Gatavojot ēdienu, jūs pagriežat aizdedzes pogu uz gāzes plīts, dzirdat kraukšķīgu "klikšķi", un aizdegas zila liesma; Lietojot šķiltavas, maiga presēšana rada dzirksteli, kas aizdedzina gāzi... Šie ikdienas aizdegšanās brīži klusi paļaujas uz pjezoelektriskiem materiāliem, un bārija titanāta (BaTiO₃) keramika ir klasisks šādu materiālu pārstāvis. Kā pirmā atklātā pjezoelektriskā keramika bez svina-bārija titanāts pārkāpa tradicionālo pjezoelektrisko materiālu ierobežojumus. Apvienojumā ar izcilajām dielektriskajām īpašībām tas ir ļāvis miniaturizēt un integrēt modernās elektroniskās ierīces. Tālāk mēs atklājam bārija titanāta keramikas “elektrības{5}radīšanas” noslēpumu no pamatiem līdz pielietojumam.
I. Kāpēc bārija titanāta keramika var radīt spriegumu?
Bārija titanāta keramikas pjezoelektriskā funkcija rodas no lādiņu centru "neatbilstības" kristāla struktūrā. Bārija titanātam ir perovskīta -tipa struktūra, kur bārija joni (Ba²⁺), titāna joni (Ti⁴⁺) un skābekļa joni (O²⁻) ir sakārtoti noteiktā veidā, un kristāla fāze mainās atkarībā no temperatūras. Virs Kirī punkta (120 grādi) bārija titanātam ir kubiskā kristāla struktūra ar augstu simetriju; titāna jons atrodas režģa centrā, pozitīvā un negatīvā lādiņa centri sakrīt, un nav spontānas polarizācijas-, tāpēc tas nav pjezoelektrisks. Zem Kirī punkta kristāls pārvēršas tetragonālā (5–120 grādi), ortorombiskā (-90–5 grādi) vai romboedriskā (zem -90 grādi) fāzē. Šajās fāzēs titāna jons (Ti⁴⁺) ir nedaudz novirzīts no skābekļa oktaedra centra, savukārt bārija joni (Ba²⁺) un skābekļa joni (O²⁻) arī attiecīgi nobīdās. Šī asimetriskā struktūra izraisa to, ka pozitīvā un negatīvā lādiņa centri vairs nesakrīt, radot spontānu polarizācijas dipola momentu - tas ir pamatnosacījums, kas piešķir bārija titanātam pjezoelektrisko potenciālu.
Tomēr dabiskā bārija titanāta keramika parasti ir polikristāliska, un daudzu sīku graudu spontānas polarizācijas virzieni ir sakārtoti nejauši, atceļot vispārējo polarizāciju un neuzrāda makroskopisku pjezoelektriskumu. Lai sasniegtu pjezoelektrisko funkciju, saķepinātajai keramikai noteiktā temperatūrā tiek pielietots spēcīgs līdzstrāvas elektriskais lauks (process, ko sauc par "polingu"), liekot sākotnēji nejaušajiem polarizācijas virzieniem saskaņoties ar elektrisko lauku. Pēc polēšanas un lauka noņemšanas daži dipola momenti paliek orientēti, radot stabilu paliekošu polarizāciju, un materiāls kļūst pjezoelektrisks. Ja uz polētas keramikas tiek pielikts mehānisks spriegums (piemēram, spiediens, spriegums vai bīde), kristāla struktūra deformējas, izraisot pozitīvo un negatīvo lādiņu centru relatīvu nobīdi un radot polarizācijas lādiņus. Šie lādiņi rada spriegumu pāri kristāla virsmām, panākot mehāniskās enerģijas pārvēršanu elektroenerģijā (tiešais pjezoelektriskais efekts). Un otrādi, ja elektriskais lauks tiek pielietots pāri keramikai, orientētie dipola momenti piedzīvo spēkus, kas deformē režģi, pārvēršot elektrisko enerģiju mehāniskajā enerģijā (apgrieztais pjezoelektriskais efekts).
