هنگام آشپزی، دستگیره احتراق را روی اجاق گاز می چرخانید، صدای "کلیک" شدیدی را می شنوید و شعله آبی شعله ور می شود. هنگام استفاده از فندک، یک پرس ملایم جرقهای تولید میکند که گاز را روشن میکند... این لحظات اشتعال روزانه بیصدا به مواد پیزوالکتریک متکی است و سرامیک تیتانات باریم (BaTiO3) نماینده کلاسیک چنین موادی است. باریم تیتانات به عنوان اولین{2}}سرامیک پیزوالکتریک بدون سرب که کشف شد، محدودیت های مواد پیزوالکتریک سنتی را شکست. همراه با خواص دی الکتریک عالی خود، کوچک سازی و ادغام دستگاه های الکترونیکی مدرن را امکان پذیر کرده است. در زیر، رمز و راز "تولید الکتریسیته" سرامیک های تیتانات باریم از اصول تا کاربردها را کشف می کنیم.
I. چرا سرامیک های باریم تیتانات می توانند ولتاژ ایجاد کنند؟
عملکرد پیزوالکتریک سرامیکهای تیتانات باریم ناشی از "ناهمترازی" مراکز بار در ساختار کریستالی است. تیتانات باریم ساختاری از نوع پروسکایت دارد که در آن یونهای باریم (Ba2+)، یونهای تیتانیوم (Ti4+) و یونهای اکسیژن (O2-) در یک الگوی خاص قرار گرفتهاند و فاز کریستالی با دما تغییر میکند. در بالای نقطه کوری (120 درجه)، تیتانات باریم ساختار بلوری مکعبی با تقارن بالا را نشان میدهد. یون تیتانیوم در مرکز شبکه قرار دارد، مراکز بار مثبت و منفی بر هم منطبق هستند، و قطبش خود به خودی وجود ندارد-بنابراین پیزوالکتریک نیست. در زیر نقطه کوری، کریستال به فازهای چهارضلعی (5-120 درجه)، متعامد (-90-5 درجه) یا لوزی وجهی (زیر 90 درجه) تبدیل می شود. در این فازها، یون تیتانیوم (Ti4+) کمی از مرکز هشت ضلعی اکسیژن منحرف میشود، در حالی که یونهای باریم (Ba2+) و یونهای اکسیژن (O2-) نیز بر این اساس جابهجا میشوند. این ساختار نامتقارن باعث می شود که مراکز بار مثبت و منفی دیگر بر هم منطبق نشوند و یک گشتاور دوقطبی قطبی شدن خود به خود ایجاد می کند - این شرایط اساسی است که به تیتانات باریم پتانسیل پیزوالکتریک آن را می دهد.
با این حال، سرامیکهای تیتانات باریم طبیعی معمولاً چند کریستالی هستند، با جهتهای قطبش خود به خودی دانههای ریز متعددی که بهطور تصادفی مرتب شدهاند، پلاریزاسیون کلی را لغو میکنند و هیچ پیزوالکتریک ماکروسکوپی نشان نمیدهند. برای دستیابی به عملکرد پیزوالکتریک، یک میدان الکتریکی DC قوی به سرامیک پخته شده در دمای معینی اعمال میشود (فرآیندی به نام قطببندی)، که جهتهای قطبش تصادفی اولیه را مجبور میکند تا با میدان الکتریکی هماهنگ شوند. پس از قطبش و حذف میدان، برخی از گشتاورهای دوقطبی جهت دار باقی می مانند و یک قطبش پسماند پایدار ایجاد می کنند و ماده پیزوالکتریک می شود. هنگامی که یک تنش مکانیکی (مثلا فشار، کشش یا برش) به سرامیک قطبی اعمال می شود، ساختار کریستالی تغییر شکل می دهد و باعث جابجایی نسبی مراکز بار مثبت و منفی و ایجاد بارهای پلاریزاسیون می شود. این بارها ولتاژی را در سطح کریستال ایجاد می کنند و انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند (اثر پیزوالکتریک مستقیم). برعکس، وقتی میدان الکتریکی در سرامیک اعمال میشود، گشتاورهای دوقطبی جهتیافته، نیروهایی را تجربه میکنند که شبکه را تغییر شکل میدهند و انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل میکنند (اثر پیزوالکتریک معکوس).
