Vật liệu áp điện xuất hiện từ cuối những năm 80 và mở đường cho nhiều phát minh thay đổi trò chơi. Phục vụ dưới hình thức MƠ trong chiến tranh thế giới, những vật liệu này giờ đây đã lọt vào mắt xanh của các nhà phát minh vì đặc điểm thần bí . Mạng cảm biến không dây , Internet of Things quy tắc kỷ nguyên kỹ thuật của thế kỷ 21. Để duy trì và vận hành những tính năng mới này, yêu cầu về nguồn điện đã trở thành thách thức lớn nhất. Tìm kiếm một sản phẩm bền vững, đáng tin cậy, năng lượng tái tạo nguồn khiến các nhà nghiên cứu tình cờ phát hiện ra những chiếc máy thu hoạch điện đi trước- vật liệu áp điện . Hãy bắt đầu một chuyến đi khám phá những thời đại mới này máy gặt đập điện.
Vật liệu áp điện là gì?
Để biết những gì một vật liệu áp điện là người ta phải biết thuật ngữ áp điện có nghĩa là gì ?. Trong PIEZOELECTRICITY thuật ngữ 'piezo' là viết tắt của áp lực hoặc căng thẳng. Như vậy áp điện được định nghĩa là “Điện được tạo ra do áp dụng lực hoặc lực căng cơ học” và các vật liệu thể hiện đặc tính này thuộc loại vật liệu áp điện . Tín dụng cho việc phát hiện ra những vật liệu này sẽ thuộc về Ngài Jacques Curie (1856–1941) và Pierre Curie (1859–1906) . Trong khi thử nghiệm với một số khoáng chất kết tinh như thạch anh, đường mía, v.v., họ phát hiện ra rằng tác dụng của lực hoặc lực căng lên những vật liệu này tạo ra điện áp có cực tính trái ngược với độ lớn tương ứng với tải trọng tác dụng. Hiện tượng này được đặt tên là Thẳng thắn Piezoeffect .
Trong năm sau, Lippman phát hiện ra hiệu ứng Converse nói rằng một trong những tinh thể tạo ra điện áp này, khi tiếp xúc với điện trường, dài ra hoặc ngắn lại theo cực của trường được đặt vào. Vật liệu áp điện được công nhận với vai trò của họ trong WW1 khi Quartz được sử dụng làm bộ cộng hưởng trong SONAR. Trong thời kỳ Thế chiến 2, vật liệu áp điện tổng hợp đã được phát hiện, sau đó dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của thiết bị áp điện . Trước khi sử dụng một vật liệu áp điện, người ta phải biết những đặc điểm nào làm cho những vật liệu này có tính áp điện.
Tính chất của vật liệu áp điện và cách nó hoạt động?
Bí mật của vật liệu áp điện nằm ở cấu trúc nguyên tử độc đáo của chúng. Vật liệu áp điện được liên kết ion và chứa các ion âm và dương ở dạng cặp được gọi là tế bào đơn vị. Những vật liệu này có sẵn trong tự nhiên như một chất điện môi dị hướng với mạng tinh thể phi đối xứng nghĩa là chúng không có bất kỳ điện tích tự do nào và các ion thiếu tâm đối xứng.
Hiệu ứng áp điện trực tiếp
Khi ứng suất cơ học hoặc ma sát được tác dụng lên những vật liệu này, hình dạng cấu trúc nguyên tử của tinh thể thay đổi do chuyển động tịnh của các ion dương và âm đối với nhau, dẫn đến lưỡng cực điện hoặc là Phân cực . Do đó tinh thể chuyển từ chất điện môi sang vật liệu tích điện. Lượng điện áp được tạo ra tỷ lệ thuận với lượng ứng suất hoặc lực căng tác dụng lên tinh thể.
Hiệu ứng áp điện trực tiếp
Hiệu ứng áp điện Converse
Khi nào điện lực được áp dụng cho các tinh thể này các lưỡng cực điện xuất hiện, tạo thành chuyển động lưỡng cực gây ra sự biến dạng của tinh thể, do đó làm phát sinh nghịch lưu hiệu ứng áp điện như trong hình.
