Þegar þú eldar snýrðu kveikjuhnappinum á gaseldavél, heyrir skarpan „smell“ og blár logi kviknar; þegar kveikjara er notað, myndar mild pressa neista sem kveikir á gasinu... Þessar hversdagslegu kveikjustundir treysta hljóðlaust á piezoelectric efni og baríumtítanat (BaTiO₃) keramik er klassískur fulltrúi slíkra efna. Baríumtítanat var fyrsta blý-lausa steypukeramikið sem uppgötvaðist og rauf takmarkanir hefðbundinna steypurafmagnsefna. Ásamt framúrskarandi rafeiginleikum hefur það gert kleift að smækka og samþætta nútíma rafeindabúnað. Hér að neðan afhjúpum við "rafmagnsmyndandi" leyndardóm baríumtítanat keramik frá grundvallaratriðum til notkunar.
I. Hvers vegna getur Barium Titanate keramik myndað spennu?
Stöðugeindavirkni baríumtítanatkeramiksins stafar af "misstillingu" hleðslustöðva innan kristalbyggingarinnar. Baríumtítanat hefur peróskít-gerð, þar sem baríumjónir (Ba²⁺), títanjónir (Ti⁴⁺) og súrefnisjónir (O²⁻) eru raðað í ákveðið mynstur og kristalfasinn breytist með hitastigi. Fyrir ofan Curie punktinn (120 gráður) sýnir baríumtítanat kúbika kristalbyggingu með mikilli samhverfu; títanjónin situr í miðju grindarinnar, jákvæða og neikvæða hleðslumiðstöðin falla saman og það er engin sjálfkrafa skautun-svo hún er ekki piezoelectric. Fyrir neðan Curie punktinn umbreytist kristallinn í fjórhyrndar (5–120 gráður), rétthyrndar (-90–5 gráður) eða rhombohedral (undir -90 gráður) fasa. Í þessum áföngum er títanjónin (Ti⁴⁺) örlítið á móti miðju súrefnis octahedron, en baríumjónir (Ba²⁺) og súrefnisjónir (O²⁻) breytast einnig í samræmi við það. Þessi ósamhverfa uppbygging veldur því að jákvæðu og neikvæðu hleðslustöðvarnar falla ekki lengur saman og skapar sjálfkrafa skautun tvípóls augnabliks - þetta er grundvallarskilyrðið sem gefur baríumtítanati piezoelectric möguleika þess.
Hins vegar er náttúrulegt baríumtítanat keramik venjulega fjölkristallað, með sjálfsprottnum skautunarleiðbeiningum fjölmargra örsmáa korna raðað af handahófi, sem dregur úr heildarskautun og sýnir enga stórsæja piezoelectricity. Til að ná fram piezoelectric virkni er sterku DC rafsviði beitt á hertu keramikið við ákveðið hitastig (ferli sem kallast "poling"), sem neyðir upphaflega handahófskenndar skautunarstefnur til að samræmast rafsviðinu. Eftir pólun og fjarlægingu reitsins haldast sum tvípóla augnablikin stillt, sem skapar stöðuga endurskautun og efnið verður piezoelectric. Þegar vélrænni streitu (td þrýstingur, spenna eða klippa) er beitt á skauta keramikið, afmyndast kristalbyggingin, sem veldur hlutfallslegri tilfærslu á jákvæðum og neikvæðum hleðslustöðvum og myndar skautunarhleðslur. Þessar hleðslur búa til spennu yfir kristalsyfirborðin og ná fram umbreytingu vélrænnar orku í raforku (bein piezoelectric áhrif). Á hinn bóginn, þegar rafsviði er beitt yfir keramikið, upplifa stilltu tvípólsmomentin krafta sem afmynda grindurnar, umbreyta raforku í vélræna orku (öfug piezoelectric áhrif).
II. Allt frá kveikjum til skynjara: alls staðar nálæg rjúpnaforrit
Sem fyrsta blý-lausa keramikið sem uppgötvað hefur verið að vera piezoelectric, baríum titanate býður ekki aðeins upp á stöðugan piezoelectric árangur heldur einnig stóran kost: það er algjörlega blýlaust-. Helstu innihaldsefni þess-baríum, títan og súrefni-eru öll umhverfisvæn frumefni, sem útilokar blýmengun við upptökin og rjúfa umhverfistakmarkanir hefðbundinna blýrafmagnsefna sem innihalda blý. Þar að auki er framleiðslutækni þess mjög samhæf við núverandi rafræn keramik framleiðslulínur, sem krefst lágs endurbótakostnaðar. Þessir kostir hafa gert það að verkum að baríumtítanat piezoelectric keramik hefur gegnsýrt hvert horn nútímalífs og orðið lykilefni sem gerir margar hversdagslegar aðgerðir kleift.
1. Rafeindakveikja og háspennugjafar-
Þetta er klassískasta og leiðandi forritið. Í kveikjara eða gasofnum slær þrýstibúnaður á baríumtítanat piezoelectric keramikplötu og myndar samstundis þúsundir volta sem neista yfir loftgap til að kveikja í gasinu. Í samanburði við hefðbundna kveikju í tinnusteini er piezoelectric kveikja slitþolin, óbreytt af raka og varanleg. Svipaðar reglur eru notaðar í færanlegum rafbyssum, púlskveikjum og öðrum tækjum.
2. Hljóð- og ultrasonic transducers
Með því að nota andstæða piezoelectric áhrifin er rafmerkjum breytt í vélrænan titring til að framleiða hljóð eða ómskoðun. Til dæmis:
Hljóðmerki í farsímum og heimilistækjum nota þunnt baríumtítanat piezoelectric þind, sem er létt og kraftlítil.
Ultrasonic hreinsiefni innihalda piezoelectric titring sem mynda hátíðni titring, sem skapar kavitation loftbólur í hreinsivökvanum til að fjarlægja óhreinindi á áhrifaríkan hátt.
Læknisfræðilegar ómskoðunarnemar geta einnig notað blýfrítt baríumtítanat-keramik: Bein piezoelectric áhrif taka á móti endurkastuðum bylgjum, sem gerir myndgreiningu í hárri upplausn af innri líkamsvef kleift. Blýlaus náttúran forðast hugsanlega skaða á mannslíkamanum af völdum lækningatækja.
3. Skynjarar
Þegar piezoelectric keramik verður fyrir þrýstingi, titringi eða hröðun er úttakshleðslan í réttu hlutfalli við beitt kraft. Þessi regla er notuð í:
Rafrænar vogir, þar sem innbyggðir skynjarar breyta þrýstingi í spennumerki til að reikna út þyngd.
Rafrænir blóðþrýstingsmælar, þar sem þrýstingsskynjarar breyta vélrænni þrýstingi úr blóðþrýstingi í rafboð með beinum piezoelectric áhrifum, sem veita nákvæma endurgjöf.
Iðnaðarvélar, þar sem áföst piezoelectric keramikplötur eru notaðar til að fylgjast með þrýstingi, titringi og öðrum breytum á netinu, sem gerir nákvæma uppgötvun og stjórnun kleift og styður þannig greinda og fágaða iðnaðarþróun.