II. از جرقه زن تا حسگرها: کاربردهای پیزوالکتریک همه جا حاضر
به عنوان اولین -سرامیک بدون سرب که پیزوالکتریک است، باریم تیتانات نه تنها عملکرد پیزوالکتریک پایداری را ارائه میکند، بلکه یک مزیت بزرگ نیز دارد: کاملاً بدون سرب-. ترکیبات اصلی آن-باریم، تیتانیوم و اکسیژن-همه عناصر سازگار با محیط زیست هستند که آلودگی سرب را در منبع حذف میکنند و محدودیتهای زیستمحیطی مواد پیزوالکتریک سنتی حاوی سرب را میشکنند. علاوه بر این، فناوری تولید آن بسیار سازگار با خطوط تولید سرامیک الکترونیکی موجود است و به هزینههای مقاوم سازی پایین نیاز دارد. این مزایا به سرامیک های پیزوالکتریک باریم تیتانات اجازه می دهد تا در هر گوشه زندگی مدرن نفوذ کنند و به مواد کلیدی تبدیل شوند که بسیاری از عملکردهای روزمره را ممکن می سازند.
1. جرقه زنی الکترونیکی و ژنراتورهای ولتاژ بالا{1}
این نرم افزار کلاسیک ترین و شهودی است. در فندکها یا اجاقهای گازی، یک مکانیسم فشاری به صفحه سرامیکی پیزوالکتریک باریم تیتانات برخورد میکند و بلافاصله هزاران ولت تولید میکند که جرقهای در یک شکاف هوا برای مشتعل کردن گاز ایجاد میکند. در مقایسه با احتراق سنتی سنگ چخماق، اشتعال پیزوالکتریک در برابر سایش مقاوم است، تحت تأثیر رطوبت قرار نمی گیرد و ماندگاری طولانی دارد. اصول مشابهی در تفنگ های بی حس کننده قابل حمل، جرقه زن های پالس و سایر دستگاه ها استفاده می شود.
2. مبدل های آکوستیک و اولتراسونیک
با استفاده از اثر پیزوالکتریک معکوس، سیگنال های الکتریکی به ارتعاشات مکانیکی برای تولید صدا یا اولتراسوند تبدیل می شوند. به عنوان مثال:
زنگها در تلفنهای همراه و لوازم خانگی از دیافراگمهای پیزوالکتریک باریم تیتانات نازک استفاده میکنند که سبک وزن و کم مصرف هستند.
پاک کننده های اولتراسونیک حاوی لرزاننده های پیزوالکتریک هستند که ارتعاشات با فرکانس بالا ایجاد می کنند و حباب های حفره ای را در مایع تمیز کننده ایجاد می کنند تا به طور موثر کثیفی را از بین ببرند.
پروب های سونوگرافی پزشکی می توانند از سرامیک های مبتنی بر باریم تیتانات بدون سرب نیز استفاده کنند: اثر پیزوالکتریک مستقیم امواج منعکس شده را دریافت می کند و امکان تصویربرداری با وضوح بالا از بافت های داخلی بدن را فراهم می کند. طبیعت بدون سرب از آسیب احتمالی دستگاه های پزشکی به بدن انسان جلوگیری می کند.
3. حسگرها
هنگامی که یک سرامیک پیزوالکتریک تحت فشار، لرزش یا شتاب قرار می گیرد، بار خروجی متناسب با نیروی اعمال شده است. این اصل در موارد زیر استفاده می شود:
ترازوهای الکترونیکی، که در آن سنسورهای یکپارچه فشار را به سیگنال های ولتاژ برای محاسبه وزن تبدیل می کنند.
مانیتورهای الکترونیکی فشار خون، که حسگرهای فشار آن، فشار مکانیکی فشار خون را از طریق اثر مستقیم پیزوالکتریک به سیگنالهای الکتریکی تبدیل میکنند و بازخورد دقیقی ارائه میدهند.
ماشینآلات صنعتی، که در آن ورقهای سرامیکی پیزوالکتریک متصل برای نظارت آنلاین فشار، ارتعاش و سایر پارامترها استفاده میشود که امکان تشخیص و کنترل دقیق را فراهم میکند، بنابراین از توسعه صنعتی هوشمند و تصفیه شده پشتیبانی میکند.