Hiệu ứng áp điện Converse
Vật liệu áp điện tổng hợp
Người làm vật liệu áp điện giống gốm áp điện thể hiện phân cực tự phát (tính chất sắt điện) tức là lưỡng cực tồn tại trong cấu trúc của chúng ngay cả khi không có điện trường đặt vào. Đây là số lượng hiệu ứng áp điện được tạo ra phụ thuộc mạnh mẽ vào cấu trúc nguyên tử của chúng. Các lưỡng cực hiện diện trong cấu trúc tạo thành miền-vùng mà các lưỡng cực lân cận có cùng một hướng liên kết. Ban đầu, các miền này được định hướng ngẫu nhiên do đó không gây ra phân cực ròng.
Cấu trúc tinh thể Perovskite trên và dưới điểm Curie
Bằng cách đặt một điện trường mạnh một chiều lên các đồ gốm này khi chúng đi qua điểm Curie của chúng, các miền sẽ thẳng hàng theo hướng điện trường đặt vào. Quá trình này được gọi là cuộc thăm dò ý kiến . Sau khi làm nguội đến nhiệt độ phòng và loại bỏ điện trường, tất cả các miền vẫn duy trì hướng của chúng. Sau khi hoàn thành quá trình này, đồ gốm được trưng bày hiệu ứng áp điện . Vật liệu áp điện tự nhiên hiện có như thạch anh không hiển thị hành vi sắt điện .
Phương trình áp điện
Hiệu ứng áp điện có thể được mô tả như sau Phương trình khớp nối áp điện
Hiệu ứng áp điện trực tiếp: S = sE .T + d. E
Hiệu ứng áp điện ngược: D = d.T + εT.E
Ở đâu,
D = vectơ dịch chuyển điện
T = vector ứng suất
sE = ma trận của các hệ số đàn hồi ở cường độ điện trường không đổi,
S = vectơ biến dạng
εT = ma trận điện môi tại biến dạng cơ học không đổi
E = vectơ điện trường
d = hiệu ứng áp điện trực tiếp hoặc đối lưu
Điện trường được áp dụng theo các hướng khác nhau tạo ra lượng ứng suất khác nhau trong vật liệu áp điện. Vì vậy, các quy ước về dấu hiệu được sử dụng cùng với các hệ số để biết hướng của trường áp dụng. Để xác định hướng, trục 1, 2, 3 được sử dụng tương tự với X, Y, Z. Phân cực luôn được áp dụng theo hướng 3. Hệ số với chỉ số con kép liên quan đến các đặc tính điện và cơ với chỉ số con đầu tiên mô tả hướng của điện trường phù hợp với hiệu điện thế đặt vào hoặc điện tích sinh ra. Chỉ số phụ thứ hai cho biết hướng của ứng suất cơ học.
Hệ số ghép cơ điện xảy ra ở hai dạng. Đầu tiên là thuật ngữ khởi động d, và thứ hai là cảm biến hạn g. Hệ số áp điện cùng với ký hiệu của chúng có thể được giải thích bằng d33
Ở đâu,
d chỉ định ứng suất tác dụng là theo hướng thứ ba.
3 chỉ định các điện cực vuông góc với trục thứ 3.
3 xác định hằng số áp điện.
Vật liệu áp điện hoạt động như thế nào?
Như đã giải thích ở trên, vật liệu áp điện có thể hoạt động trong hai chế độ :
- Hiệu ứng áp điện trực tiếp
- Hiệu ứng áp điện ngược
Hãy lấy một ví dụ để hiểu ứng dụng của các chế độ này.
Máy phát điện Heal-Strike sử dụng Hiệu ứng áp điện trực tiếp:
DARPA đã phát triển thiết bị này để trang bị cho binh lính một máy phát điện di động. Vật liệu áp điện được cấy vào giày chịu ứng suất cơ học khi người lính bước đi. Do trực tiếp tính chất áp điện , vật liệu tạo ra điện tích do ứng suất cơ học này. Khoản phí này được lưu trữ trong tụ điện hoặc là pin do đó có thể được sử dụng để sạc các thiết bị điện tử của họ khi đang di chuyển.
Heal Strike Generator
Bộ dao động tinh thể thạch anh trong đồng hồ sử dụng hiệu ứng áp điện ngược
Đồng hồ chứa một tinh thể thạch anh . Khi dòng điện từ pin được đưa vào tinh thể này thông qua một hiệu ứng áp điện ngược mạch xảy ra. Do tác dụng này khi ứng dụng điện tích, tinh thể bắt đầu dao động với tần số 32768 lần mỗi giây. Bộ vi mạch hiện diện trong mạch đếm những dao động này và tạo ra một xung đều đặn mỗi giây làm quay các kim giây của đồng hồ.