II. No aizdedzinātājiem līdz sensoriem: visuresošas pjezoelektriskās lietojumprogrammas
Bārija titanāts kā pirmā svina-bezsvina keramika, kas atklāta kā pjezoelektriska, piedāvā ne tikai stabilu pjezoelektrisko veiktspēju, bet arī ievērojamu priekšrocību: tas pilnībā nesatur svinu-. Tās galvenās sastāvdaļas -bārijs, titāns un skābeklis-ir videi draudzīgi elementi, kas novērš svina piesārņojumu tā avotā un pārkāpj tradicionālo svinu saturošu pjezoelektrisko materiālu vides ierobežojumus. Turklāt tā ražošanas tehnoloģija ir ļoti savietojama ar esošajām elektroniskās keramikas ražošanas līnijām, kas prasa zemas modernizācijas izmaksas. Šīs priekšrocības ir ļāvušas bārija titanāta pjezoelektriskajai keramikai iekļūt visos mūsdienu dzīves stūros, kļūstot par galvenajiem materiāliem, kas nodrošina daudzas ikdienas funkcijas.
1. Elektroniskā aizdedze un augsta sprieguma ģeneratori
Šī ir klasiskākā un intuitīvākā lietojumprogramma. Šķiltavās vai gāzes plītis presēšanas mehānisms ietriecas bārija titanāta pjezoelektriskajā keramiskajā plāksnē, acumirklī ģenerējot tūkstošiem voltu, kas dzirksteļo gaisa spraugā, lai aizdedzinātu gāzi. Salīdzinot ar tradicionālo krama aizdedzi, pjezoelektriskā aizdedze ir nodilumizturīga, to neietekmē mitrums un tā ir ilgstoša. Līdzīgi principi tiek izmantoti pārnēsājamās apdullināšanas pistolēs, impulsa aizdedzēs un citās ierīcēs.
2. Akustiskie un ultraskaņas devēji
Izmantojot apgriezto pjezoelektrisko efektu, elektriskie signāli tiek pārveidoti mehāniskās vibrācijās, lai radītu skaņu vai ultraskaņu. Piemēram:
Mobilo tālruņu un sadzīves tehnikas zummeri izmanto plānas bārija titanāta pjezoelektriskās diafragmas, kas ir vieglas un mazjaudas.
Ultraskaņas tīrīšanas līdzekļi satur pjezoelektriskos vibratorus, kas rada augstas frekvences vibrācijas, radot kavitācijas burbuļus tīrīšanas šķidrumā, lai efektīvi noņemtu netīrumus.
Medicīniskās ultraskaņas zondes var izmantot arī bezsvina bārija titanāta keramiku: tiešais pjezoelektriskais efekts uztver atstarotos viļņus, ļaujot augstas izšķirtspējas attēlot iekšējos ķermeņa audus. Bezsvina daba novērš iespējamu medicīnisko ierīču radīto kaitējumu cilvēka ķermenim.
3. Sensori
Kad pjezoelektriskā keramika tiek pakļauta spiedienam, vibrācijai vai paātrinājumam, izejas lādiņš ir proporcionāls pieliktajam spēkam. Šo principu izmanto:
Elektroniskie svari, kuros integrētie sensori pārvērš spiedienu sprieguma signālos, lai aprēķinātu svaru.
Elektroniskie asinsspiediena mērītāji, kuru spiediena sensori ar tiešā pjezoelektriskā efekta palīdzību pārvērš mehānisko spiedienu no asinsspiediena elektriskos signālos, nodrošinot precīzu atgriezenisko saiti.
Rūpnieciskās iekārtas, kurām pievienotās pjezoelektriskās keramikas loksnes tiek izmantotas spiediena, vibrācijas un citu parametru tiešsaistes uzraudzībai, ļaujot precīzi noteikt un kontrolēt, tādējādi atbalstot inteliģentu un rafinētu rūpniecības attīstību.