kommerziellen piezoelektrischen Energiemarmers in einem zentralen Hub -Gebäude an der Macquarie University in Sydney, Australien, geprüft und diskutiert. Die Optimierung des piezoelektrischen Flieseneinsatzes wird gemäß der Häufigkeit der Fußgängermobilität dargestellt und ein Modell wird entwickelt, wobei 3,1% der gesamten Bodenfläche mit der höchsten Fußgängermobilität mit piezoelektrischen Fliesen gepflastert sind. Die Modellierungsergebnisse zeigen, dass das jährliche jährliche Energieerntepotential für das vorgeschlagene optimierte Fliesen -Pflaster -Modell auf 1,1 MW H/Jahr geschätzt wird, was ausreichend wäre, um fast 0,5% des jährlichen Energiebedarfs des Gebäudes zu begegnen.[67] In Israel gibt es ein Unternehmen, das piezoelektrische Materialien unter einer belebten Autobahn installiert hat. Die erzeugte Energie ist ausreichend und versorgt Straßenlaternen, Werbetafeln und Schilder.

Reifenfirma Gutes Jahr Pläne für die Entwicklung eines Stromerzeugungsreifens mit piezoelektrischem Material. Wenn sich der Reifen bewegt, verformt es und somit wird Strom erzeugt.[68]

Die Effizienz eines Hybrids Photovoltaikzelle Das enthält piezoelektrische Materialien können einfach erhöht werden, indem sie in die Nähe einer Umgebungsgeräusch- oder -schwingungsquelle platziert werden. Der Effekt wurde bei organischen Zellen mit dem Nachweis Zinkoxid Nanoröhren. Der durch den piezoelektrische Effekt selbst erzeugte Strom ist ein vernachlässigbarer Prozentsatz des Gesamtausgangs. Schallpegel von bis zu 75 Dezibel verbesserten die Effizienz um bis zu 50%. Die Effizienz erreichte einen Höhepunkt von 10 kHz, die Resonanzfrequenz der Nanoröhren. Das von den vibrierende Nanoröhren aufgebaute elektrische Feld interagiert mit Elektronen, die von der organischen Polymerschicht wandern. Dieser Prozess verringert die Wahrscheinlichkeit einer Rekombination, bei der Elektronen mit Energie versorgt werden, sich jedoch in ein Loch zurücksetzen, anstatt in die elektronenakzeptante ZnO-Schicht zu wandern.[69][70]

Siehe auch

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Weitere Lektüre

  • EN 50324 (2002) Piezoelektrische Eigenschaften von Keramikmaterialien und Komponenten (3 Teile)
  • Ansi-ieee 176 (1987) Standard für Piezoelektrizität
  • IEEE 177 (1976) Standarddefinitionen und Messmethoden für piezoelektrische Vibratoren
  • IEC 444 (1973) Grundlegende Methode zur Messung der Resonanzfreq- und Äquiv-Serie-Resistenz von Quarzkristalleinheiten durch Nullphasentechnik in einem PI-Network
  • IEC 302 (1969) Standarddefinitionen und Messmethoden für piezoelektrische Vibratoren, die über den Freq -Bereich von bis zu 30 MHz arbeiten

Externe Links