Hiệu ứng Converse Piezo được sử dụng trong đồng hồ
Sử dụng vật liệu áp điện
Do sự độc đáo của nó đặc điểm, vật liệu áp điện đã có được một vai trò quan trọng trong các phát minh công nghệ khác nhau.
Sử dụng hiệu ứng Piezo trực tiếp
- Ở các ga xe lửa của Nhật Bản, khái niệm về “ trang trại đám đông ”Đã được thử nghiệm nơi bước chân của người đi bộ trên gạch áp điện được gắn trên đường có thể tạo ra điện.
- Vào năm 2008, một hộp đêm ở London đã xây dựng một tầng thân thiện với môi trường đầu tiên được làm bằng vật liệu áp điện có thể tạo ra điện để cung cấp năng lượng cho các bóng đèn khi mọi người nhảy múa trên đó.
- Hiệu ứng áp điện tìm thấy ứng dụng hữu ích như bộ lọc tần số cơ học, thiết bị sóng âm bề mặt , thiết bị sóng âm thanh số lượng lớn, v.v.…
- Micrô và loa âm thanh và siêu âm, hình ảnh siêu âm , hydrophone.
- Bán tải áp điện cho guitar, cảm biến sinh học để tăng sức mạnh cho máy tạo nhịp tim.
- Các phần tử áp điện cũng được sử dụng trong việc phát hiện và tạo ra sóng sonar, trục đơn và trục kép cảm biến nghiêng .
Hiệu ứng áp điện từ đường đi
Sử dụng hiệu ứng áp điện Converse
- Bộ truyền động và động cơ
- Vị trí chính xác vi mô và điều chỉnh độ chính xác vi mô trong thấu kính cho kính hiển vi.
- Trình điều khiển kim trong máy in, động cơ thu nhỏ, thiết bị truyền động bimorph.
- Bộ truyền động nhiều lớp để định vị tốt trong quang học
- Hệ thống phun trong van nhiên liệu ô tô, v.v.
Hiệu ứng điện Piezo như điều chỉnh vi mô trong máy ảnh
Bằng cách ghép các lĩnh vực điện và cơ khí:
- Để điều tra cấu trúc nguyên tử của vật liệu.
- Để giám sát tính toàn vẹn của cấu trúc và phát hiện các lỗi ở giai đoạn đầu trong các cấu trúc dân dụng, công nghiệp và hàng không vũ trụ.
Ưu điểm và hạn chế của vật liệu áp điện
Những ưu điểm và hạn chế của vật liệu áp điện bao gồm những điều sau đây.
Ưu điểm
- Vật liệu áp điện có thể hoạt động ở mọi điều kiện nhiệt độ.
- Họ có thấp khí thải carbon biến chúng thành sự thay thế tốt nhất cho nhiên liệu hóa thạch.
- Đặc tính của những vật liệu này khiến chúng trở thành những máy thu năng lượng tốt nhất.
- Năng lượng không sử dụng bị mất dưới dạng dao động có thể được khai thác để tạo ra năng lượng xanh.
- Những vật liệu này có thể được tái sử dụng.
Hạn chế
- Trong khi làm việc với các rung động, các thiết bị này cũng dễ bị rung không mong muốn.
- Sức cản và độ bền áp dụng giới hạn cho các thiết bị khi được sử dụng để khai thác năng lượng từ vỉa hè và đường.
- Sự không phù hợp giữa độ cứng của vật liệu áp điện và vật liệu làm mặt đường.
- Các chi tiết ít được biết đến về các thiết bị này và số lượng nghiên cứu được thực hiện cho đến nay không đủ để khai thác toàn bộ việc sử dụng các thiết bị này.
Như người ta đã nói 'Sự cần thiết là mẹ đẻ của phát minh', sự cần thiết của chúng ta đối với một thiết bị thu hoạch năng lượng thải khí carbon thấp, không hối hả đã mang lại vật liệu áp điện vào ánh đèn sân khấu một lần nữa. Làm thế nào những vật liệu này có thể khắc phục những hạn chế của chúng? Có phải chúng ta đang hướng tới một tương lai mà thay vì lo lắng về lượng nhiên liệu đã sử dụng hết để đi lại, chúng ta sẽ chỉ băn khoăn về lượng điện mà chiếc xe của chúng ta tạo ra? Bạn nghĩ sao? Dưới đây là một câu hỏi cho bạn, vật liệu áp điện tốt nhất là gì?
